专利名称：载硒纳米管阵列面功能化的人工关节及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种载硒纳米管阵列面功能化的人工关节及其制备方法，特别是涉及
一种由纯钛或钛合金人工关节基体以及负载有微量元素硒和骨形态发生蛋白的钛酸钠纳 米管表面层组成的人工关节及其制备方法，属于人工关节材料技术领域。
背景技术：
全球每年约有150万因退变性和炎症性关节炎导致的关节丧失功能患者需进行 人工关节置换术。其中金属材料用作制造人工关节应用最早，而且在目前临床中的应用也 仍最为广泛。随着时间的推移和临床研究表明，金属材料的人工关节普遍存在人工关节发 生松动、下沉或折断等情况，引起骨吸收，是影响人工关节置换远期疗效的主要并发症之 植入体表面形貌和化学特征改性被证明是一种提高骨整合的有效手段，是一种可 确保骨接触式种植体稳定性的可靠途径。 微量元素硒与人体健康有密切关系，是一种人体不可缺少的微量元素，具有重要 的生理功能及广泛的药理作用。它参与机体抗氧化和能量代谢，产生多方面作用可有助于 清除人和动物体内产生的各种亲电子自由基；保护细胞的完整性；保护蛋白质和大分子的 结构与功能；能抑制致癌物的活力；加速重金属解毒；剌激免疫球蛋白及抗体的产生，增强 机体对疾病的抵抗力以及抗菌消炎等等。特别是其提高免疫力和消炎作用，可在人工关节 植入过程中发挥巨大的作用，有效降低植入体附近人体组织的感染。 骨形态发生蛋白(BMP)是广泛存在于骨基质中的一种低分子糖蛋白多肽，可以作 用于间充质细胞表面受体，诱导血管周围的未分化间充质细胞和骨髓基质细胞转化为软骨 和骨细胞，具有诱导骨形成的生物特性。在人工关节表面负载骨形态发生蛋白(BMP)，可以 显著提高植入初期人工关节表面诱导成骨的能力。但是BMP易被较快吸收、降解，必须要有 合适的载体起到提高其释放周期的作用。 人体硬组织的主要无机质是钙磷相，而钛酸钠盐在体液中可以转变为水合二氧 化钛，使金属表面原位形成许多Ti-0H基团，从而诱导体液中的钙、磷沉积，形成磷灰石层 (Ceramics International, 1996， 79 (24) :1127-1129)。另外由于钛酸钠晶体的特殊结构， 使得钠离子有着很强的交换能力，可以与多种阳离子进行置换，从而进行离子缓释，加强钛 酸钠结构层的功能性。同时表面微孔的特殊形貌增大了比表面积，使得钛酸钠结构层在负 载能力方面得到极大的增强。 制备具有生物活性的钛酸钠结构的常用方法是碱液水热合成技术。中国专利 ZL02117866. 6 "—种制备水合钛酸钠盐以及系列钛酸盐纳米管的工艺方法"公开了一种基 于碱液水热合成技术制备钛酸钠纳米结构的方法，即在密闭容器中使用二氧化钛粉体或者 偏钛酸粉体与氢氧化钠溶液进行水热反应，最终制得具有管状结构的分散的钛酸钠盐。但 该制备方法只能针对制备出分散的钛酸盐结构，并没有涉及金属基体表面的制备。而钛酸 钠作为一种极具潜力的生物医用材料，还很少有应用于人工关节材料技术领域。因此寻找
3合适的工艺在人工关节金属基体表面制备具有特殊结构的钛酸钠生物活性涂层，并且增强 其功能性和负载能力，将越来越受到人工关节材料技术领域的重视。
发明内容
技术问题本发明的目的在于制备载硒纳米管阵列面功能化的人工关节，通过两 步阳极氧化法在人工关节金属基体表面构筑二氧化钛纳米管阵列层，再经水热处理将二氧 化钛纳米管阵列层转变为钛酸钠纳米管阵列层，随后采用离心负载技术在人工关节表面钛 酸钠纳米管阵列层内负载微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白。制备出的负载有微量亚硒酸钠 和骨形态发生蛋白的钛酸钠纳米管阵列表面层与基体结合强度好，制备工艺简单，可操作 性强。
技术方案本发明通过以下技术方案加以实现 在这种人工关节钛金属基体表面有一层钛酸钠纳米管阵列层，其层内进一步负载 有微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白。
