一种涂敷钛合金表面的方法及其涂层的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于改善钛合金生物相容性的涂层，其特征在于，其由内到外依次包括：i)氧化层，为涂层的最内层，与钛合金直接相连，用于活化钛合金;ii)过渡层，其与活化的氧化层相连；和任选的iii)生物活性蛋白层,与过渡层相连，用于改善细胞的黏附能力。所述的涂层用于改善钛合金生物相容性和任选地改善心脏伤口处的炎性反应和/或提高心肌组织的愈合能力。本发明还涉及上述涂层的制备方法。
【专利说明】一种涂敷钛合金表面的方法及其涂层
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种钛合金的内外表面涂层，属于医疗器械领域，特别适用于植入式人工辅助心脏材料的改性。本发明还涉及涂敷钛合金表面的方法以及所述涂层用于改善钛合金的生物相容性的用途。
【背景技术】
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[0002]心脏移植是终末期心脏病最有效的治疗手段。但由于心脏供体的严重缺乏，每年有大量终末期心脏病人死于供体等待期内。人工辅助心脏的研制解决了这一难题，可以代替或辅助正常心脏工作，维持人体有效循环，因此人工辅助心脏可以作为心衰病人辅助循环或心脏移植病人过渡治疗的重要手段。
[0003]由于人工辅助心脏属于外源植入物，机体会产生免疫排异反应，引起炎症反应和血栓形成。为了避免机体对人工辅助心脏的排异反应，产生大量的炎性组织，影响人工辅助心脏泵的正常工作，需要对人工辅助心脏的材料进行相应处理。
【发明内容】
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[0004]本发明即为针对改善人工辅助心脏的生物相容性而研发的一种具有生物活性的表面涂层。同时，本发明涂层还可以减轻心脏切口出的炎性反应，促进炎性细胞的消退，提高细胞的黏附能力，改善心脏伤口处的组织愈合能力。
[0005]本发明的一个目的是提供一种可以改善钛合金组织相容性的涂层；优选还可以改善心脏伤口处的炎性反应，提高心肌组织的愈合能力。特别适用于可植入式人工辅助心脏钛合金的材料改性。
[0006]本发明的另一个目的是提供一种上述涂层的制备方法。
[0007]本发明的另一个目的是提供一种上述涂层用于改善钛合金生物相容性和任选地改善心脏伤口处的炎性反应和/或提高心肌组织的愈合能力的用途。
[0008]由于人工辅助心脏在手术过程中，会产生较大的心肌创口，愈合速度较慢，且容易引起机体的免疫反应。钛合金表面较为稳定，不易携带电荷，对细胞外基质蛋白的吸附能力较低，导致细胞与钛合金的黏附程度较低，无法产生诱导巨噬细胞和成纤维细胞迁移的生长因子，致使大量炎性细胞聚集在创口，引起发炎，降低伤口愈合速度。为了改善人工辅助心脏的生物相容性，降低机体对异物的识别能力，可以制备一种具有生物活性的钛合金表面涂层。
[0009]为达到发明目的，一方面，本发明采用了如下涂层:
[0010]1、一种用于改善钛合金生物相容性的涂层，其特征在于，其由内到外依次包括:
[0011]i)氧化层，为涂层的最内层，与钛合金直接相连，用于活化钛合金；
[0012]ii)过渡层，其与活化的氧化层相连。
[0013]上述涂层可以改善钛合金组织相容性，主要用于人工辅助心脏的内外表面的钛合金材料的表面改性。其中所述氧化层主要为钛氧化物(简称T1-O)涂层。
[0014]2、按照项目I所述的涂层，其中还包括
[0015]iii)生物活性蛋白层，与过渡层相连，用于改善细胞的黏附能力。
[0016]此时过渡层为涂层的中间层，用于蛋白质的固定。生物活性蛋白层为涂层的第三层或最外层，与过渡层相连，用于改善细胞的黏附能力。
[0017]与上述含有两层的涂层相比，含有三层的涂层具有更好的生物相容性。
[0018]3、按照项目I或2所述的涂层，其中所述氧化层之内侧为钛合金层。
[0019]4、按照项目I或2所述的涂层，其中所述过渡层主要为磷脂分子，包括磷酸甘油酯和/或鞘磷脂。
