金属表面刻蚀纳米孔阵列的制备方法及其用途的制作方法

专利名称：金属表面刻蚀纳米孔阵列的制备方法及其用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型植入材料及其制备方法和应用，具体地说，是一种钛表面 TiO2纳米孔阵列结构的应用及其制备方法。
背景技术：
生物医用材料是指以医疗为目的，用于与活体组织接触并能实现某种功能的无生命材料(国际标准化组织ISO，1987. 10)。深入研究植入材料与人体的相互作用及由此产生的材料反应和宿主反应是研制理想生物医用材料的前提和必要条件。材料表面与受面组织细胞的相互作用是骨种植体材料临床应用效果好坏、治疗成功与否的关键性因素之一。材料表面特性影响组织细胞的黏附和生长，还将进一步影响细胞的增殖、分化和凋亡等一系列生理过程。钛作为医用人体硬组织植入材料已获得广泛应用，生物相容性较好，且能行使比较理想的生物学功能。但钛是一种惰性材料，它的结构和性质与骨组织相差较大，不能象生物相容性好的材料那样可以与骨组织发生生物化学性结合。钛与骨组织之间仅为机械性骨整合，植入骨组织后失败的根本原因也在于此。已有的研究结果提示，植入材料表面修饰是解决这一难题的主要方法。近年来，纳米材料因其结构的特殊性，表现出许多不同于传统材料的物理、化学和生物性能，已被成功地应用于医学领域中。在口腔学、骨科学和整形外科学领域，钛种植体表面纳米化处理技术也有研究和应用的报道，对纯钛表面进行纳米形貌结构的修饰提高其生物相容性，已成为生物材料的前沿研究领域。纳米TW2薄膜是一种功能性薄膜，在医学领域也有较广阔的应用前景。纳米TiO2薄膜的制备方法很多，主要有液相制备方法、物理制备法、化学气相沉积法和电化学方法等，其中，阳极氧化法是制备钛表面纳米TiO2薄膜最经济、最常用的方法之一。毋庸置疑，钛作为目前最常用的骨种植体材料，其表面粗糙法是其表面处理研究的主流方向，纳米技术是目前表面处理的热点技术之一，美国航空航天管理局(NASA)对纳米技术的定义为通过对纳米尺度的控制(I-IOOnm)，创造出具有新型功能的材料、装置和系统，开发出材料的新现象和新性质(包括物理、化学和生物性质)。而纳米技术材料既可以是由纳米物质组成的材料，也可以是具有纳米结构表面的材料。目前常用的种植体表面纳米处理方法有物理压缩法、分子自组装技术、纳米颗粒沉积法、激光刻蚀法、纳米生物模拟法等，但是这些传统方法具有表面结构不均勻、易脱层、操作复杂等缺点。同时，不同的纳米尺度及形貌对细胞产生截然不同的影响，因此探索及研发有利于提高骨种植体成功率的纳米形貌是研究的方向之一。在钛表面用阳极氧化法制备TW2纳米管阵列的方法已经有较多的研究报道，有体外研究证明，采用电化学阳极氧化法在钛表面制备特定尺度和形貌的TiO2纳米管阵列层， 能够不同程度地影响成骨细胞黏附、增殖与分化能力。钛表面不同纳米化修饰对细胞生物行为的影响由钛表面生物材料与细胞间的相互作用决定，其影响因素是材料的表面特征， 包括表面形貌、表面能、表面电荷和表面成分及其化学状态。细胞与钛植入材料间的相互作用仅仅发生于组织与钛的界面上，所以钛表面特征在这一相互作用中发挥了至关重要的作用，即钛表面的性质及其与组织接触过程中的变化是影响细胞-钛相互作用的关键因素。 目前TiO2纳米管的制备方法主要包括模板合成法、水热合成法和阳极氧化法三种。虽然模板法能够制备不同尺寸的TiA纳米管，通过调节工艺参数来控制Ai2O3模板的孔径尺寸，但模板合成法很难合成直径较小的纳米管，并且管壁粗糙；水热合成法虽然操作比较简单，而且可以制得管径较小的TiO2纳米管，但纳米管的特征却较大程度依赖于原料TiO2微粒的尺寸和晶相，并且纳米管阵列不整齐；而阳极氧化法可以通过改变工艺条件来制备不同尺寸且光滑有序的纳米管，其最佳的合成条件还有待于进一步探索。