钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于医用金属材料表面改性技术领域，涉及一种钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]钛及其合金具有耐蚀性好、化学稳定性强、生物相容性优异等优点，广泛应用于骨科、矫形外科和口腔科等领域。但钛及其合金属于生物惰性材料，植入体后不能与宿主骨形成化学结合，也没有促进新骨形成的能力，严重影响了植入效果；此外，由于钛及其合金不具备抗菌功能，术后容易引起细菌感染，从而导致植入失败。针对上述两点，需对钛金属进行表面生物活化改性，使其具备抗菌与骨组织再生诱导性功能。
[0003]羟基磷灰石(HA)化学成分与人体骨组织及牙齿硬组织的无机成分相似，具备良好的生物活性，在材料表面生物活化改性方面倍受青睐。HA的形态对其生物活性有较大影响。众所周知，骨基质主要由胶原纤维和生长于其周围的HA构成，成纳米纤维形态，细胞对此结构组态有着独特的成骨效应。即使是生物惰性材料，细胞在植入材料表面的纳米纤维网络基面上的附着能力不仅远强于同质致密基面，也强于胶原致密基面；相比于微米形态，纳米形态表面更有利于细胞的黏附和生长。另一方面，Sr2+，F_作为人体必需微量元素，可以增强骨细胞成骨功能，提高种植体与骨组织的融合能力。此外，氟离子取代羟基磷灰石中的羟基后形成含氟磷灰石，使磷灰石的结构更为稳定；而且F—具有杀菌作用，能减少细菌的黏附和生长，作为口腔材料时还能起到预防龋齿的作用。人骨形态发生蛋白2(rhBMP-2)隶属于转录生长因子β (TGF-β)超家族，具有促进成骨细胞分化、诱导骨组织再生的能力，目前已广泛应用于骨组织工程研宄领域。
[0004]现有的等离子喷涂、磁控溅射、溶胶-凝胶法等技术可在致密金属基体表面获得含锶氟羟基磷灰石，但得到的含锶氟羟基磷灰石涂层与基体的结合强度较低、在种植过程中易剥落；涂层物相不纯，存在杂相；而且其不呈纳米纤维形态。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层及其制备方法和应用，该涂层具有高的结合强度和结构稳定性能，同时具有良好的生物活性、成骨功能、及抗菌性能。
[0006]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]一种钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0008]I)配制电解液:
[0009]将钙源、锶源和磷源溶于水中，混合均匀，配制成电解液；电解液中钙离子的浓度为0.1?0.4mol/L，锶离子的浓度为0.05?0.2mol/L，磷酸根离子的浓度为0.02?0.06mol/L ;
[0010]2)微弧氧化:
[0011]以钛或钛合金为阳极、不锈钢为阴极，将钛或钛合金以及不锈钢置于步骤I)配制的电解液中，对钛或钛合金进行微弧氧化处理，即在钛或钛合金表面得到含钙、磷和锶的多孔T12涂层；
[0012]3)含钙、磷和锶的多孔1102涂层的水热处理:
[0013]将含氟溶液注入水热反应釜中，将含钙、磷和锶的多孔T12涂层悬挂在含氟溶液上方，在110?180°C下水热处理20?26h，得到T12/纳米纤维状含锶氟羟基磷灰石(SrF-HA)双层结构涂层；其中含氟溶液中氟离子的浓度为0.005?0.04mol/L ；
[0014]4)人骨形态发生蛋白-2(rhBMP-2)的负载:
[0015]将T12/纳米纤维状含锁氟轻基磷灰石双层结构涂层在浓度为0.05?6mg/mL的人骨形态发生蛋白-2溶液中浸润0.5?3h，然后真空干燥，即得到钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层。
[0016]所述钙源为(CH3COO)2Ca、锶源为(CH3COO) 2Sr、磷源为 β -C3H7Na2O6P ( β -GP)、含氟溶液为NH4F溶液。
[0017]在对钛或钛合金进行微弧氧化处理前先对其进行预处理，预处理包括抛光和清洗。
[0018]所述步骤2)在进行微弧氧化处理时，采用直流脉冲电源，正电压为360?450V、负电压为50?100V、频率为100?3000Hz、占空比为15?50%、钛或钛合金与不锈钢的间距为8?10cm，电解液的温度为5?40°C，微弧氧化处理的时间为5?20min。
[0019]所述步骤3)的水热反应釜中含氟溶液的填充度为10?40%。
[0020]所述步骤4)中真空干燥时的温度为4°C，压力为0.0lPa，干燥时间为22?26h。
[0021]钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层的制备方法制得的钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层，该涂层以钛或钛合金为基体，由结合在基体表面的内层和结合在内层表面的表层组成，且内层与基体之间为连续界面，其中内层为含钙、磷和锶的多孔T1Jl，表层为负载有人骨形态发生蛋白-2的三维纳米纤维状含锶氟羟基磷灰石(SrF-HA)层。
[0022]该涂层整体为多孔结构，孔径为I?4 μπι，其与基体的结合强度为32.46?36.25Ν。
