一种在医用植入材料表面制备无毒法抗菌涂层的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医用植入材料，尤其是涉及一种在医用植入材料表面制备无毒法抗菌 涂层的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，医用植入材料，包括钛及其合金、不锈钢、陶瓷及聚合物等医用植入体，已 被广泛地应用于外科植入材料，如人工关节、牙种植体、血管支架、骨板骨钉以及其他植入 物和医疗器械。生物无机非金属复合材料和高分子材料等广泛应用于人体软、硬组织修复 体、人工器官等方面。医用植入材料的抗菌性在植入初期非常重要，纳米银作为一种广谱抗 菌剂引入医用植入材料的表面，可有效提高材料表面抗菌性，大幅度降低植入体因植入初 期致病菌在植入体表面的黏附和生长，进而降低术后感染。然而Ag纳米粒子的引入在一定 程度存在细胞毒性增加的风险，如何保持植入体表面抗菌特性，又能大幅度降低或消除毒 性，是当今医用生物材料表面功能化的一大挑战，亟需研究解决。
[0003] 短肽是两个或以上的氨基酸脱水缩合形成若干个肽键组成一个肽，多个肽进行多 级折叠组成一个蛋白质分子，短肽具有极强的活性和能量，是细胞极佳的营养剂。短肽如丙 谷二肽(N-(2)_L-丙氨酰-L-谷氨酰胺），已作为肠外营养药品广泛应用于严重感染、复合性 折、创伤、大手术、面积烧伤，化学毒物伤害、辐射伤害、有害物伤害病人的治疗和恢复。在市 场上有多家企业生产的丙谷二肽注射液产品销售。短肽对于处于恶劣环境和状态的细胞有 明显的调节作用，可有效恢复细胞状态。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是提供可显著降低植入体材料表面银复合膜层的细胞毒性，并保持优 异抗菌性，主要应用于骨、齿替换及组织再生医学的植入物表面抗菌改性的一种在医用植 入材料表面制备无毒法抗菌涂层的方法。
[0005] 本发明包括以下步骤：
[0006] 1)将待处理的医用植入材料预处理；
[0007] 在步骤1)中，所述医用植入材料包括医用植入金属、医用陶瓷、医用高分子材料、 医用植入体等;所述医用植入金属包括钛、钛合金、不锈钢等;所述预处理可采用砂纸对待 处理的医用植入材料表面逐级打磨去除氧化膜，再依次浸泡于丙酮、乙醇、去离子水中超声 除油清洗后，干燥；
[0008] 2)配制含AgN03、短肽和电解质或还原性物质的溶液，在医用植入材料表面构筑纳 米银/短肽复合膜层。
[0009] 在步骤2)中，所述短肽可选自二肽、三肽、四肽、五肽、六肽、七肽、八肽、九肽等中 的一种;所述电解质可选自NaN03等，作为电沉积过程的支持电解质；所述还原性物质可选 自葡萄糖、多巴胺等中的一种;所述在医用植入材料表面构筑纳米银/短肽复合膜层可采用 脉冲电沉积法、银镜反应、紫外光还原法或多巴胺还原法等在医用植入材料表面构筑纳米 银/短肽复合膜层；
[0010 ] 所述脉冲电沉积法的具体步骤可为：电解液含A g N 0 3 0.0 0 1~0 . 1 m ο 1 / L和 NaN030.001~0.1mol/L/L，短肽的摩尔浓度为0.001~lmol/L，以待处理基底(可导电）为工 作电极，铂片为对电极，脉冲电流密度为1~50mA/cm 2，电流通断比为0.1/0.3，脉冲圈数为 10 ~1000 圈；
[0011] 所述银镜反应的具体步骤可为:现配银氨溶液，在银氨溶液中添加摩尔浓度为0.1 ~10m〇l/L葡萄糖溶液，得混合溶液，银氨溶液与葡萄糖溶液的体积比为5:3，短肽的摩尔浓 度为0.001~lmol/L，将待处理基底浸入混合溶液中，反应后用去离子水冲洗、晾干，反应时 间为1~60min;