本课题组研究了钛表面TiO2纳米孔层阵列结构对骨髓基质细胞(bone marrow stromal cells, BMSCs)的黏附、铺展形态等生物学特性的影响，采用电化学阳极氧化法和化学腐蚀技术，在纯钛表面制备出特定尺度和形貌的TW2纳米孔层阵列结构，以BMSCs为研究对象，应用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等技术检测细胞黏附、铺展形态和骨架蛋白排列等生物学特性，证明阳极氧化法和化学腐蚀技术制备的钛表面TiO2纳米孔层阵列结构对BMSCs的黏附、铺展等生物学行为起到显著的促进作用(详见张梅，黄其煜，周晓健，孙强等.钛表面TiO2纳米孔对骨髓基质细胞黏附和铺展的影响[J].上海口腔医学，2009，18(5) :493-498.)。中国专利文献CN101792923A公开了一种钛片表面纳米尺度粗糙化的方法，通过钛片制备二氧化钛纳米管阵列，再腐蚀钛片得到纳米尺度粗糙化表面。虽然在钛表面用阳极氧化法制备TW2纳米管的方法已经有较多的研究报道，但应用电化学阳极氧化法联合化学腐蚀技术在钛表面制备力学性能稳定的、特定尺度的T^2纳米孔阵列结构，并对该类材料影响细胞生物学行为进行相关研究，国内外尚未见报道。

发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种钛表面刻蚀T^2纳米孔阵列结构在制备人体金属植入物和固定物中的应用。本发明的第二个目的是，提供一种钛表面刻蚀TiO2纳米孔阵列结构。本发明的第三个目的是，提供一种钛表面刻蚀TiA纳米孔阵列结构的制备方法。为实现上述目的，本发明采取的技术方案是一种钛表面刻蚀TiA纳米孔阵列结构在制备人体金属植入物中的应用，所述的人体金属植入物为牙种植体、骨种植体、固定板、固定钉，所述的结构是在纯钛或钛合金表面制备得到特定纳米尺度的TiO2纳米孔层阵列结构，所述的纳米孔的孔径大小为20-25nm，孔的深度为8-12nm，深宽比约为0. 3-0. 45， 纳米结构分布均勻。所述结构的制备方法包括应用阳极氧化法制备TiA纳米管阵列，随后应用化学腐蚀技术制备TW2纳米孔阵列，所述的阳极氧化法制备TW2纳米管阵列的步骤包括1)纯钛或钛合金，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10-20分钟，干燥后备用；2)分别量取98ml乙二醇、2. 5ml 2wt%的去离子水和0. 335g 0. 3wt%的NH4F配制电解液，缓慢搅拌5-15分钟；3)保持20°C恒温，以钛片作为阳极，钼电极为阴极，在20V电压下阳极氧化 100-110分钟；4)将制得的材料样品分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗6-8分钟，干燥备用即可。所述的化学腐蚀技术制备TiA纳米孔的步骤包括1)采用25%氨水、30%双氧水及去离子水按1:1:5的摩尔比配置腐蚀液；2)将腐蚀液加热到70°C，并保温1至2分钟；3) 将权利要求4制备的已生长完TW2纳米管阵列的钛材料放入腐蚀液内，腐蚀25-30分钟； 4)把处理过的样品取出，用流动的去离子水冲洗5分钟后，浸泡到去离子水中，并每隔1小时换水一次，重复三次。为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是一种钛表面刻蚀TiO2纳米孔阵列结构，所述的结构是在纯钛或钛合金表面制备得到T^2纳米孔层阵列结构，所述的纳米孔的孔径为20-25nm，孔的深度为8-12nm，深宽比为0. 3-0. 45，纳米结构分布均勻。所述结构的制备方法包括应用阳极氧化法制备T^2纳米管阵列和化学腐蚀技术制备TW2纳米孔，所述的阳极氧化法制备TiA纳米管阵列的步骤包括1)纯钛或钛合金，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10-20分钟，干燥后备用；2)分别量取98ml乙二醇、2. 5ml 2wt%的去离子水和0. 335g 0. 3wt%的NH4F配制电解液，缓慢搅拌5_15分钟；
3)保持20°C恒温，以钛片作为阳极，钼电极为阴极，在20V电压下阳极氧化100-110分钟；