具体制备的步骤如下 1)首先选用纯钛或钛合金加工好人工关节； 2)人工关节表面预处理表面磨光后，依次用丙酮、去离子水和无水乙醇超声洗 涤10-120分钟，随后用HF和HN03及水的混合溶液(体积比为1:4:5)化学抛光20-120 秒，再经去离子水彻底冲洗后，吹干待用； 3)两步阳极氧化制备二氧化钛纳米管将表面预处理过的人工关节作为阳极，石 墨或铂为阴极，在含水有机电解质溶液中进行第一次阳极氧化，具体阳极氧化参数为电压 20-240V，反应时间12-200小时，两极距离3-10cm，温度保持为室温。第一次阳极氧化后，取 出，在体积百分比为5-30vo 1 %的盐酸溶液中超声清洗0. 5-3小时，取出吹干后，将人工关 节在前述第一次阳极氧化参数条件下再进行第二次阳极氧化，然后取出，用无水乙醇超声 清洗10-30分钟，再在体积百分比为5-30vol^的盐酸溶液中浸泡0. 5-3小时后取出，用无 水乙醇和去离子水交替清洗6-10遍后，再在60-10(TC下干燥样品，在人工关节表面获得二 氧化钛纳米管阵列层； 4)水热合成钛酸钠纳米管阵列层将上述制备的表面覆盖二氧化钛纳米管阵列 层的人工关节在聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行水热反应，具体水热反应参数为反 应温度90-18(TC，反应时间10-100小时，氢氧化钠溶液浓度5-15mo1 *L—、反应溶液体积为 反应釜内衬容积的50-80%。水热反应后，待自然冷却，取出，用去离子水洗涤离心，反复数 次，直至上层清液呈中性，取出干燥，在人工关节表面获得钛酸钠纳米管阵列层；
5)最后采用离心负载技术在人工关节表面钛酸钠纳米管阵列层内负载微量亚硒 酸钠和骨形态发生蛋白。具体操作为将表面具有钛酸钠纳米管阵列层的人工关节置于离 心机中，倒入浓度为5X 10—3 2X 10—2mol/L的亚硒酸钠以及0. 1 50mg/L的骨形态发 生蛋白和0. lmol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以2000 80000rpm的离心速度工作5 30min，其间保持工作温度为4 40°C ，取出，用酒精淋洗后， 真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明载硒纳米管阵列面功能化的人工关节。
所述的含水有机电解质溶液采用乙二醇为溶剂，其它有效成分为水0-10volX (体积百分比)、磷酸2-10volX (体积百分比)、氟化铵0. l_0.9wt% (质量百分比)。
本发明方法制备的钛酸钠纳米管定向规则排列，钛酸钠纳米管在垂直于基体方向 产生，管径达80-500nm，管长为1-150 y m，比表面积较大。 本发明制备的载硒纳米管阵列面功能化的人工关节及其方法具有以下优点和有 益效果 ①硒元素具有多种生物学效应，本发明载硒纳米管阵列面功能化的人工关节由纯 钛或钛合金人工关节基体以及负载有微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白的钛酸钠纳米管阵 列表面层组成。硒元素掺入后可提高机体免疫力、消炎能力并且对周围健康牙齿有益。
②与普通的钛酸钠层相比，钛酸钠纳米管阵列定向规则排列，比表面积较高，有利 于骨形态发生蛋白的负载以及对骨形态发生蛋白的控释，骨形态发生蛋白有很好的诱导成 骨效应，可在短时间与骨组织形成牢固的生理结合。因此，有望增加人工关节稳定性。
③人工关节表面钛酸钠纳米管阵列与金属基体结合强度高，并具有理想的微孔结 构，并可作为"晶核基面"促进磷灰石层的沉积生长。 ④采用的阳极氧化和水热合成工艺不受基体形状的影响，可以在形状复杂的基体 上制备出均匀的钛酸钠纳米管阵列层。
图1是本发明具体制备过程图。 图2是本发明人工关节表面钛酸钠纳米管阵列层形态的扫描电镜(SEM)照片；
图3是本发明人工关节表面钛酸钠纳米管阵列层的X射线衍射(XRD)谱。
具体实施方式
实施例1 (1)首先选用纯钛加工好人工关节； (2)人工关节表面预处理表面磨光后，依次用丙酮、去离子水和无水乙醇超声洗 涤10-30分钟，随后用HF和HN03及水的混合溶液(体积比为1:4:5)化学抛光20-40 秒，再经去离子水彻底冲洗后，吹干待用； (3)配制含水有机电解质溶液采用乙二醇为溶剂，其它有效成分为水2volX (体积百分比)、磷酸4volX (体积百分比)、氟化铵0.3wt^ (质量百分比)；
