一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復(fù)合涂層的可降解鎂籠植入體的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及可降解鎂籠植入體，特別涉及一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復(fù)合涂層的可降解鎂籠植入體的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]骨缺損是臨床常見(jiàn)病，造成骨缺損的原因可能有骨創(chuàng)傷、骨感染死骨摘除、骨腫瘤段切除等。骨缺損修復(fù)技術(shù)主要有Ilizarow技術(shù)、腓骨移植，同種異體骨治療等。采用植入體器件輔助治療為常用治療方法，其具有固定穩(wěn)定，復(fù)位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有用于修復(fù)骨缺損的植入體器件一般為選擇采用鈦、鋯、氧化鋯、鉑、銠、鈮、外科不銹鋼、鈷鉻-鋼、鉭等不降解或難降解合金，如骨穩(wěn)固器設(shè)備(CN 104602629 A)、椎間植入物(CN101938957 A)的籠狀植入體。選擇上述不降解或難降解合金材料的籠狀植入體具有較強(qiáng)的力學(xué)性能，可在人體中長(zhǎng)期植入。但在長(zhǎng)期植入的過(guò)程中，由于人體骨與上述材料較大的力學(xué)差異而導(dǎo)致的應(yīng)力遮擋，使得周圍骨組織易發(fā)生骨折、長(zhǎng)期累積磨損植入體碎肩在人體內(nèi)堆積難以排出體外等隱患，骨組織修復(fù)一段時(shí)間后仍需要將上述植入體器件取出。另外，通過(guò)外科手術(shù)植入后，盡管使用了抗生素等藥物，但是植入部位的細(xì)菌感染案例依舊經(jīng)常發(fā)生。
[0003]生物可降解鎂合金材料與人體骨骼具有相近的力學(xué)性能。鎂合金制備的籠狀植入體應(yīng)用于骨缺損的修復(fù)，具有減小應(yīng)力遮擋，在植入初期提供足夠的力學(xué)支持，并在完成骨修復(fù)之后逐步在人體內(nèi)降解，被人體吸收或代謝排出體外，避免通過(guò)二次手術(shù)取出等優(yōu)點(diǎn)，從而在醫(yī)用植入體領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。而阻礙鎂籠材料作為植入體應(yīng)用的最大因素在于鎂金屬的腐蝕電位低，在體液環(huán)境下具有很高的腐蝕速率，力學(xué)完整性損失過(guò)快等。通過(guò)水熱法在鎂合金表面沉積磷灰石涂層，不僅可以提高鎂合金的耐腐蝕性，同時(shí)對(duì)于其生物活性也有一定的改善。然而磷灰石具有膜基結(jié)合強(qiáng)度差，易磨損等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)鎂金屬的腐蝕電位低，在體液環(huán)境下具有很高的腐蝕速率，力學(xué)完整性損失過(guò)快以及磷灰石具有膜基結(jié)合強(qiáng)度差，易磨損缺點(diǎn)的問(wèn)題，而提出的一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復(fù)合涂層的可降解鎂籠植入體的方法。
[0005]上述的發(fā)明目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]步驟一、將鎂金屬加工成籠狀植入體，在室溫下，依次利用20?10ml丙酮、無(wú)水乙醇在15?25°C下超聲清洗籠狀植入體5?20min;
[0007]步驟二、利用去離子水在溫度15?25°C條件下清洗無(wú)水乙醇超聲清洗后的籠狀植入體3?5min后，在溫度20?50°C條件下烘干10?20min，得到預(yù)處理的鎂金屬材料；
[0008]步驟三、對(duì)步驟二中預(yù)處理的鎂金屬材料進(jìn)行水熱處理，得到表面含石墨烯/磷灰石水熱復(fù)合涂層改性的鎂金屬籠狀種植體；
[0009]所述的對(duì)步驟二中預(yù)處理的鎂金屬材料進(jìn)行水熱處理的具體過(guò)程為:
