一种制备带有抗菌耐蚀石墨烯/磷灰石复合涂层的可降解镁笼植入体的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及可降解镁笼植入体，特别涉及一种制备带有抗菌耐蚀石墨烯/磷灰石复合涂层的可降解镁笼植入体的方法。
【背景技术】
[0002]骨缺损是临床常见病，造成骨缺损的原因可能有骨创伤、骨感染死骨摘除、骨肿瘤段切除等。骨缺损修复技术主要有Ilizarow技术、腓骨移植，同种异体骨治疗等。采用植入体器件辅助治疗为常用治疗方法，其具有固定稳定，复位准确等优点。现有用于修复骨缺损的植入体器件一般为选择采用钛、锆、氧化锆、铂、铑、铌、外科不锈钢、钴铬-钢、钽等不降解或难降解合金，如骨稳固器设备(CN 104602629 A)、椎间植入物(CN101938957 A)的笼状植入体。选择上述不降解或难降解合金材料的笼状植入体具有较强的力学性能，可在人体中长期植入。但在长期植入的过程中，由于人体骨与上述材料较大的力学差异而导致的应力遮挡，使得周围骨组织易发生骨折、长期累积磨损植入体碎肩在人体内堆积难以排出体外等隐患，骨组织修复一段时间后仍需要将上述植入体器件取出。另外，通过外科手术植入后，尽管使用了抗生素等药物，但是植入部位的细菌感染案例依旧经常发生。
[0003]生物可降解镁合金材料与人体骨骼具有相近的力学性能。镁合金制备的笼状植入体应用于骨缺损的修复，具有减小应力遮挡，在植入初期提供足够的力学支持，并在完成骨修复之后逐步在人体内降解，被人体吸收或代谢排出体外，避免通过二次手术取出等优点，从而在医用植入体领域具有潜在的应用价值。而阻碍镁笼材料作为植入体应用的最大因素在于镁金属的腐蚀电位低，在体液环境下具有很高的腐蚀速率，力学完整性损失过快等。通过水热法在镁合金表面沉积磷灰石涂层，不仅可以提高镁合金的耐腐蚀性，同时对于其生物活性也有一定的改善。然而磷灰石具有膜基结合强度差，易磨损等缺点。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有技术镁金属的腐蚀电位低，在体液环境下具有很高的腐蚀速率，力学完整性损失过快以及磷灰石具有膜基结合强度差，易磨损缺点的问题，而提出的一种制备带有抗菌耐蚀石墨烯/磷灰石复合涂层的可降解镁笼植入体的方法。
[0005]上述的发明目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]步骤一、将镁金属加工成笼状植入体，在室温下，依次利用20?10ml丙酮、无水乙醇在15?25°C下超声清洗笼状植入体5?20min;
[0007]步骤二、利用去离子水在温度15?25°C条件下清洗无水乙醇超声清洗后的笼状植入体3?5min后，在温度20?50°C条件下烘干10?20min，得到预处理的镁金属材料；
[0008]步骤三、对步骤二中预处理的镁金属材料进行水热处理，得到表面含石墨烯/磷灰石水热复合涂层改性的镁金属笼状种植体；
[0009]所述的对步骤二中预处理的镁金属材料进行水热处理的具体过程为:
[0010]将预处理的镁金属材料放置在Ca(NO3)2-K2HPO4-GO水热反应溶液中，采用HNO3和NH3.H2O调节Ca(NO3)2-K2HPOfGO水热反应溶液至pH为1.5?3.5，水热反应温度为100?200°C，反应时间为I?3h。
[0011 ]其中，Ca (NO3) 2-K2HPO4-GO水热反应溶液中 Ca(N03) 2为0.I ?0.3mol/L，K2HPO4为0.1?0.4mol/L以及GO为0.I?0.5mg/mL;
[0012]步骤四、在室温下，利用去离子水将步骤三得到的水热处理后表面改性的镁金属笼状种植体超声处理5?1min后，在40°C下烘干处理20?40min，即得到一种制备带有抗菌耐蚀石墨烯/磷灰石复合涂层的可降解镁笼植入体的方法。
[0013]发明效果
[0014]本发明提供了一种制备带有抗菌耐蚀石墨烯/磷灰石复合涂层的可降解镁笼植入体的方法及制备方法。带有涂层镁笼具有耐蚀抗菌，可内载胶原、颗粒骨与活性缓释因子等，以达到骨缺损的快速修复，降低感染几率。服役期间镁金属提供足够的力学支持，骨修复完成后镁合金逐步降解吸收，无需二次手术的目的。