(4)两步阳极氧化制备二氧化钛纳米管将表面预处理过的人工关节作为阳极， 石墨或铂片为阴极，在含水有机电解质溶液中进行第一次阳极氧化，具体阳极氧化参数为 电压60V，反应时间18小时，两极距离3-10cm，温度保持为室温。第一次阳极氧化后，取出， 在体积百分比为10vol^的盐酸溶液中超声清洗0. 5-3小时，取出吹干后，将人工关节在 前述第一次阳极氧化参数条件下再进行第二次阳极氧化，然后取出，用无水乙醇超声清洗 10-30分钟，再在体积百分比为10vol^的盐酸溶液中浸泡0. 5-3小时后取出，用无水乙醇 和去离子水交替清洗6-10遍后，再在60-10(TC下干燥样品，在人工关节表面获得二氧化钛 纳米管阵列层； (5)水热合成钛酸钠纳米管阵列层将上述制备的表面覆盖二氧化钛纳米管阵列 层的人工关节在聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行水热反应，具体水热反应参数为反 应温度ll(TC，反应时间20小时，氢氧化钠溶液浓度lOmol L—、反应溶液体积为反应釜内衬容积的50-80% 。水热反应后，待自然冷却，取出，用去离子水洗涤离心，反复数次，直至上 层清液呈中性，取出干燥，在人工关节表面获得钛酸钠纳米管阵列层； (6)微量亚硒酸钠和BMP的离心负载处理将表面覆盖钛酸钠纳米管阵列层的人 工关节置于离心筒内，倒入5X 10—3 mol/L的亚硒酸钠以及0. 1 50mg/L的骨形态发生蛋 白和0. lmol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以6000rpm的离 心速度工作时间5 30min，保持工作温度4 40。C，取出； (7)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得
本发明载硒纳米管阵列面功能化的人工关节。 实施例2 (1)首先选用钛加工好人工关节； (2)人工关节表面预处理表面磨光后，依次用丙酮、去离子水和无水乙醇超声洗 涤30-60分钟，随后用HF和HN03及水的混合溶液(体积比为1 : 4 : 5)化学抛光40-60 秒，再经去离子水彻底冲洗后，电吹风吹干待用； (3)配制含水有机电解质溶液采用乙二醇为溶剂，其它有效成分为水2volX (体积百分比)、磷酸4volX (体积百分比)、氟化铵0.5wt^ (质量百分比)；
(4)两步阳极氧化制备二氧化钛纳米管将表面预处理过的人工关节作为阳极， 石墨为阴极，在含水有机电解质溶液中进行第一次阳极氧化，具体阳极氧化参数为电压 80V，反应时间18小时，两极距离3-10cm，温度保持为室温。第一次阳极氧化后，取出，在体 积百分比为10vol^的盐酸溶液中超声清洗0. 5-3小时，取出吹干后，将人工关节在前述第 一次阳极氧化参数条件下再进行第二次阳极氧化，然后取出，用无水乙醇超声清洗10-30 分钟，再在体积百分比为10vol^的盐酸溶液中浸泡0. 5-3小时后取出，用无水乙醇和去离 子水交替清洗6-10遍后，再在60-10(TC下干燥样品，在人工关节表面获得二氧化钛纳米管 阵列层； (5)水热合成钛酸钠纳米管阵列层将上述制备的表面覆盖二氧化钛纳米管阵列 层的人工关节在聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行水热反应，具体水热反应参数为反 应温度13(TC，反应时间20小时，氢氧化钠溶液浓度lOmol L—、反应溶液体积为反应釜内 衬容积的50-80% 。水热反应后，待自然冷却，取出，用去离子水洗涤离心，反复数次，直至上 层清液呈中性，取出干燥，在人工关节表面获得钛酸钠纳米管阵列层，其SEM照片和XRD谱 分别见图2和图3; (6)微量亚硒酸钠和BMP的离心负载处理将表面覆盖钛酸钠纳米管阵列层的人 工关节置于离心筒内，倒入5X 10—3 mol/L的亚硒酸钠以及0. 1 50mg/L的骨形态发生蛋 白和0. lmol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以8000rpm的离 心速度工作时间5 30min，保持工作温度4 40。C，取出； (7)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得
本发明载硒纳米管阵列面功能化的人工关节。