[0020]5、按照项目2所述的涂层，其中所述生物活性蛋白层主要为细胞外基质蛋白，优选胶原蛋白、弹性蛋白、粘性蛋白和/或层纤连蛋白，或其水解产物例如明胶。
[0021]6、按照项目I或2所述的涂层，其中所述钛合金为金属实体全部或其外层为钛合金的金属，优选钛合金人工辅助心脏。
[0022]另一方面，本发明也提供了制备上述涂层的方法:
[0023]首先将金属酯类化合物与酸和碱有机溶剂按比例混合，形成均匀的近中性溶液，在一定温度下形成凝胶，干燥处理钛合金制成氧化膜。所述碱有机溶剂为有机络合物、无水乙醇和水。有机络合物包括例如二乙醇胺、EDTA、乙酰丙酮等。氧化膜经强碱活化处理，使氧化层产生游离的自由基；通过自由基与磷脂分子表面的基团间的相互作用，将磷脂分子固定在钛合金表面。最后，将细胞外基质蛋白通过共价接枝的方法固定到磷脂分子的表面，形成利于细胞的黏附。具体来说，
[0024]7、一种涂敷钛合金表面的方法，其特征在于，该方法包括下面步骤:
[0025]i)将金属酯类化合物与酸和碱有机溶剂混合，形成均匀的溶液，在一定温度下形成凝胶，用所述凝胶浸涂钛合金表面，干燥处理；
[0026]ii)用强碱活化处理步骤i)的钛合金，使其表面产生游离的自由基；然后浸入含有磷脂分子的溶液。
[0027]8、按照项目7的方法，其中所述方法还包括下面步骤:
[0028]iii)将细胞外基质蛋白溶液涂敷在经ii)处理的钛合金；所述细胞外基质蛋白优选为胶原蛋白、弹性蛋白、粘性蛋白或层纤连蛋白，或其水解产物例如明胶。
[0029]9、按照项目7或8的方法，其中优选下面至少一个特征:
[0030](I)、所述金属酯类化合物为钛酸酯类化合物，优选钛酸丁酯或钛酸四丁酯；
[0031](2)、所述金属酯类化合物首先与酸性有机溶剂优选冰醋酸混合；
[0032](3)、金属酯类化合物与酸性有机溶剂的混合比例为1:1?20:1，优选10:1 ；
[0033](4)、步骤i)形成的均匀溶液为中性或接近中性；
[0034](5)、步骤i)所述碱有机溶剂为有机络合物例如二乙醇胺、无水乙醇和水，按8:x:y (x=0.1-0.2，y=0.04-0.07)比例混合，优选按 8:0.15:0.06 比例；
[0035](6)、所述磷脂分子为卵磷脂或脑磷脂；
[0036](7)、步骤i)中所述温度为大约40-大约60°C。
[0037]另一方面，本发明又提供了一种上述涂层用于改善钛合金生物相容性的用途，和任选地改善心脏伤口处的炎性反应和/或提高心肌组织的愈合能力的用途。
[0038]本发明通过细胞外基质蛋白的特性来设计的仿生材料，通过模拟细胞间相互连接的微环境，诱导心脏组织细胞(如心肌细胞、平滑肌细胞、心内皮细胞等)黏附在钛合金表面，分泌大量细胞生长因子，促进炎性细胞(如中性粒细胞、巨噬细胞等)的清退；通过心脏组织细胞迁移、增殖和分化，最终形成新的有功能的组织。
[0039]本发明可以改善机体的炎性反应，促进受损的心脏组织的愈合，同时也可以减少人工辅助心脏的血栓形成，减轻术后由伤口愈合而带来的急、慢性免疫排斥等问题，提高患者的生存质量。
【专利附图】
【附图说明】
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[0040]图1为本申请一个实施方案涂层的剖面结构示意图
[0041]I为钛合金；2为氧化层；3为磷脂分子层；4为细胞外基质蛋白层。
【具体实施方式】
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[0042]以下详细描述本发明的【具体实施方式】，但无论如何不能解释为对本发明的限制。
[0043]如图1所示，在一个具体实施方案中，所述涂层由4部分组成，并且按1-4的顺序由内向外排列。其中第I层为钛合金本体，也是最里面的一层；第2层为钛的氧化层，紧贴钛合金；第3层为磷脂分子层，与氧化层相邻；第4层蛋白质层，为最外面的一层。
[0044]可以按照下面方法制备所述涂层:
[0045]将钛酸丁酯、冰醋酸按10:1比例混合，50°C加热混合均勻，记为溶液A。有机络合物、无水乙醇和水按8:x:y(x=0.1-0.2，y=0.04-0.07)比例混合，搅拌均匀，记为溶液B。将溶液A、B混合均匀，室温陈化24-96h。将混合液均匀的涂在材料表面，150-400°C加热l_4h，得到均匀的T1-O涂层。
[0046]将带有T1-O涂层的材料放入NaOH中，室温过夜，取出后清洗干净。将含有磷脂分子的溶液加到材料表面，使液体将材料浸没，20_40°C放置2h以上。材料表面为一层透明无色的薄膜，因此，材料颜色基本与氧化层颜色一致。但该涂层较为脆弱，容易被破坏。该薄膜需在无菌条件下进行操作处理。
[0047]取出涂有磷脂分子的材料，清洗干净，并进行烘干。向烘干后的材料表面滴加浓度为l-ΙΟμ g/mL的胶原蛋白溶液，使其覆盖在该料表面，20-40°C聚合Ih以上。取出清洗干净后烘干。第三涂层也为一层透明无色的薄膜，可以通过接触角检测测出。因此，三层涂层涂覆完毕后，材料依然为氧化层的颜色，在光洁程度上略有下降。三层涂层比较脆弱，容易被破坏。该薄膜需在无菌条件下进行操作处理。
[0048]因此，在后续加工、保存、运输等工序上要格外小心，防止涂层被破坏。
[0049]实施例一:
[0050]将钛酸四丁酯、冰醋酸按10:1比例混合，50°C加热混合均勻，记为溶液A。二乙醇胺、无水乙醇和水按8:0.15:0.06比例混合，搅拌均匀，记为溶液B。将溶液A、B混合均匀，室温陈化72h。将混合液均匀的涂在银白色钛合金T1-6A1-4V材料表面，400°C加热2h，得到均匀的浅蓝色的钛氧化物(简写为T1-O)涂层。
[0051]将带有T1-O涂层的材料放入NaOH中，室温过夜，取出后用去离子水清洗干净。将含有卵磷脂的溶液加到材料表面，使液体将材料浸没，20°C放置2h，得到两层涂层。材料表面为一层透明无色的薄膜，因此，材料颜色基本与氧化层颜色一致。但该涂层较为脆弱，容易被破坏。该薄膜需在无菌条件下进行操作处理。
[0052]取出涂有卵磷脂的材料，用去离子水清洗干净，并进行烘干。向烘干后的材料表面滴加浓度为5 μ g/mL的胶原蛋白溶液，使其覆盖在该料表面，20V聚合lh。取出清洗干净后烘干，得到三层涂层。第三涂层也为一层透明无色的薄膜，因此，三层涂层涂覆完毕后，材料依然为氧化层的颜色，在光洁程度上略有下降。
[0053]实施例二:
[0054]将钛酸乙酯、乙酸按10:1比例混合，40°C加热混合均匀，记为溶液A。二乙醇胺、无水乙醇和水按8:0.10:0.04比例混合，搅拌均匀，记为溶液B。将溶液A、B混合均匀，室温陈化48h。将混合液均匀的涂在钛合金T1-6Al-7Nb材料表面，400°C加热2h，得到均匀的T1-O涂层。
[0055]将带有T1-O涂层的材料放入NaOH中，室温过夜，取出后用去离子水清洗干净。将含有二棕榈酰基卵磷脂的溶液加到材料表面，使液体将材料浸没，20°C放置5h。材料表面为一层透明无色的薄膜，因此，材料颜色基本与氧化层颜色一致。但该涂层较为脆弱，容易被破坏。该薄膜需在无菌条件下进行操作处理。
[0056]取出涂有二棕榈酰基卵磷脂的材料，用去离子水清洗干净，并进行烘干。向烘干后的材料表面滴加浓度为3 μ g/mL的弹性蛋白溶液，使其覆盖在该料表面，20V聚合2h。取出清洗干净后烘干。第三涂层也为一层透明无色的薄膜，因此，三层涂层涂覆完毕后，材料依然为氧化层的颜色，在光洁程度上略有下降。
[0057]实施例三:
[0058]将钛酸丁酯、硝酸按20:1比例混合，55°C加热混合均匀，记为溶液A。乙酰丙酮、无水乙醇和水按8:0.20:0.06比例混合，搅拌均匀，记为溶液B。将溶液A、B混合均匀，室温陈化48h。将混合液均匀的涂在钛合金T1-5Al-2.5Fe材料表面，400°C加热2h，得到均匀的T1-O涂层。
[0059]将带有T1-O涂层的材料放入NaOH中，室温过夜，取出后用去离子水清洗干净。将含有甘油磷酸胆碱的溶液加到材料表面，使液体将材料浸没，室温放置5h。材料表面为一层透明无色的薄膜，因此，材料颜色基本与氧化层颜色一致。但该涂层较为脆弱，容易被破坏。该薄膜需在无菌条件下进行操作处理。