[0015]石墨烯具有完美的二维晶体结构，在磷灰石涂层中掺杂石墨烯材料可显著提高膜层的强度与韧性。采用水热法在镁金属表面构建含有石墨烯的磷灰石复合涂层，该涂层相比于单纯磷灰石涂层膜基结合强度、耐腐蚀性等方面具有显著提高。同时，石墨烯/磷灰石涂层具有良好的抗菌效果，应用于医学植入体材料，由于植入体本身具有的抗菌效果，从而可以有效的减少细菌的滋生与感染的几率。
[0016]本发明基于传统金属植入体不易降解，与人体骨力学性能差距大；外科手术植入器件后，手术部位易感染;镁合金耐蚀性能差，在人体内降解过快而易丧失力学完整性;磷灰石涂层膜基结合强度差，易磨损等问题，结合石墨烯具有的优良性质，发明了一种制备带有抗菌耐蚀石墨烯/磷灰石复合涂层的可降解镁笼植入体的方法。并进一步的，可在镁笼植入体中加入自体或异体颗粒骨、促进骨融合或抗菌的缓释活性因子等从而达到提高骨融合速度，减少骨缺损的治愈周期，降低感染几率等效果。
[0017]本发明镁金属笼状种植体材料可通过铸造技术、激光3D打印技术、激光切割或激光融合技术完成，并可根据植入部位所需制作各类尺寸与形状。
[0018]本发明在镁金属笼状种植体中加入颗粒骨可以使得骨缺损更快修复，其中可加入活性缓释因子以提高骨融合，抑制细菌生长。在笼状物外壁上的孔洞可以促进种植体内颗粒骨与体外的物质交换。本发明对镁金属笼状种植体进行水热表面改性，具体为在水热反应过程中，石墨烯片层与磷灰石交替在镁金属表面生长，形成的复合结构较单纯的磷灰石沉积更加致密，使得涂层的耐蚀性以及膜基结合强度明显增强，并且通过石墨烯对细菌细胞膜结构的破坏使得涂层具有了一定的抗菌性。采用金黄色葡萄球菌与大肠埃希氏菌进行抗菌性测试，涂层的抗菌率达到93.5%，95.6%。
[0019]本发明具有以下优点:一、采用镁金属作为种植体材料，减小了应力遮挡，完成修复后可以缓慢降解，避免了 2次手术;二、在镁金属种植体中加入颗粒骨，促进骨愈合，加入了活性缓释因子，提高骨融合速度，降低感染几率;三、在镁金属种植体外壁上加工小孔，促进种植体内外物质交换；四、在镁金属种植体上采用水热方法表面改性，提高了其抗腐蚀性能，为镁金属在骨愈合修复之前提供足够了力学支持;五、在水热涂层中加入石墨烯，使得涂层的膜基结合强度增加，进一步加强了抗腐蚀性能，同时使得涂层具有一定的抗菌性；六、镁金属种植体可根据需要设计成实际形状，水热浸入式表面改性不受镁笼基体材料形状的限制。
[0020]本发明制备的镁金属笼状种植体模型如图1(a)和(b)所示，涂层中掺入石墨烯对比于未掺入的膜基结合强度测试如图2(a)?(d)所示。图2(a)?(d)为采用GMW14829标准来测试涂层的膜基结合强度，磷灰石涂层的评测为5级脱落严重，而石墨烯/磷灰石复合涂层为2级脱落较轻。
[0021]本发明采用镁金属作为种植体材料，减小了应力遮挡，完成修复后可以缓慢降解，避免了 2次手术。在镁金属种植体中加入颗粒骨，促进骨愈合，加入了活性缓释因子，提高骨融合速度，降低感染几率。在镁金属种植体外壁上加工小孔，促进种植体内外物质交换。在镁金属种植体上采用水热方法表面改性，提高了其抗腐蚀性能，为镁金属在骨愈合修复之前提供足够了力学支持。在水热涂层中加入石墨烯，使得涂层的膜基结合强度增加，进一步加强了抗腐蚀性能，同时使得涂层具有一定的抗菌性。镁金属种植体可根据需要设计成实际形状，水热表面改性为各种形状提供支持。
[0022]—种制备带有抗菌耐蚀石墨烯/磷灰石复合涂层的可降解镁笼植入体的方法具有抗菌、耐蚀、可降解、膜基强度高等多重优点，主要应用于骨缺损的修复，如椎间骨，肢体骨等。本发明一种制备带有抗菌耐蚀石墨烯/磷灰石复合涂层的可降解镁笼植入体的方法的制备，方法简单，重复性强，可实现批量生产。
【附图说明】
[0023]图1(a)为【具体实施方式】一提出的镁金属笼状种植体模型示意图；
[0024]图1(b)为【具体实施方式】一提出的带有涂层的镁笼植入体示意图；
[0025]图2(a)为【具体实施方式】一提出的未加入石墨烯的涂层宏观图；
[0026]图2(b)为【具体实施方式】一提出的未加入石墨烯的涂层膜基结合强度测试示意图；
[0027]图2(c)为【具体实施方式】一提出的掺入石墨烯的涂层示意图；
[0028]图2(d)为【具体实施方式】一提出的掺入石墨烯的涂层膜基结合强度测试示意图。
【具体实施方式】
[0029]【具体实施方式】一:本实施方式的一种制备带有抗菌耐蚀石墨烯/磷灰石复合涂层的可降解镁笼植入体的方法，具体是按照以下步骤制备的:
[0030]步骤一、将镁金