实施例3 (D首先选用纯钛加工好人工关节； (2)人工关节表面预处理表面磨光后，依次用丙酮、去离子水和无水乙醇超声洗 涤60-90分钟，随后用HF和HN03及水的混合溶液(体积比为1 : 4 : 5)化学抛光60-80秒，再经去离子水彻底冲洗后，电吹风吹干待用； (3)配制含水有机电解质溶液采用乙二醇为溶剂，其它有效成分为水4vol % (体积百分比)、磷酸6volX (体积百分比)、氟化铵0.5wt^ (质量百分比)；
(4)两步阳极氧化制备二氧化钛纳米管将表面预处理过的人工关节作为阳极， 铂片为阴极，在含水有机电解质溶液中进行第一次阳极氧化，具体阳极氧化参数为电压 40V，反应时间24小时，两极距离3-10cm，温度保持为室温。第一次阳极氧化后，取出，在体 积百分比为20vol^的盐酸溶液中超声清洗0. 5-3小时，取出吹干后，将人工关节在前述第 一次阳极氧化参数条件下再进行第二次阳极氧化，然后取出，用无水乙醇超声清洗10-30 分钟，再在体积百分比为20vol^的盐酸溶液中浸泡0. 5-3小时后取出，用无水乙醇和去离 子水交替清洗6-10遍后，再在60-10(TC下干燥样品，在人工关节表面获得二氧化钛纳米管 阵列层； (5)水热合成钛酸钠纳米管阵列层将上述制备的表面覆盖二氧化钛纳米管阵列 层的人工关节在聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行水热反应，具体水热反应参数为反 应温度15(TC，反应时间20小时，氢氧化钠溶液浓度lOmol L—、反应溶液体积为反应釜内 衬容积的50-80% 。水热反应后，待自然冷却，取出，用去离子水洗涤离心，反复数次，直至上 层清液呈中性，取出干燥，在人工关节表面获得钛酸钠纳米管阵列层； (6)微量亚硒酸钠和BMP的离心负载处理将表面覆盖钛酸钠纳米管阵列层的人 工关节置于离心筒内，倒入5 X 10—3mol/L的亚硒酸钠以及0. 1 50mg/L的骨形态发生蛋白 和0. lmol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以6000rpm的离心 速度工作时间5 30min，保持工作温度4 40。C，取出； (7)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得
本发明载硒纳米管阵列面功能化的人工关节。 实施例4 (1)首先选用钛合金加工好人工关节； (2)人工关节表面预处理表面磨光后，依次用丙酮、去离子水和无水乙醇超声洗 涤90-120分钟，随后用HF和HN03及水的混合溶液(体积比为1 : 4 : 5)化学抛光80-120 秒，再经去离子水彻底冲洗后，电吹风吹干待用； (3)配制含水有机电解质溶液采用乙二醇为溶剂，其它有效成分为水2volX (体积百分比)、磷酸5volX (体积百分比)、氟化铵0.5wt^ (质量百分比)；
(4)两步阳极氧化制备二氧化钛纳米管将表面预处理过的人工关节作为阳极， 石墨或铂片为阴极，在含水有机电解质溶液中进行第一次阳极氧化，具体阳极氧化参数为 电压80V，反应时间12小时，两极距离3-10cm，温度保持为室温。第一次阳极氧化后，取出， 在体积百分比为20vol^的盐酸溶液中超声清洗0. 5-3小时，取出吹干后，将人工关节在 前述第一次阳极氧化参数条件下再进行第二次阳极氧化，然后取出，用无水乙醇超声清洗 10-30分钟，再在体积百分比为20vol^的盐酸溶液中浸泡0. 5-3小时后取出，用无水乙醇 和去离子水交替清洗6-10遍后，再在60-10(TC下干燥样品，在人工关节表面获得二氧化钛 纳米管阵列层； (5)水热合成钛酸钠纳米管阵列层将上述制备的表面覆盖二氧化钛纳米管阵列 层的人工关节在聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行水热反应，具体水热反应参数为反
7应温度ll(TC，反应时间30小时，氢氧化钠溶液浓度lOmol L—、反应溶液体积为反应釜内 衬容积的50-80%。水热反应后，待自然冷却，取出，用去离子水洗涤离心，反复数次，直至上 层清液呈中性，取出干燥，在人工关节表面获得钛酸钠纳米管阵列层； (6)微量亚硒酸钠和BMP的离心负载处理将表面覆盖钛酸钠纳米管阵列层的人 工关节置于离心筒内，倒入5 X 10—3mol/L的亚硒酸钠以及0. 1 50mg/L的骨形态发生蛋白 和0. lmol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以8000rpm的离心 速度工作时间5 30min，保持工作温度4 40。C，取出； (7)将上述取出人工关节用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得 本发明载硒纳米管阵列面功能化的人工关节。