4)将制得的材料样品分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗6-8分钟，干燥备用即可。所述的化学腐蚀技术制备TiA纳米孔的步骤包括1)采用25%氨水、30%双氧水及去离子水按1:1:5的摩尔比配置腐蚀液；2)将腐蚀液加热到70°C，并保温1至2分钟；3) 将权利要求4制备的已生长完TW2纳米管阵列的钛材料放入腐蚀液内，腐蚀25-30分钟； 4)把处理过的样品取出，用流动的去离子水冲洗5分钟后，浸泡到去离子水中，并每隔1小时换水一次，重复三次。为实现上述第三个目的，本发明采取的技术方案是一种钛表面刻蚀TiO2纳米孔结构的制备方法，所述的结构的制备方法包括在纯钛或钛合金表面应用阳极氧化法制备 TiO2纳米管阵列和化学腐蚀技术制备TiA纳米孔，所述的阳极氧化法制备TiA纳米管阵列的步骤包括1)纯度99%的医用纯钛或钛合金，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10-20分钟，干燥后备用；2)分别量取98ml乙二醇、2. 5ml 2wt%的去离子水和0. 335g 0. 3wt%的NH4F配制电解液，缓慢搅拌5-15分钟；3)保持20°C恒温，以钛作为阳极，钼电极为阴极，在20V电压下阳极氧化100-110小时；4)将制得的材料样品分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗6-8分钟，干燥备用即可。所述的化学腐蚀技术制备TiA纳米孔的步骤包括1)采用25%氨水、30%双氧水及去离子水按1:1:5的摩尔比配置腐蚀液；2)将腐蚀液加热到70°C，并保温1至2分钟；3) 将权利要求4制备的已生长完TW2纳米管阵列的钛材料放入腐蚀液内，腐蚀25-30分钟； 4)把处理过的样品取出，用流动的去离子水冲洗5分钟后，浸泡到去离子水中，并每隔1小时换水一次，重复三次。本发明优点在于
1、与现有技术相比，本发明可以在常温常压条件进行；
2、创新性的采用电化学阳极氧化法结合特定腐蚀技术对钛表面进行纳米级修饰，制备 TiO2纳米孔阵列规整有序，方法工艺简单，操作方便，成本低廉，工艺流程短，克服磁共溅射法、等离子喷涂法、表面塑性变形法等制备出得纳米结构不够均勻整齐，制备工艺复杂，费时成本高等缺点，是一种较有前景的种植材料表面形貌的修饰方法；
3、本发明中表面修饰TiO2纳米孔层的钛种植体在有效克服了“纳米管”的容易脱层、且不具备良好的机械加工性能缺点的同时，创新性地制造特定尺度的纳米孔阵列结构，在以其制作工艺简单方便、成本低廉的优势，成为很有应用前景的骨种植和骨内固定材料；
4、本发明的纳米孔结构有利于骨髓基质细胞的粘附和增殖，并且可以诱导骨髓基质干细胞向成骨细胞分化，具有较好的生物相容性，大大提高种植体和固定板和钉的生物性能；
5、本发明的纳米孔阵列结构对成纤维细胞的粘附和增殖有抑制作用，可使种植体和固定板钉与软组织接触的界面中成纤维细胞比例下降，而胶原成分比例增高，而这种结缔组织“屏障”结构可有效阻止上皮细胞及成纤维细胞向骨-种植体界面方向移动，从而有效提高骨整合的效力；
6、骨量不足时限制种植体应用的一个主要障碍，引导骨再生技术很大程度上解决这一难题，其核心是生物屏障膜对组织中成纤维细胞形成阻挡，而本发明中的纳米孔形貌本身抑制成纤维细胞在其表面粘附和增殖，可形成“天然屏障”，将极大提高手术的成功率。


图1 TiA纳米管阵列(A为俯视图，B为侧视图)。图2腐蚀之后钛片表面形貌(A为扫描电镜形貌，B为原子力显微镜形貌)。图 3 SEM观察经处理后钛表面结构(AX6, 000，B X 200, 000, CX 100, 000, DX40, 000) A 对照组正面观(未处理纯钛表面)，B和C 处理组钛片正面观(TW2纳米孔形成)，D 处理组钛片侧面观(箭头所示)。图4钛表面TW2纳米孔的AFM图像，A 处理组钛片(TW2纳米孔表面)，B 对照组 (未处理纯钛表面)。图5钛表面TW2纳米孔层的XRD图像。图6材料表面纯水的平衡接触角。