本发明属于生物医用材料领域，涉及一种在钛片表面形成sr/zn共掺杂微米/纳米复合级多孔结构的方法。
背景技术：
纯钛及钛合金因其机械性能，如高度的耐腐蚀性和较低的弹性模量，以及良好的生物相容性，被广泛应用于牙科和骨科。但是，除了其表面易生成氧化膜引起表面活性不足之外，纯钛及钛合金缺乏抗菌能力，易使种植初期发生感染，最终种植失败。
故本专利先将纯钛经过
锶和锌都是人体必需微量元素之一。锶提高成骨效果显著，主要通过以下两种方式：1、使成骨细胞增殖、分化，从而促进碱性磷酸酶、胶原i型纤维和骨钙素的形成，钙沉积和骨结节形成；2、减弱破骨细胞活动以降低骨溶解。而锌元素，也有不少文献报道可刺激成骨细胞活动，促进破骨细胞凋亡，同时还具有显著抗菌作用。
本发明欲通过水热法将锶和锌一起掺杂，制备出sr/zn共掺杂多孔纯钛表面，协同刺激成骨同时抑制破骨活动，促进快速而高效的骨整合，以满足临床应用的需求。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有国产纯钛种植体研发领域的空缺及表面制备技术的不足，提供一种在钛片表面形成sr/zn共掺杂微米/纳米复合级多孔结构的方法。
本发明通过以下技术方案实现：一种在钛片表面形成sr/zn共掺杂微米/纳米复合级多孔结构的方法，该方法包括以下步骤：
(1)对钛片表面进行抛光(依次为240目、600目、800目)、金刚砂(sic)喷砂处理，压力为4bar；
(2)将步骤(1)处理后的钛片依次放入丙酮、75wt％乙醇、双蒸水超声，烘干；
(3)将步骤(2)清洗后的钛片放入室温下的hf/hno3混合溶液中，室温酸蚀处理10min-20min,双蒸水超声清洗，烘箱烘干；接着放入hcl/h2so4混合溶液，酸蚀处理30min-60min，双蒸水超声清洗，烘箱烘干。此时在钛片表面形成微米/亚微米级多孔仿生结构。其中，所述hf/hno3混合溶液由蒸馏水、40wt％hf、65wt％hno3按照体积比500:1:2～500:1:1组成，所述hcl/h2so4混合溶液由蒸馏水、38wt％hcl、98wt％h2so4按照体积比3:1:1～3:2:2组成。
(4)将氢氧化锶(sr(oh)2)溶解于双蒸水中，制备出0.02m的sr(oh)2溶液，将步骤(3)清洗后的钛片以喷砂酸蚀面朝上后置于聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中,加入sr(oh)2溶液,将密闭的反应釜置于烘箱120℃加热12小时。待反应结束，反应釜自然冷却至室温后取出钛片，使用双蒸水超声清洗。接着，将六水合硝酸锌(zn(no3)26h2o)和氢氧化钠(naoh)溶解于双蒸水中，配制成zn2+浓度为0.5m的水热反应溶液,将钛片以喷砂酸蚀面朝上，置于聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中,加入zn2+水热反应溶液,置于40℃烘箱加热2h。待反应结束，反应釜自然冷却至室温后取出钛片，使用双蒸水超声清洗，n2吹干，备用。此时制备成的样品记为sr/zn-ti。
一种在钛片表面形成sr/zn共掺杂微米/纳米复合级多孔结构的方法，该方法包括以下步骤：
(1)对钛片表面进行抛光(依次为240目、600目、800目)、金刚砂(sic)喷砂处理，压力为4bar；
(2)将步骤(1)处理后的钛片依次放入丙酮、75wt％乙醇、双蒸水超声，烘干；
(3)将步骤(2)清洗后的钛片放入室温下的hf/hno3混合溶液中，室温酸蚀处理10min-20min,双蒸水超声清洗，烘箱烘干；接着放入hcl/h2so4混合溶液，酸蚀处理30min-60min，双蒸水超声清洗，烘箱烘干。此时在钛片表面形成微米/亚微米级多孔仿生结构。其中，所述hf/hno3混合溶液由蒸馏水、40wt％hf、65wt％hno3按照体积比500:1:2～500:1:1组成，所述hcl/h2so4混合溶液由蒸馏水、38wt％hcl、98wt％h2so4按照体积比3:1:1～3:2:2组成。
