一种促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面的制作方法

本发明涉及医用生物材料领域，具体地，本发明涉及一种促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面。

背景技术：

生物基底材料植入生物体内，基底材料的表面会与生物组织产生非常复杂的生理作用，而生物基底材料的表面物理化学性质，如表面形貌、粗糙度以及表面能等性质均可影响其生物学反应。

钛合金为Ti-6Al-4V，属于α+β型钛合金，具有优越的力学性能，抗腐蚀性强，生物相容性好，是目前骨科常用的内固定材料，但是直接将钛合金作为替代修复材料植入人体尚存在着不少问题，钛合金与骨之间虽具有良好的生物相容性，在金属中与骨弹性模量最相近，但由于成分的截然不同，弹性模量仍远高于骨，故钛合金与骨之间仅为机械嵌连性的骨结合，而非强有力的化学骨性结合。

另外，钛合金在生物医学方面的应用不只是对其力学性能有所要求，在保证生物安全性的基础上，还对与生物体内环境的生物相容性、耐蚀性等有更具体的要求，并且在不同方面应用中差异较大。

因此，针对上述问题，本发明提供可以显著提高其骨结合速度，促进间充质干细胞的活力、粘附、增殖、碱性磷酸酶活性和成骨相关信号通路的新型钛。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面，所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面由纳米离子形态的钽沉积在酸蚀喷砂后的钛基底表面上制备得到，所述纳米离子形态沉积的钽为类珊瑚状结构。

在一种实施方式中，所述纳米离子形态沉积的钽的厚度为10～300nm。

在一种实施方式中，所述纳米离子形态沉积的钽的厚度为100～200nm。

本发明另一方面提供一种促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面的制备方法，包括以下步骤：

(1)使用金刚砂颗粒对商业化4级纯钛片进行喷砂，然后用盐酸和硫酸混合产生的气体对喷砂后的表面进行酸蚀处理1～5h，用无水乙醇清洗，烘干，得酸蚀喷砂钛基底；

(2)将沉积室抽至真空状态，将加热至150℃的钽片置放于离酸蚀喷砂钛基底8～13cm处，通入氩气清洗3～10min，然后用电流轰击钽片使钽以纳米离子形态沉积在酸蚀喷砂钛基底表面，用无水乙醇和去离子水清洗，烘干，即得所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面。

在一种实施方式中，所述步骤(1)中所述金刚砂颗粒的粒径为200～600μm。

在一种实施方式中，所述步骤(1)中所述金刚砂颗粒的粒径为250～500μm。

在一种实施方式中，所述步骤(1)中所述盐酸与硫酸混合的重量比为(2～5)：1，其中，所述盐酸为质量分数为18％盐酸，所述硫酸为质量分数为98％的浓硫酸。

在一种实施方式中，所述步骤(2)中沉积室的压力为2×10^-5Pa～8×10^-5Pa。

在一种实施方式中，所述步骤(2)中电流为0.0375～4A。

在一种实施方式中，所述步骤(2)中使用电流轰击钽片的时间为0.5～2h。

参考以下详细说明更易于理解本申请的上述以及其他特征、方面和优点。

附图说明

图1为实施例1中钽修饰SLA(SLA-Ta)表面扫描电镜图及不同放大倍数下钽修饰SLA(SLA-Ta)表面横截面图与对比例1中SLA表面扫描电镜图。

图2为实施例1中SLA-Ta表面的细胞粘附图和对比例1中SLA表面的细胞粘附图。

图3为实施例1中SLA-Ta表面的成骨蛋白图和对比例1中SLA表面的成骨蛋白图。

图4为实施例1中在第3天和第10天SLA-Ta表面接种rBMSC的ALP活性和对比例1中在第3天和第10天SLA表面接种rBMSC(大鼠骨髓间充质干细胞)的ALP活性。

图5为实施例1在第10天SLA-Ta表面接种rBMSC的ALP活动显示结果和对比例1中SLA表面接种rBMSC的ALP活动显示结果。

图6为实施例1在SLA-Ta表面培养1天的rBMSCs中WNT/β-catenin信号通路蛋白的表达谱和对比例1中在SLA表面培养1天的rBMSCs中WNT/β-catenin信号通路蛋白的表达谱。