图7激光共聚焦显微镜观察BMSCs黏附情况，A 处理组钛片(TW2纳米孔表面)， 接种细胞4hr后；B 对照组，接种细胞4hr后；C 处理组钛片(TiO2纳米孔表面)，接种细胞 8hr后；D 对照组，接种细胞8hr后。图8激光共聚焦显微镜观察BMSCs增殖情况，A 处理组钛(TW2纳米孔表面)，接种细胞Mhr后；B 对照组，接种细胞Mhr后。图9流式细胞仪检测BMSCs细胞周期。图 10 BMSC 单个细胞 SEM 图像(X 3000)。图11 SEM观察BMSCs伸出伪足。图 12 BMSCs 接种 8hr 的 SEM 图像。图13细胞通过罗丹明-鬼笔环肽染色细胞骨架的激光扫描共聚焦显微镜图像。图14激光共聚焦显微镜观察NIH/3T3细胞黏附情况，A 处理组钛(TW2纳米孔表面)，接种细胞4hr后；B 对照组，接种细胞4hr后；C 处理组钛(TiO2纳米孔表面)，接种细胞8hr后；D 对照组，接种细胞8hr后。图15 NIH/3T3培养4 hr和8 hr后黏附情况统计直方图。图16激光共聚焦显微镜观察NIH/3T3细胞增殖情况，A 处理组钛(TW2纳米孔表面)，接种细胞Mhr后；B 对照组，接种细胞Mhr后。图17 NIH/3T3培养Mhr后增殖情况统计直方图。
图18流式细胞仪检测NIH/3T3细胞周期。图19NIH/3T3单个细胞SEM图像。图20 SEM观察NIH/3T3伸出伪足。图 21 NIH/3T3 接种 8hr 的 SEM 图像。图22单个NIH/3T3细胞铺展面积统计直方图。图23钛表面不同孔径纳米孔对细胞粘附的影响，A: 10-15nm组；B :20_25nm组； C:30nm 组；D:50nm 组。
具体实施例方式下面结合附图对本发明提供的具体实施方式
作详细说明。本发明的目的是应用阳极氧化法和化学腐蚀技术在纯钛或钛合金(以下统称为钛)表面制备TiO2纳米孔阵列结构，通过体外实验研究材料不同细胞的黏附、铺展和增殖等生物学特性的影响，评价其生物相容性；为新型表面纳米化钛植入材料和骨内固定材料研制和应用提供理论基础和实验依据。实施例1 二氧化钛纳米孔的制备主要仪器与试剂
纯度为99%的钛片(Alfa Aesar公司，中国)，氟化铵(分析纯，国药集团化学试剂有限公司，中国)，DMEM培养基(Gibco，美国)，胎牛血清(FBS，Gibco，美国)，胰蛋白酶干粉(活性1 250，Sigma，美国)，EDTA (华美生物工程公司，中国)，可编程直流电源(IT6834，苏州欧泰斯特电子有限公司，中国)，(恒温磁力搅拌器(94-2，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司，中国)，低温恒温槽(DC-0506，上海衡平仪器仪表厂，中国)，钼电极(天津艾达恒晟科技发展有限公司，中国)，激光扫描共聚焦显微镜(Leica TCS SP2，德国)，场发射扫描电子显微镜(Fei Sirion 200，Philip，荷兰)，原子力显微镜(Bic^cope，Veeco公司，美国)，荧光封片剂(Invitrogen，美国)，Hoechst 33342 (Sigma，美国)，罗丹明一鬼笔环肽(Molecular Probes,美国)。一、制备二氧化钛纳米管阵列
1)高纯度(99%)医用钛(15mmX20mmX0.25mm)，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水(DI 水)各超声清洗10-20分钟，干燥后备用，部分用做空白对照组，部分用于后续的处理过程；
2)分别量取98ml乙二醇、2.5ml (2wt%)去离子水和0. 335g (0. 3wt%) NH4F配制电解液，缓慢搅拌5-15分钟；
3)保持20°C恒温，以钛作为阳极，钼电极为阴极，在20V电压下阳极氧化100-110分
钟；
4)将制得的材料样品分别在无水乙醇和去离子水(DI水)中超声清洗6-8分钟，干燥备用即可。请参照附图1，图1为制得的TW2纳米管阵列的扫描电镜图像，A为俯视图，B为侧视图。制得的纳米管管径约为20-25nm，管长约为Ιμπι左右，深宽比约为20，并且管径均勻，纳米管阵列排列整齐，管壁光滑。二、二氧化钛纳米孔的制备