(4)将六水合硝酸锌(zn(no3)26h2o)和氢氧化钠(naoh)溶解于双蒸水中，配制成zn2+浓度为0.5m的水热反应溶液,将清洗后的钛片以喷砂酸蚀面朝上，置于聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中,加入上述zn2+水热反应溶液,置于40℃烘箱加热2h。待反应结束，反应釜自然冷却至室温后取出钛片，使用双蒸水超声清洗。接着，将氢氧化锶(sr(oh)2)溶解于双蒸水中，制备出0.02m的sr(oh)2溶液，将钛片以喷砂酸蚀面朝上，置于聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中,加入sr(oh)2溶液,将密闭的反应釜置于120℃烘箱加热1h。待反应结束，反应釜自然冷却至室温后取出钛片，使用蒸馏水超声清洗，n2吹干，备用。此时制备成的样品记为zn/sr1h-ti。
一种在钛片表面形成sr/zn共掺杂微米/纳米复合级多孔结构的方法，该方法包括以下步骤：
(1)对钛片表面进行抛光(依次为240目、600目、800目)、金刚砂(sic)喷砂处理，压力为4bar；
(2)将步骤(1)处理后的钛片依次放入丙酮、75wt％乙醇、双蒸水超声，烘干；
(3)将步骤(2)清洗后的钛片放入室温下的hf/hno3混合溶液中，室温酸蚀处理10min-20min,双蒸水超声清洗，烘箱烘干；接着放入hcl/h2so4混合溶液，酸蚀处理30min-60min，双蒸水超声清洗，烘箱烘干。此时在钛片表面形成微米/亚微米级多孔仿生结构。其中，所述hf/hno3混合溶液由蒸馏水、40wt％hf、65wt％hno3按照体积比500:1:2～500:1:1组成，所述hcl/h2so4混合溶液由蒸馏水、38wt％hcl、98wt％h2so4按照体积比3:1:1～3:2:2组成。
(4)将六水合硝酸锌(zn(no3)26h2o)和氢氧化钠(naoh)溶解于双蒸水中，配制成zn2+浓度为0.5m的水热反应溶液,将清洗后的钛片以喷砂酸蚀面朝上，置于聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中,加入上述zn2+水热反应溶液,置于40℃烘箱加热2h。待反应结束，反应釜自然冷却至室温后取出钛片，使用双蒸水超声清洗。接着，将氢氧化锶(sr(oh)2)溶解于双蒸水中，制备出0.02m的sr(oh)2溶液，将钛片以喷砂酸蚀面朝上，置于聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中,加入sr(oh)2溶液,将密闭的反应釜置于120℃烘箱加热3h。待反应结束，反应釜自然冷却至室温后取出钛片，使用蒸馏水超声清洗，n2吹干，备用。此时制备成的样品记为zn/sr3h-ti。
进一步地，所述步骤(2)中，喷砂采用的金刚砂为绿碳化硅砂，喷砂压力为4bar。
进一步地，所述步骤(5)和(6)中，所有的反应均为水热反应，将预处理的钛片加入聚四氟乙烯内衬的反应釜后置于烘箱在不同温度下反应不同时间；掺杂锶元素用的是sr(oh)2溶液，掺杂锌元素用的是六水合硝酸锌(zn(no3)26h2o)和氢氧化钠(naoh)的混合液，且两种元素掺杂顺序不同，所制备的样品形貌、生物学活性也不同。
本发明相对于现有技术的优点是：本发明通过水热法调控纯钛表面不同的锶和锌的掺杂量以及形貌，制备得到了具有成骨活动和抗菌性能的生物材料；经本发明制备的材料表面在扫描电镜下呈现出微米/纳米复合级多孔仿生形貌，该表面提高了纯钛表面的比表面积，其多级孔洞仿生结构有利于材料表面与骨细胞间的早期反应。
附图说明
图1：本发明实施例1－20所制得sr/zn共掺杂微米/纳米复合多孔表面及对照组(喷砂-酸蚀)的扫描电镜图；
图2：本发明实施例8、18、19所制得sr/zn共掺杂微米/纳米复合多孔表面及对照组(喷砂-酸蚀)的接触角(亲水性)测试结果；
图3：骨髓间充质干细胞在实施例8、18、19所制得sr/zn共掺杂微米/纳米复合多孔表面及对照组(喷砂-酸蚀)成骨诱导21天后的矿化情况；
图4：本发明实施例8、18、19所制得sr/zn共掺杂微米/纳米复合多孔表面及对照组(喷砂-酸蚀)的抗菌能力测试。