[0060]取出涂有甘油磷酸胆碱的材料，用去离子水清洗干净，并进行烘干。向烘干后的材料表面滴加浓度为4 μ g/mL的粘性蛋白溶液，使其覆盖在该料表面，室温聚合2h。取出清洗干净后烘干。第三涂层也为一层透明无色的薄膜，因此，三层涂层涂覆完毕后，材料依然为氧化层的颜色，在光洁程度上略有下降。
[0061]试验例
[0062]采用本发明实施例1的方法将植入式人工辅助心脏钛合金表面涂上本发明的涂层。将6只羊分成两组，每组3只。与不含有本发明的涂层的钛制植入式人工辅助心脏相t匕，在其他条件相同的情况下，含有本发明的涂层的钛制植入式人工辅助心脏在动物试验中取得成功，使试验组羊平均存活106天，且没有明显的炎症反应，存活时间和生活质量明显高于未应用本发明涂层的对照组试验羊(平均存活3天)。
[0063]在生理解剖时发现，未处理的实验羊伤口处产生大量坚硬的血管翳和纤维组织块，与入口外壁贴合不牢，容易掉下来。而处理过的人工辅助心脏装在实验羊体内，可以改善伤口的炎性反应，伤口与入口外壁牢牢结合，不会产生血管翳，并且在入口外壁长出一层新的心肌组织。
[0064]上述具体实施例是说明性的，基于这些实施例可以在不背离公开内容的精神或所附权利要求范围的情况下引入多种变化。
【权利要求】
1.一种用于改善钛合金生物相容性的涂层，其特征在于，其由内到外依次包括: I)氧化层(2),为涂层的最内层，与钛合金直接相连，用于活化钛合金； II)过渡层(3),其与活化的氧化层(2)相连。
2.按照权利要求1所述的涂层，其中还包括 III)生物活性蛋白层(4),与过渡层(3)相连，用于改善细胞的黏附能力。
3.按照权利要求1或2所述的涂层，其中所述氧化层(2)之内侧为钛合金层(1)0
4.按照权利要求1或2所述的涂层，其中所述过渡层(3)主要为磷脂分子，包括磷酸甘油酯和/或鞘磷脂。
5.按照权利要求2所述的涂层，其中所述生物活性蛋白层(4)主要为细胞外基质蛋白，优选胶原蛋白、弹性蛋白、粘性蛋白和/或层纤连蛋白，或其水解产物例如明胶。
6.按照权利要求1或2所述的涂层，其中所述钛合金为金属实体全部或其外层为钛合金的金属，优选钛合金人工辅助心脏。
7.一种涂敷钛合金表面的方法，其特征在于，该方法包括下面步骤: I)将金属酯类化合物与酸和碱有机溶剂混合，形成均匀的溶液，在一定温度下形成凝胶，用所述凝胶浸涂钛合金表面，干燥处理； II)用强碱活化处理步骤1)的钛合金，使其表面产生游离的自由基；然后浸入含有磷脂分子的溶液。
8.按照权利要求7的方法，其中所述方法还包括下面步骤: III)将细胞外基质蛋白溶液涂敷在经11)处理的钛合金；所述细胞外基质蛋白优选为胶原蛋白、弹性蛋白、粘性蛋白或层纤连蛋白，或其水解产物例如明胶。
9.按照权利要求7或8的方法，其中优选下面至少一个特征: (丄)、所述金属酯类化合物为钛酸酯类化合物，优选钛酸丁酯或钛酸四丁酯； 0、所述金属酯类化合物首先与酸性有机溶剂优选冰醋酸混合； (3).金属酯类化合物与酸性有机溶剂的混合比例为1:1?20:1，优选10:1 ； “)、步骤1)形成的均匀溶液为中性或接近中性； (巧)、步骤1)所述碱有机溶剂为有机络合物例如二乙醇胺、无水乙醇和水，按8 ^:74=0.1-0.2，7=0.04-0.07)比例混合，优选按 8:0.15:0.06 比例； “)、所述磷脂分子为卵磷脂或脑磷脂； (了)、步骤1)中所述温度为大约40-大约601。
10.按照权利要求1-6任一项所述的涂层用于改善钛合金生物相容性和任选地改善心脏伤口处的炎性反应和/或提高心肌组织的愈合能力的用途。
【文档编号】B32B15/04GK104338182SQ201310343129
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年8月8日 优先权日:2013年8月8日
【发明者】刘雯, 李冀鹏, 姜洋, 高航 申请人:北京精密机电控制设备研究所