由于在加工运输和材料种植的过程中，TiO2纳米管层较脆弱，易受到损伤。因此，可以通过特定方法降低T^2纳米管层的厚度，使其仅为管径的一半左右(8-12nm)，既可在钛片表面保有TW2纳米管的特征，满足细胞粘附的要求，又可避免TW2纳米管层易受损伤易脱落的缺点。制备二氧化钛纳米孔阵列采用的方法是利用特定的腐蚀液，腐蚀掉大部分的纳米管，仅保留其管底部分的特征。其过程如下
1)采用25%氨水(NH4OH),30%双氧水(H2O2)及去离子水(DI水)按1 1 5的摩尔比配置腐蚀液；
2)将腐蚀液加热到70°C，并保温1至2分钟；
3)将已生长完TW2纳米管阵列的钛材料放入腐蚀液内，腐蚀25-30分钟；
4)把处理过的样品取出，用流动的去离子水冲洗5分钟后，浸泡到去离子水中，并每隔 1小时换水一次，重复三次。将处理后的医用钛片(处理组)和未处理的医用钛(对照组)分别清洗、干燥、真空蒸镀金膜技术喷金后，行扫描电子显微镜观察、摄像记录。同时，应用原子力显微镜，对比观察处理组与对照组材料的表面结构特征，对三维形貌特征进行分析。测试前试样同样需进行超声清洗、干燥，使材料表面保持清洁。经过腐蚀液腐蚀后的样品表面形貌如图2所示，图2是腐蚀之后钛表面形貌(A为扫描电镜形貌，B为原子力显微镜形貌)。如图所示，材料表面的纳米管阵列形貌已经完全消失了，留下的是纳米管底部的形貌特征，呈现出一个个均勻的纳米尺度的凹坑。经由扫描电镜(Scanning Electronic Microscope, SEM)与原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)的表征，其深宽比约在0. 3-0. 45之间。需要说明的是，利用电化学阳极氧化法和化学腐蚀在钛表面能制备出特定尺度和形貌的TW2纳米孔层阵列结构。孔径约为20-25nm，孔深度约为8-12nm，深宽比约为 0. 3-0. 45，纳米结构分布均勻。实施例2钛表面TW2纳米孔的表征
钛表面不同纳米化修饰对细胞生物行为的影响由钛表面生物材料与细胞间的相互作用决定，细胞与钛植入材料间的相互作用仅仅发生于组织与钛的界面上，所以钛表面特征在这一相互作用中起了重要的作用。本实施例以99%钛片为对照组，以表面经电化学阳极氧化法制备TiO2纳米孔的钛片为处理组，采用扫描电镜、原子力显微镜、X射线衍射仪、材料表面接触角测量仪对钛表面T^2纳米孔进行表征。1.处理组与对照组表面SEM图
见图3，扫描电镜观察结果显示，正面观，对照组纯钛表面光滑，无特定纳米结构(图 3A);处理组钛表面呈现多孔结构，孔径为20-25nm，分布均勻，钛表面形成了一层TiO2纳米孔结构(图3B、C)。侧面观，处理组钛片未见类似TW2纳米管的层结构，纳米孔层与基体无明显界限(图3D)。2.应用原子力显微镜观察处理组和对照组表面特征
原子力显微镜观察结果显示，处理组钛表面TW2纳米孔制备后，钛表面可见分布均勻的纳米孔，孔周围类似火山丘状形貌，孔径为20-25nm左右，孔深为孔径的l/3，8-12nm，深宽比约为0. 3-0. 45，(图4A)。对照组纯钛表面光滑，可见方向一致的抛光痕迹(图4B)。3.钛表面TiA纳米孔的XRD分析图5见处理组钛表面TiA纳米孔层的XRD图谱中有多个显著的衍射峰，表明TiA纳米孔层阵列结构由锐钛矿组成。4.材料表面接触角测量
图6为处理组与对照组试样测量表面接触角时的液滴铺展图。显示了各个样品表面上纯水的平衡接触角，对照组接触角平均为88. 42士6. 52度，处理组接触角平均为 56. 14士6. 48度，明显小于对照组0° = 0. 0000)。表明钛表面经阳极氧化后形成TW2纳米孔结构后，亲水性得到了明显提高。5.讨论
采用材料表面接触角测量技术，对比研究处理组与对照组材料表面与纯水的接触角。 结果显示，钛表面形成TW2纳米孔后，与纯水的接触角变小。这就说明，钛表面TW2纳米孔有较好的亲水性，与血液的相容性好。实施例3钛表面TW2纳米孔对骨髓基质细胞黏附和增殖的影响一、材料与方法