图7为实施例1中将粘附的细菌从SLA-Ta中分离并根据细菌计数方法在琼脂板上再培养金黄色葡萄球菌、聚合梭杆菌、牙龈卟啉单胞菌的菌落图和对比例1中将粘附的细菌从SLA中分离并根据细菌计数方法在琼脂板上再培养金黄色葡萄球菌、聚合梭杆菌、牙龈卟啉单胞菌的菌落图。

具体实施方式

参选以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可更容易地理解本发明的内容。除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。

如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由…组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由…组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1至5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

单数形式包括复数讨论对象，除非上下文中另外清楚地指明。“任选的”或者“任意一种”是指其后描述的事项或事件可以发生或不发生，而且该描述包括事件发生的情形和事件不发生的情形。

说明书和权利要求书中的近似用语用来修饰数量，表示本发明并不限定于该具体数量，还包括与该数量接近的可接受的而不会导致相关基本功能的改变的修正的部分。相应的，用“大约”、“约”等修饰一个数值，意为本发明不限于该精确数值。在某些例子中，近似用语可能对应于测量数值的仪器的精度。在本申请说明书和权利要求书中，范围限定可以组合和/或互换，如果没有另外说明这些范围包括其间所含有的所有子范围。

此外，本发明要素或组分前的不定冠词“一种”和“一个”对要素或组分的数量要求(即出现次数)无限制性。因此“一个”或“一种”应被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式的要素或组分也包括复数形式，除非所述数量明显旨指单数形式。

本发明提供一种促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面，所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面由纳米离子形态的钽沉积在酸蚀喷砂后的钛基底表面上制备得到，所述纳米离子形态沉积的钽为类珊瑚状结构。

在一种实施方式中，所述纳米离子形态沉积的钽的厚度为10～300nm。

在一种实施方式中，所述纳米离子形态沉积的钽的厚度为100～200nm；优选地，所述纳米离子形态沉积的钽的厚度为160nm。

本发明另一方面提供一种促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面的制备方法，包括以下步骤：

(1)使用金刚砂颗粒对商业化4级纯钛片进行喷砂，然后用盐酸和硫酸混合产生的气体对喷砂后的表面进行酸蚀处理1～5h，用无水乙醇清洗，烘干，得酸蚀喷砂钛基底；

(2)将沉积室抽至真空状态，将加热至150℃的钽片置放于离酸蚀喷砂钛基底8～13cm处，通入氩气清洗3～10min，然后用电流轰击钽片使钽以纳米离子形态沉积在酸蚀喷砂钛基底表面，用无水乙醇和去离子水清洗，烘干，即得所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面。

商业化4级纯钛片

TC4(商业化4级纯钛片)是Ti-6AL-4V是钛合金，90％的钛纯度，其他合金成分10％。

钛合金材料具有密度小、强度高、耐高温、抗腐蚀、韧性好。铁合金TC4材料特性具体可总结如下：

(1)密度小：钛合金TC4的密度仅为4.5g/cm³左右，仅为钢铁等金属材料的60％；

(2)强度高：钛合金TC4材料的抗拉强度≥895MPa；

(3)耐高温：熔点约为1670℃，钛合金TC4在高温条件下工作依然能够保持良好的性能；

(4)耐腐烛性好：钛元素容易被氧化，在非真空工作环境中能够在表面生成致密的氧化膜，防止材料被其他物质侵蚀；

(5)弹性模量低：钛合金TC4的弹性模量为113GPa，仅为钢材料的50％；

(6)化学活性大：钛不仅容易被氧化，而且容易与空气中的氮、氢等元素发生化学反应。当温度达到500℃以上时，钛可与氧强烈反应生成硬化层，当温度达到600℃时，则可与氮生成硬化层。