[0010]將預(yù)處理的鎂金屬材料放置在Ca(NO3)2-K2HPO4-GO水熱反應(yīng)溶液中，采用HNO3和NH3.H2O調(diào)節(jié)Ca(NO3)2-K2HPOfGO水熱反應(yīng)溶液至pH為1.5?3.5，水熱反應(yīng)溫度為100?200°C，反應(yīng)時(shí)間為I?3h。
[0011 ]其中，Ca (NO3) 2-K2HPO4-GO水熱反應(yīng)溶液中 Ca(N03) 2為0.I ?0.3mol/L，K2HPO4為0.1?0.4mol/L以及GO為0.I?0.5mg/mL;
[0012]步驟四、在室溫下，利用去離子水將步驟三得到的水熱處理后表面改性的鎂金屬籠狀種植體超聲處理5?1min后，在40°C下烘干處理20?40min，即得到一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復(fù)合涂層的可降解鎂籠植入體的方法。
[0013]發(fā)明效果
[0014]本發(fā)明提供了一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復(fù)合涂層的可降解鎂籠植入體的方法及制備方法。帶有涂層鎂籠具有耐蝕抗菌，可內(nèi)載膠原、顆粒骨與活性緩釋因子等，以達(dá)到骨缺損的快速修復(fù)，降低感染幾率。服役期間鎂金屬提供足夠的力學(xué)支持，骨修復(fù)完成后鎂合金逐步降解吸收，無(wú)需二次手術(shù)的目的。
[0015]石墨烯具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，在磷灰石涂層中摻雜石墨烯材料可顯著提高膜層的強(qiáng)度與韌性。采用水熱法在鎂金屬表面構(gòu)建含有石墨烯的磷灰石復(fù)合涂層，該涂層相比于單純磷灰石涂層膜基結(jié)合強(qiáng)度、耐腐蝕性等方面具有顯著提高。同時(shí)，石墨烯/磷灰石涂層具有良好的抗菌效果，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)植入體材料，由于植入體本身具有的抗菌效果，從而可以有效的減少細(xì)菌的滋生與感染的幾率。
[0016]本發(fā)明基于傳統(tǒng)金屬植入體不易降解，與人體骨力學(xué)性能差距大；外科手術(shù)植入器件后，手術(shù)部位易感染;鎂合金耐蝕性能差，在人體內(nèi)降解過(guò)快而易喪失力學(xué)完整性;磷灰石涂層膜基結(jié)合強(qiáng)度差，易磨損等問(wèn)題，結(jié)合石墨烯具有的優(yōu)良性質(zhì)，發(fā)明了一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復(fù)合涂層的可降解鎂籠植入體的方法。并進(jìn)一步的，可在鎂籠植入體中加入自體或異體顆粒骨、促進(jìn)骨融合或抗菌的緩釋活性因子等從而達(dá)到提高骨融合速度，減少骨缺損的治愈周期，降低感染幾率等效果。
[0017]本發(fā)明鎂金屬籠狀種植體材料可通過(guò)鑄造技術(shù)、激光3D打印技術(shù)、激光切割或激光融合技術(shù)完成，并可根據(jù)植入部位所需制作各類尺寸與形狀。
[0018]本發(fā)明在鎂金屬籠狀種植體中加入顆粒骨可以使得骨缺損更快修復(fù)，其中可加入活性緩釋因子以提高骨融合，抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。在籠狀物外壁上的孔洞可以促進(jìn)種植體內(nèi)顆粒骨與體外的物質(zhì)交換。本發(fā)明對(duì)鎂金屬籠狀種植體進(jìn)行水熱表面改性，具體為在水熱反應(yīng)過(guò)程中，石墨烯片層與磷灰石交替在鎂金屬表面生長(zhǎng)，形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)較單純的磷灰石沉積更加致密，使得涂層的耐蝕性以及膜基結(jié)合強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，并且通過(guò)石墨烯對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞使得涂層具有了一定的抗菌性。采用金黃色葡萄球菌與大腸埃希氏菌進(jìn)行抗菌性測(cè)試，涂層的抗菌率達(dá)到93.5%，95.6%。