具体实施方式：
本发明涉及两种在钛片表面形成sr/zn共掺杂微米/纳米复合级多孔结构的方法，两种方法在掺锶和掺锌的先后顺序上不同，具体如下：
1.先掺锶，后掺锌
(1)对钛片表面进行抛光(依次为240目、600目、800目)、金刚砂(sic)喷砂处理，压力为4bar；
(2)将步骤(1)处理后的钛片依次放入丙酮、75wt％乙醇、双蒸水超声，烘干；
(3)将步骤(2)清洗后的钛片放入室温下的hf/hno3混合溶液中，室温酸蚀处理10min-20min,双蒸水超声清洗，烘箱烘干；接着放入hcl/h2so4混合溶液，酸蚀处理30min-60min，双蒸水超声清洗，烘箱烘干。此时在钛片表面形成微米/亚微米级多孔仿生结构。其中，所述hf/hno3混合溶液由蒸馏水、40wt％hf、65wt％hno3按照体积比500:1:2～500:1:1组成，所述hcl/h2so4混合溶液由蒸馏水、38wt％hcl、98wt％h2so4按照体积比3:1:1～3:2:2组成。
(4)将氢氧化锶(sr(oh)2)溶解于双蒸水中，制备出不同浓度的sr(oh)2溶液，将纯钛喷砂酸蚀面朝上后置于聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中,加入上述水热溶液,将密闭的反应釜置于烘箱加热不同时间。待反应结束，反应釜自然冷却至室温后取出钛片，使用蒸馏水超声清洗两遍，每次15min。接着将六水合硝酸锌(zn(no3)26h2o)和氢氧化钠(naoh)溶解于双蒸水中，配制成不同浓度的zn2+水热反应溶液,将纯钛喷砂酸蚀面朝上，置于聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中,加入上述水热溶液后,置于烘箱不同温度下加热不同时间。待反应结束，反应釜自然冷却至室温后取出钛片，使用蒸馏水超声清洗两遍，每次15min，n2吹干，备用。具体的两步水热反应参数(浓度、温度、时间)如表1所示。
表1
2.先掺锌，后掺锶
步骤1～3同上；
(4)先将六水合硝酸锌(zn(no3)26h2o)和氢氧化钠(naoh)溶解于双蒸水中，配制成不同浓度的zn2+水热反应溶液，水热掺杂锌；再将氢氧化锶(sr(oh)2)溶解于双蒸水中，制备出不同浓度的sr(oh)2溶液，水热掺杂锶。具体掺杂顺序以及两步水热反应参数(浓度、温度、时间)如表2所示。
表2
将制得的不同样品行fesem，观察表面形貌特点；同时行eds，检测表面所掺杂元素种类以及各元素含量。以eds检测的锶和锌含量具有意义(wt％>3×wt％sigma)同时表面形貌均匀一致为筛选标准，则实例8、18、19为最佳。实例8、18、19，低倍镜下仍保留喷砂酸蚀后的微米/亚微米多级空洞结构，高倍镜下，实例8出现均匀分布的纳米颗粒(直径约为40-50nm)，实例18、19出现致密、大小一致且均匀分布的纳米棒状结构(直径约为30-40nm)。
实例1、2、3：eds检测的锶和锌含量无意义。高倍镜下无颗粒状的凸起结构(与eds结果相符)。
实例4、5、11、12、13：eds检测的锶和锌含量无意义。高倍镜下虽有凸起结构，但大小不一致且(或)分布不均匀。
实例6、7、9、10、14、15、16、17、20：eds检测的锶和锌含量有意义，但元素含量不如实例8、18、19高。高倍镜下虽有凸起结构，但大小不一致且(或)分布不均匀。结合水热法掺杂所需时间和温度，实例8、18、19含量可且稳定，并且所需反应时间和温度更节省。
将实施例8、18、19制备得到的表面进行接触角测试，如图2所示，可见实例18表面更亲水。将实施例8、18、19制备得到的表面用于大鼠骨髓间充质干细胞(rbmscs)培养，成骨诱导21天后茜素红染色结果如图3a所示，10％氯化十六烷基吡啶溶解半定量实验结果如图3b，可见实例18表现出更强的成骨向分化的能力。将将实施例8、18、19制备的不同表面浸泡于含有2ml104cfu/ml的变形链球菌悬浮液24h后，550nm测od值。od值越大，表示活细菌越多，抗菌能力越差如图4所示。可见实例18表现出更强的抗菌能力。