非平衡磁控溅射技术

非平衡磁控溅射系统工作原理是在阴极靶上施加溅射电源，使靶材在一定真空度下形成辉光放电，产生离子、原子等离子形成的等离子体，在永磁铁产生的磁场、基底上施加的负偏压形成的电场及离子初始动能作用下，流向基底，同时，在阴极和基底之间增加了螺线管，这可增加周边额外磁场，用它来改变阴极和基底之间的磁场，使得外部磁场强于中心磁场，在这种情况下，不封闭的磁力线从阴极周边指向基底，电子沿该磁力线运动，极大地增加了电子与靶材原子和分子的碰撞机会，使得离化率大大提高。

在一种实施方式中，所述步骤(1)中所述金刚砂颗粒的粒径为200～600μm。

在一种实施方式中，所述步骤(1)中所述金刚砂颗粒的粒径为250～500μm。

在一种实施方式中，所述步骤(1)中所述盐酸与硫酸混合的重量比为(2～5)：1，其中，所述盐酸为质量分数为18％盐酸，所述硫酸为质量分数为98％的浓硫酸；优选地，所述步骤(1)中所述盐酸与硫酸混合的重量比3：1。

在一种实施方式中，所述步骤(1)中所述酸蚀处理的温度为30～50℃，所述酸蚀处理的时间为1～5h；优选地，所述酸蚀处理的温度为35℃，所述酸蚀处理的时间为2.5h。

在一种实施方式中，所述步骤(2)中沉积室的压力为2×10^-5Pa～8×10^-5Pa。

在一种实施方式中，所述步骤(2)中电流为0.0375～4A。

在一种实施方式中，所述步骤(2)中所述氩气清洗时偏压为800V，所述电流轰击钽片时的偏压为250V。

在一种实施方式中，所述步骤(2)中使用电流轰击钽片的时间为0.5～2h；优选地，所述步骤(2)中使用电流轰击钽片的时间为1h。

本发明通过大颗粒金刚砂颗粒对商业化4级钛片进行喷砂，然后进行酸蚀处理，得到大颗粒酸蚀喷砂钛基底，最后用非平衡态磁控溅射技术将99.999％商业纯钽片制备至SLA钛基底上，得到的新型钛(钽修饰钛片表面或SLA-Ta)与非镀钽SLA钛片相比，钽修饰钛片表面可以促进间充质干细胞的活力、粘附、增殖、碱性磷酸酶活性和成骨相关信号通路。在动物实验中显示钽修饰钛种植体可以显著提高其骨结合速度。

下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面的制备方法如下：

(1)取规格为10mm×10mm×1mm的商业化4级纯钛片，用1000#的砂纸打磨光滑，接着使用粒径在300微米的金刚砂以0.3MPa的压力在打磨处理后的商业化4级纯钛片上垂直喷射30s，用30ml丙酮、30ml无水乙醇、100ml去离子水超声波依次清洗三遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干；

(2)将步骤(1)中经过喷砂处理的钛片盐酸和硫酸混合后产生的气体对喷砂后的表面进行酸蚀处理，用100ml无水乙醇超声波清洗两遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干，得酸蚀喷砂钛基底；所述盐酸与硫酸混合的重量比为3：1；所述盐酸为质量分数为18％盐酸，所述硫酸为质量分数为98％的浓硫酸；所述酸蚀处理的温度为35℃，所述酸蚀处理的时间为2.5h；

(3)将沉积室抽至真空状态，将加热至150℃钽片置放于离酸蚀喷砂钛基底10cm处，通入氩气清洗4min，然后用电流轰击钽片使钽以纳米离子形态沉积在酸蚀喷砂钛基底表面，用100ml无水乙醇超声波清洗两遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干，得所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面；所述沉积室的压力为3×10^-5Pa；所述氩气清洗时偏压为800V，所述电流轰击钽片时的偏压为250V；所述氩气清洗时工作电流为0.0375A，所述电流轰击钽片时的工作电流为0.12A；所述使用电流轰击钽片的时间为1h。

所述纳米离子形态沉积的钽的厚度为160nm。

实施例2

所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面的制备方法如下：

(1)取规格为10mm×10mm×1mm的商业化4级纯钛片，用1000#的砂纸打磨光滑，接着使用粒径在250微米的金刚砂以0.3MPa的压力在打磨处理后的商业化4级纯钛片上垂直喷射30s，用30ml丙酮、30ml无水乙醇、100ml去离子水超声波依次清洗三遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干；