[0019]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):一、采用鎂金屬作為種植體材料，減小了應(yīng)力遮擋，完成修復(fù)后可以緩慢降解，避免了 2次手術(shù);二、在鎂金屬種植體中加入顆粒骨，促進(jìn)骨愈合，加入了活性緩釋因子，提高骨融合速度，降低感染幾率;三、在鎂金屬種植體外壁上加工小孔，促進(jìn)種植體內(nèi)外物質(zhì)交換；四、在鎂金屬種植體上采用水熱方法表面改性，提高了其抗腐蝕性能，為鎂金屬在骨愈合修復(fù)之前提供足夠了力學(xué)支持;五、在水熱涂層中加入石墨烯，使得涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度增加，進(jìn)一步加強(qiáng)了抗腐蝕性能，同時(shí)使得涂層具有一定的抗菌性；六、鎂金屬種植體可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成實(shí)際形狀，水熱浸入式表面改性不受鎂籠基體材料形狀的限制。
[0020]本發(fā)明制備的鎂金屬籠狀種植體模型如圖1(a)和(b)所示，涂層中摻入石墨烯對(duì)比于未摻入的膜基結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試如圖2(a)?(d)所示。圖2(a)?(d)為采用GMW14829標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)試涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度，磷灰石涂層的評(píng)測(cè)為5級(jí)脫落嚴(yán)重，而石墨烯/磷灰石復(fù)合涂層為2級(jí)脫落較輕。
[0021]本發(fā)明采用鎂金屬作為種植體材料，減小了應(yīng)力遮擋，完成修復(fù)后可以緩慢降解，避免了 2次手術(shù)。在鎂金屬種植體中加入顆粒骨，促進(jìn)骨愈合，加入了活性緩釋因子，提高骨融合速度，降低感染幾率。在鎂金屬種植體外壁上加工小孔，促進(jìn)種植體內(nèi)外物質(zhì)交換。在鎂金屬種植體上采用水熱方法表面改性，提高了其抗腐蝕性能，為鎂金屬在骨愈合修復(fù)之前提供足夠了力學(xué)支持。在水熱涂層中加入石墨烯，使得涂層的膜基結(jié)合強(qiáng)度增加，進(jìn)一步加強(qiáng)了抗腐蝕性能，同時(shí)使得涂層具有一定的抗菌性。鎂金屬種植體可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成實(shí)際形狀，水熱表面改性為各種形狀提供支持。
[0022]—種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復(fù)合涂層的可降解鎂籠植入體的方法具有抗菌、耐蝕、可降解、膜基強(qiáng)度高等多重優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于骨缺損的修復(fù)，如椎間骨，肢體骨等。本發(fā)明一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復(fù)合涂層的可降解鎂籠植入體的方法的制備，方法簡(jiǎn)單，重復(fù)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1(a)為【具體實(shí)施方式】一提出的鎂金屬籠狀種植體模型示意圖；
[0024]圖1(b)為【具體實(shí)施方式】一提出的帶有涂層的鎂籠植入體示意圖；
[0025]圖2(a)為【具體實(shí)施方式】一提出的未加入石墨烯的涂層宏觀圖；
[0026]圖2(b)為【具體實(shí)施方式】一提出的未加入石墨烯的涂層膜基結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試示意圖；
[0027]圖2(c)為【具體實(shí)施方式】一提出的摻入石墨烯的涂層示意圖；
[0028]圖2(d)為【具體實(shí)施方式】一提出的摻入石墨烯的涂層膜基結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復(fù)合涂層的可降解鎂籠植入體的方法，具體是按照以下步驟制備的:
[0030]步驟一、將鎂金