[0012] 所述紫外光还原法的具体步骤可为:配制含AgN〇3和短肽的混合溶液，所述AgN〇3溶 液的摩尔浓度为0.001~lmo 1/L，短肽的摩尔浓度为0.001~lmo 1/L，将待处理基底浸入混 合溶液中，用去离子水冲洗、晾干，浸泡1~30min，取出后放在汞灯（200W，lOOmW/cm 2)下照 射，光照时间为10~60min;
[0013] 所述多巴胺还原法的具体步骤可为：以Tris-HCl缓冲液配制质量浓度为0.01~ 2 · 0mg/ml的多巴胺溶液，pH为8~10;配制AgN〇3/短肽溶液，AgN〇3的摩尔浓度为0.01~lmol/ L，短肽的摩尔浓度为0.001~lmo 1 /L，将阳极氧化后的钛或钛合金浸入多巴胺溶液进行多 巴胺聚合反应，震荡或搅拌1~48h，用去离子水冲洗、晾干，再浸入AgN0 3/短肽溶液进行银 还原反应，震荡或搅拌，还原反应时间为1~48h，用去离子水冲洗、晾干。
[0014]本发明将短肽引入纳米银膜层的构筑过程，可在显著优化膜层表面结构，并且使 植入体周围丙谷二肽浓度局部增加，有效发挥细胞环境调节作用，有利于降低Ag纳米粒子 造成的细胞毒性，同时又不影响纳米银本身的抗菌性能。对于不同的医用植入材料，均可直 接在其表面构筑纳米银/短肽复合膜层，从而有效增强植入体材料表面的生物医学功能。
[0015] 本发明以医用植入材料表面为基底，采用电化学共沉积法、脉冲电沉积法、化学还 原法、紫外光还原法等方法在待处理基底上构筑短肽和纳米银的复合膜层。该膜层与不添 加短肽构筑的膜层相比，显著降低植入体材料表面银复合膜层的细胞毒性，且不影响膜层 抗菌性。该方法可应用多种医用植入物表面生物活性优化改性。
[0016] 本发明以金属、高分子、陶瓷等医用植入物表面为基底，构筑了纳米银/短肽的复 合膜层，通过选择相应的构筑方法、溶液配方和反应参数可获得不同表面形貌，可优选概括 为以下四种，其分别具有如下特征：
[0017] (1)形貌一，纳米银/短肽复合膜层，在可导电的医用植入物表面通过脉冲电沉积 法制备得到，Ag纳米颗粒粒径10~100nm，单次制备颗粒粒径在20nm区间内变化，均勾分布， Ag纳米颗粒粒径和负载量通过沉积条件可控；
[0018] (2)形貌二，纳米银/短肽复合膜层，在医用植入物表面通过银镜反应制备得到，Ag 纳米颗粒粒径1~200nm，单次制备颗粒粒径在30nm区间内变化，均勾分布，Ag纳米颗粒粒径 和负载量通过反应时间可控；
[0019] (3)形貌三，纳米银/短肽复合膜层，在医用植入物表面通过紫外光还原制备得到， Ag纳米颗粒粒径1~30nm，单次制备颗粒粒径在10nm区间内变化，均勾分布，Ag纳米颗粒粒 径和负载量通过反应时间可控；
[0020] (4)形貌四，纳米银/短肽复合膜层，在医用植入物表面通过多巴胺还原制备得到， 膜层表面由聚多巴胺膜层和Ag纳米颗粒共同构成，Ag纳米颗粒粒径5~50nm，单次制备颗粒 粒径在20nm区间内变化，均勾分布，Ag纳米颗粒粒径和负载量通过反应时间可控。
[0021] 经过大量的实验研究表明，通过调控溶质物种、溶质浓度、反应时间、反应温度、电 化学反应过程条件等参数，实现可控制备不同形貌和组成纳米银/短肽复合膜层。