(2)将步骤(1)中经过喷砂处理的钛片盐酸和硫酸混合后产生的气体对喷砂后的表面进行酸蚀处理，用100ml无水乙醇超声波清洗两遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干，得酸蚀喷砂钛基底；所述盐酸与硫酸混合的重量比为1.5：1；所述盐酸为质量分数为18％盐酸，所述硫酸为质量分数为98％的浓硫酸；所述酸蚀处理的温度为40℃，所述酸蚀处理的时间为3h；

(3)将沉积室抽至真空状态，将加热至150℃钽片置放于离酸蚀喷砂钛基底10cm处，通入氩气清洗4min，然后用电流轰击钽片使钽以纳米离子形态沉积在酸蚀喷砂钛基底表面，用100ml无水乙醇超声波清洗两遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干，得所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面；所述沉积室的压力为6×10^-5Pa；所述氩气清洗时偏压为800V，所述电流轰击钽片时的偏压为250V；所述氩气清洗时工作电流为0.0375A，所述电流轰击钽片时的工作电流为0.1A；所述使用电流轰击钽片的时间为1h。

所述纳米离子形态沉积的钽的厚度为120nm。

实施例3

所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面的制备方法如下：

(1)取规格为10mm×10mm×1mm的商业化4级纯钛片，用1000#的砂纸打磨光滑，接着使用粒径在300微米的金刚砂以0.3MPa的压力在打磨处理后的商业化4级纯钛片上垂直喷射30s，用30ml丙酮、30ml无水乙醇、100ml去离子水超声波依次清洗三遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干；

(2)将步骤(1)中经过喷砂处理的钛片盐酸和硫酸混合后产生的气体对喷砂后的表面进行酸蚀处理，用100ml无水乙醇超声波清洗两遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干，得酸蚀喷砂钛基底；所述盐酸与硫酸混合的重量比为2：1；所述盐酸为质量分数为18％盐酸，所述硫酸为质量分数为98％的浓硫酸；所述酸蚀处理的温度为40℃，所述酸蚀处理的时间为2h；

(3)将沉积室抽至真空状态，将加热至150℃钽片置放于离酸蚀喷砂钛基底10cm处，通入氩气清洗4min，然后用电流轰击钽片使钽以纳米离子形态沉积在酸蚀喷砂钛基底表面，用100ml无水乙醇超声波清洗两遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干，得所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面；所述沉积室的压力为3×10^-5Pa；所述氩气清洗时偏压为800V，所述电流轰击钽片时的偏压为250V；所述氩气清洗时工作电流为0.0375A，所述电流轰击钽片时的工作电流为0.15A；所述使用电流轰击钽片的时间为1h。

所述纳米离子形态沉积的钽的厚度为180nm。

实施例4

所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面的制备方法如下：

(1)取规格为10mm×10mm×1mm的商业化4级纯钛片，用1000#的砂纸打磨光滑，接着使用粒径在300微米的金刚砂以0.3MPa的压力在打磨处理后的商业化4级纯钛片上垂直喷射30s，用30ml丙酮、30ml无水乙醇、100ml去离子水超声波依次清洗三遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干；

(2)将步骤(1)中经过喷砂处理的钛片盐酸和硫酸混合后产生的气体对喷砂后的表面进行酸蚀处理，用100ml无水乙醇超声波清洗两遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干，得酸蚀喷砂钛基底；所述盐酸与硫酸混合的重量比为3：1；所述盐酸为质量分数为18％盐酸，所述硫酸为质量分数为98％的浓硫酸；所述酸蚀处理的温度为35℃，所述酸蚀处理的时间为2.5h；

(3)将沉积室抽至真空状态，将加热至150℃钽片置放于离酸蚀喷砂钛基底10cm处，通入氩气清洗4min，然后用电流轰击钽片使钽以纳米离子形态沉积在酸蚀喷砂钛基底表面，用100ml无水乙醇超声波清洗两遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干，得所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面；所述沉积室的压力为8×10^-5Pa；所述氩气清洗时偏压为800V，所述电流轰击钽片时的偏压为250V；所述氩气清洗时工作电流为0.04A，所述电流轰击钽片时的工作电流为0.15A；所述使用电流轰击钽片的时间为1h。