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权利要求
一种载硒纳米管阵列面功能化的人工关节及其制备方法，其特征在于所述的载硒纳米管阵列面功能化的人工关节由纯钛或钛合金人工关节基体以及负载有微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白的钛酸钠纳米管阵列表面层组成，所述及载硒纳米管阵列面功能化的人工关节制备方法按如下步骤进行1)首先选用纯钛或钛合金加工好人工关节；2)人工关节表面预处理表面磨光后，依次用丙酮、去离子水和无水乙醇超声洗涤10-120分钟，随后用HF和HNO3及水的混合溶液(体积比为1∶4∶5)化学抛光20-120秒，再经去离子水彻底冲洗后，吹干待用；3)两步阳极氧化制备二氧化钛纳米管将表面预处理过的人工关节作为阳极，石墨或铂为阴极，在含水有机电解质溶液中进行第一次阳极氧化，具体阳极氧化参数为电压20-240V，反应时间12-200小时，两极距离3-10cm，温度保持为室温。第一次阳极氧化后，取出，在体积百分比为5-30vol％的盐酸溶液中超声清洗0.5-3小时，取出吹干后，将人工关节在前述第一次阳极氧化参数条件下再进行第二次阳极氧化，然后取出，用无水乙醇超声清洗10-30分钟，再在体积百分比为5-30vol％的盐酸溶液中浸泡0.5-3小时后取出，用无水乙醇和去离子水交替清洗6-10遍后，再在60-100℃下干燥样品，在人工关节表面获得二氧化钛纳米管阵列层；4)水热合成钛酸钠纳米管阵列层将上述制备的表面覆盖二氧化钛纳米管阵列层的人工关节在聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行水热反应，具体水热反应参数为反应温度90-180℃，反应时间10-100小时，氢氧化钠溶液浓度5-15mol·L-1，反应溶液体积为反应釜内衬容积的50-80％。水热反应后，待自然冷却，取出，用去离子水洗涤离心，反复数次，直至上层清液呈中性，取出干燥，在人工关节表面获得钛酸钠纳米管阵列层；5)最后采用离心负载技术在人工关节表面钛酸钠纳米管阵列层内负载微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白。具体操作为将表面具有钛酸钠纳米管阵列层的人工关节置于离心机中，倒入浓度为5×10-3～2×10-2mol/L的亚硒酸钠以及0.1～50mg/L的骨形态发生蛋白和0.1mol/L的磷酸缓冲盐溶液组成的混合溶液，并淹过两倍以上高度，以2000～80000rpm的离心速度工作5～30min，其间保持工作温度为4～40℃，取出，用酒精淋洗后，真空干燥，消毒后无菌保存，备用，即可得本发明载硒纳米管阵列面功能化的人工关节。
2. 如权利要求1所述的载硒纳米管阵列面功能化的人工关节的制备方法，其特征在于含水有机电解质溶液采用乙二醇为溶剂，其它有效成分为水0-10volX (体积百分比)、磷酸2-10vol% (体积百分比)、氟化铵0. 1-0. 9wt% (质量百分比)。
全文摘要
本发明涉及一种载硒纳米管阵列面功能化的人工关节，在这种人工关节钛金属基体表面有一层钛酸钠纳米管阵列层，其层内进一步负载有微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白。所述的载硒纳米管阵列面功能化的人工关节制备方法为选用纯钛或钛合金加工人工关节；然后采用两步阳极氧化技术在纯钛或钛合金人工关节表面获得具有管状结构的二氧化钛纳米管阵列层；再将二氧化钛纳米管阵列层采用碱液水热合成技术转化为钛酸钠纳米管阵列层；最后采用离心负载技术在人工关节表面钛酸钠纳米管阵列层内负载微量亚硒酸钠和骨形态发生蛋白。
文档编号A61L27/06GK101766838SQ200910264760
公开日2010年7月7日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者储成林, 董寅生, 饶席 申请人:东南大学