[0022] 本发明通过多种载银方式、优选条件制备的纳米银/短肽复合膜层，Ag纳米颗粒在 待处理医用植入物基底表面实现了均匀分布，且颗粒粒径较一致。通过抑菌圈实验和细胞 增殖实验可知，与未添加短肽制备得到纳米银膜层相比，纳米银/短肽复合膜层在一定程度 上有优化或不影响纳米银膜层本身的抗菌性能，且明显降低了纳米银膜层的细胞毒性，细 胞增殖程度显著提高。
[0023] 本发明可用于所有钛及其合金、不锈钢等金属医疗器械或植入物的表面改性，如 骨钉骨板、牙种植体、人工关节及其它硬组织植入器械等，也可应用于医用高分子和医用陶 瓷等其他医用植入体的表面处理和功能化。
[0024] 本发明以金属、陶瓷及聚合物等医用植入物为基底，在表面构筑一层短肽和纳米 银的复合膜层。该膜层与无修饰短肽膜层相比，可显著降低植入体材料表面纳米银膜层的 细胞毒性，且保持优异的抗菌特性。可应用于多种植入物表面的无毒抗菌改性。除脉冲电沉 积法、银镜反应、紫外光还原法和多巴胺还原法外，还可以为其他复合添加短肽的载银方法 如等离子喷涂法、微弧氧化法、溶胶凝胶法、磁控溅射法等。
[0025]本发明的显著优势在于：
[0026] 1、本发明所构筑的纳米银/短肽复合膜层与不添加丙谷二肽构筑的膜层相比，可 显著改善银纳米颗粒粒径的细化和均匀分布。
[0027] 2、本发明所构筑的纳米银/短肽复合膜层，可使植入体周围短肽浓度局部增加，更 加有效的发挥细胞微环境的调控作用，在不影响植入体材料表面银复合膜层抗菌性的同时 的显著降低细胞毒性。
[0028] 3、本发明工艺简单、投资少、可广泛应用于医用植入体表面改性，可规模化生产。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明实施例1中的脉冲电沉积法制备纳米银/丙谷二肽复合膜层扫描电镜 图。
[0030] 图2为本发明实施例2中的银镜反应制备纳米银/丙谷二肽复合膜层扫描电镜图。
[0031] 图3为本发明实施例3中的紫外光还原法制备纳米银/丙谷二肽复合膜层扫描电镜 图。
[0032] 图4为本发明实施例4中的多巴胺还原法制备纳米银/丙谷二肽复合膜层扫描电镜 图。
[0033]图5为本发明实施例5中的以实施例1、2、3中的纳米银/丙谷二肽复合膜层与相同 条件下制备的不含丙谷二肽的纳米银膜层为对比样，用WST-1试剂盒得到的细胞增殖测试 结果。图中E:脉冲电沉积法制备的纳米银膜层;E-A:脉冲电沉积法制备的纳米银/丙谷二肽 复合膜层;M:银镜反应制备的纳米银膜层;Μ-A:银镜反应制备的纳米银/丙谷二肽复合膜 层;L:紫外光还原法制备的纳米银膜层;L-A:紫外光还原法制备的纳米银/丙谷二肽复合膜 层;Blank:空白Ti〇2纳米管膜层，*: p〈0 · 05 〇
[0034]图6为本发明实施例6中的以实施例1、2、3、4中的纳米银/丙谷二肽复合膜层与相 同条件下制备的不含丙谷二肽的纳米银膜层为对比样进行抑菌圈实验的实验结果。
【具体实施方式】
[0035]本发明所述实施例为优选实施例，用于进一步说明本发明以及各因素的影响规 律，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的 任何修改和改变，都属于本发明的保护范围内。
[0036] 实施例1:
[0037] 脉冲电沉积法制备纳米银/丙谷二肽复合膜层。将10mmX 10mmX 2mm纯钛板用砂纸 逐级打磨至1500号，再用去离子水、丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗lOmin后凉干。配制 0.5%HF溶液为电解液，将打磨好的钛板为阳极，大面积铂电极为阴极，形成两电极电解池。 对体系施予200r/min的机械搅拌，水浴恒温，