所述纳米离子形态沉积的钽的厚度为300nm。

实施例5

所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面的制备方法如下：

(1)取规格为10mm×10mm×1mm的商业化4级纯钛片，用1000#的砂纸打磨光滑，接着使用粒径在300微米的金刚砂以0.3MPa的压力在打磨处理后的商业化4级纯钛片上垂直喷射30s，用30ml丙酮、30ml无水乙醇、100ml去离子水超声波依次清洗三遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干；

(2)将步骤(1)中经过喷砂处理的钛片盐酸和硫酸混合后产生的气体对喷砂后的表面进行酸蚀处理，用100ml无水乙醇超声波清洗两遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干，得酸蚀喷砂钛基底；所述盐酸与硫酸混合的重量比为5：1；所述盐酸为质量分数为18％盐酸，所述硫酸为质量分数为98％的浓硫酸；所述酸蚀处理的温度为35℃，所述酸蚀处理的时间为5h；

(3)将沉积室抽至真空状态，将加热至150℃钽片置放于离酸蚀喷砂钛基底10cm处，通入氩气清洗4min，然后用电流轰击钽片使钽以纳米离子形态沉积在酸蚀喷砂钛基底表面，用100ml无水乙醇超声波清洗两遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干，得所述促进骨整合和抗菌能力的新型钛表面；所述沉积室的压力为2×10^-5Pa；所述氩气清洗时偏压为800V，所述电流轰击钽片时的偏压为250V；所述氩气清洗时工作电流为0.05A，所述电流轰击钽片时的工作电流为0.1A；所述使用电流轰击钽片的时间为2h。

所述纳米离子形态沉积的钽的厚度为170nm。

对比例1

(1)取规格为10mm×10mm×1mm的商业化4级纯钛片，用1000#的砂纸打磨光滑，接着使用粒径在300微米的金刚砂以0.3MPa的压力在打磨处理后的商业化4级纯钛片上垂直喷射30s，用30ml丙酮、30ml无水乙醇、100ml去离子水超声波依次清洗三遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干。

(2)将步骤(1)中经过喷砂处理的钛片盐酸和硫酸混合后产生的气体对喷砂后的表面进行酸蚀处理，用100ml无水乙醇超声波清洗两遍，用恒温鼓风干燥箱在40℃下烘干，得酸蚀喷砂钛基底；所述盐酸与硫酸混合的重量比为3：1；所述盐酸为质量分数为18％盐酸，所述硫酸为质量分数为98％的浓硫酸；所述酸蚀处理的温度为35℃，所述酸蚀处理的时间为2.5h。

性能测试

1、粗糙度

使用OLYMPUS3000型激光共聚焦显微镜测量喷砂钛基体上电泳沉积以及喷砂钛基体酸蚀处理后电泳沉积涂层表面的粗糙度；

2、接种rBMSC的ALP活性

用PNPP偶氮法测定接种rBMSC的ALP活性。

3、抑菌能力

将粘附的细菌从样品中分离并根据细菌计数方法在琼脂板上再培养24h，观察活的金黄色葡萄球菌，牙龈卟啉菌和金黄色葡萄球菌的量。

抑菌率＝100％×(B-A)/B

A：从SLA-Ta中分离并根据细菌计数方法在琼脂板上再培养金黄色葡萄球菌、聚合梭杆菌、牙龈卟啉单胞菌的量；

B：从SLA中分离并根据细菌计数方法在琼脂板上再培养金黄色葡萄球菌、聚合梭杆菌、牙龈卟啉单胞菌的量。

表1性能测试结果

从上述测试结果中可以看出，与酸蚀喷砂后的钛基底相比，本发明提供的新型钛可以显著提高其骨结合速度，促进间充质干细胞的活力、粘附、增殖、碱性磷酸酶活性和成骨相关信号通路。

前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。在权利要求中所用的一些数值范围也包括了在其之内的子范围，这些范围中的变化也应在可能的情况下解释为被所附的权利要求覆盖。