[0023]所述表层中三维纳米纤维状含锶氟羟基磷灰石的直径为50?lOOnm，长度为0.9 ?1.2 μ m0
[0024]钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层作为医用种植体表面多功能涂层的应用；其中多功能涂层为具有生物活性、生物相容性、成骨功能及抑菌效果的涂层。
[0025]相对于现有技术，本发明的有益效果为:
[0026]本发明提供了一种在钛基医用种植体表面制备具有双层新型形态结构的生物活性涂层的方法，该涂层即为本发明提供的钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层。本发明的制备方法是先要配制好含有钙离子、锶离子和磷酸根离子的电解液；然后以钛或钛合金为阳极，不锈钢为阴极，采用微弧氧化技术，直接在钛或钛合金基体表面制备出含钙、磷和锶的多孔T12涂层，然后通过含氟溶液的水热处理，得到T12/纳米纤维状含锶氟羟基磷灰石双层结构涂层，再负载人骨形态发生蛋白-2，最终得到钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层。该方法步骤简单、操作简便、重复性高、原料易得、价格低廉，适于工业化的大规模生产，具有很好的应用前景。而且本发明配制的用于微弧氧化处理的电解液和含氟溶液成分简单、易于控制、不含易分解成分、工艺稳定，有利于涂层的大规模批量化生产。另外本发明提供的制备方法对基体材料的形状没有特殊要求，可适用于形状复杂的基体，有效扩大了本发明的使用范围。
[0027]本发明提供的钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层，以钛或钛合金为基体，由结合在基体表面的内层和结合在内层表面的表层组成，其中内层为含钙、磷和锶的多孔T1Jl，表层为负载有人骨形态发生蛋白-2的三维纳米纤维状含锶氟羟基磷灰石层。该涂层与基体之间无不连续界面，具有高的结合强度和结构稳定性，在植入使用过程中不易剥落，能够与基体结合构建出具有良好机械和生物学性能的人体硬组织修复或替换器件。而且该涂层具有良好的生物活性、生物相容性、成骨功能及抗菌性能。该涂层中的含锶氟羟基磷灰石，与普通羟基磷灰石相比，在模拟体液中的溶解度较小，使磷灰石的结构更为稳定，能够延长其植入服役年限，为钛金属广泛应用于硬组织修复或替代提供可能。且该涂层中的含锶氟羟基磷灰石中的掺杂元素及其纳米形态和尺寸，均可促进其生物活性，增强其与宿主骨的结合强度，促进细胞的黏附和生长，利于新骨形成，能够改善钛金属骨的融合能力；氟离子不仅具有抗菌功能，而且没有细胞毒性，能增强细胞功能，作为口腔植入材料时，氟元素还能减少细菌黏附，防止龋齿；含锶氟羟基磷灰石的纳米形态能显著提高人骨形态发生蛋白-2的负载量，从而使该涂层具备抗菌与骨组织再生诱导性功能。因此本发明提供的钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层能够作为医用种植体表面的多功能涂层进行广泛应用。
【附图说明】
[0028]图1是实施例1所得钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层的表面形貌SEM图；其中a的放大倍数为5000倍，b的放大倍数为100000倍；
[0029]图2是实施例1所得钛基表面抗菌与骨组织再生诱导性功能涂层的断面形貌SEM图；其中a的放大倍数为5000倍，b的放大倍数为100000倍；
[0030]图3是新西兰大白兔骨间充质干细胞在钛和实施例1所得功能涂层表面培养不同时间后的MTT(3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2)检测结果图；
[0031]图4是新西兰大白兔骨间充质干细胞在钛和实施例1所得功能涂层表面培养不同时间后的胞内碱性磷酸酶活性检测结果图；
[0032]图5是金黄色葡萄球菌在钛和实施例1所得功能涂层的表面培养24小时后的形貌图；其中a为钛，b为实施例1制得的涂层，放大倍数均为5000倍；
[0033]图6是钛和实施例1所得功能涂层植入新西兰大白兔8周后骨结合的染色观察图，其中图中间部分的灰色为骨组织，a为钛，b为实施例1制得的涂层，放大倍数均为20倍。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0035]实施例1
[0036]I)预处理:
[0037]将钛圆片(尺寸Φ14Χ2ι?πι)依次用 180#、360#、800#、1000#、1500# 砂纸打磨抛光，然后依次用99.5%丙酮、99.7%无水乙醇、去离子水各超声20min ；
[0038]2)电解液配制:
[0039]将(CH3COO)2Ca、(CH3COO) 2Sr 和 β -C3H7Na2O6P ( β -GP)溶于水中，混合均匀，配制成电解液；电解液中(CH3COO)2Ca的浓度为0.2mol/L，(CH3COO)2Sr的浓度为0.lmol/L，β -GP的浓度为0.02mol/L ；
[0040]3)微弧氧化:
[0041]以钛片为阳极、不锈钢为阴极，采用直流脉冲电源，在正电压380伏特、负电压50伏特、频率150赫兹、占空比25%、阴阳极板间距9厘米、电解液温度10°C的条件下对钛片进行5分钟