1.猪骨髓基质细胞(BMSCs)的分离培养
选3个月龄健康杂交猪，雌雄不限。氯胺酮肌注诱导及静脉推注戊巴比妥钠复合麻醉，于髂骨处抽取骨髓血约4mL，置于不含血清的DMEM培养液中，混勻。2000r/min，离心 20min。弃上清液及漂浮的脂肪，保留界面层及血细胞层。加入含100mL/L胎牛血清的DMEM 培养液，接种于培养皿，于37°C、5%C02饱和湿度培养箱原代培养。5d后，全量换液，换掉未贴壁的血细胞。待细胞达到80%左右融合后，用含EDTA的胰酶消化，传代培养，每隔3d 换液，取第2-4代细胞用于实验。2.激光共聚焦显微镜检测细胞黏附和细胞骨架蛋白
钛片高温高压消毒灭菌后，置于6孔板中，接种细胞3 X IO5/孔，37°C、5%0)2条件下分别培养4、8J4h。分组取材料，用预温的IXPBS洗3次，每次Imin ；罗丹明-鬼笔环肽 (1:100稀释，激发光M3nm，红色荧光)染色细胞骨架，湿盒中避光孵育10min，lXPBS洗3 次，每次5min。Hoechst 33342 (1:500稀释，激发光395nm，蓝色荧光)细胞染色，避光孵育10min，lXPBS洗3次，每次5min。滴加封片剂1滴、封片，激光共聚焦显微镜下观察、拍照。随机选择3个不同视野，Image-pro plus 6.0软件计数细胞，计算单个视野平均细胞数量。独立实验重复3次。3.钛表面TW2纳米孔对骨髓基质细胞周期的影响
主要仪器和材料流式细胞仪FACScalibur (Becton Dickinsan，美国);PI/RNase染色试剂(BD公司，美国)。DMEM + 10% FBS培养液、胰酶消化液和磷酸盐缓冲液(PBS)。流式细胞仪检测细胞周期(1)细胞制备取第二代猪骨髓基质细胞用0. 25%胰酶 +0. 01%EDTA消化，计数备用。(2)细胞接种于材料钛片高温高压消毒灭菌后置于6孔板中， 接种细胞3 X IO5/孔，37°C，5%C02条件下培养24hr。分组取材料，收集细胞1 X 106/ml，预冷 PBS洗2次。(3)用PBS稀释乙醇至70%浓度，加入lml，4°C过夜固定。(4) PBS洗1次，弃尽液相。(5)加入400 μ 1 PI/RNase Staining Buffer,避光孵育15min。(6)流式细胞仪检测，使用488nm激发光，Cellquest软件收细胞至10000个，ModFitLT软件分析细胞周期。4.电子扫描显微镜观察材料表面细胞铺展和形态
钛片高温高压消毒灭菌后，置于6孔板中，接种细胞5 X IO4个/mL。置于培养箱中培养他(培养条件37°C、5% CO2及100%湿度)。到达预定时间，钛片上的细胞密度约30%。 取出钛片，用PBS溶液清洗去除未黏附的细胞。4%戊二醛固定液固定钛片上的细胞。用系列梯度乙醇(30 %、50 %、70 %、90 %、95 % )在室温下分别脱水10 min,再用100 %乙醇在室温下脱水10 min0采用六甲基二硅胺烷(圓此)干燥法进行干燥。首先用HMDS-乙醇溶液 (ν/ν :1:2、1:1、2:1)各浸泡10 min，再用纯HMDS浸泡10 min。采用真空蒸镀金膜技术，对纳米化纯钛表面喷金，然后在电子扫描显微镜下观察、摄像记录。Image-proplus 6.0软件分析单个细胞的平均铺展面积。4.统计学处理
使用SAS 6. 12软件包对数据进行t检验，P<0. 05为差异有显著性。二、实验结果
1.钛表面TiO2纳米孔对BMSCs黏附的影响
图7显示了 BMSCs在处理组和对照组钛表面接种4h和他后的细胞黏附情况。随机选择3个不同视野，Image-pro plus 6.0软件计数细胞。4h时2组钛片上单个视野平均细胞数处理组为(60. 67士 1. 15)个，对照组为(50. 33士 1. 53)个；处理组钛片上的细胞黏附数是对照组的1.21倍(丨=9.347沖=0.001)。8h时2组钛片上单个视野平均细胞数处理组为(76. 33士 1. 53)个，对照组为(66. 67士0. 58)个；处理组钛片上的细胞黏附数是对照组的1.15倍(t=0. 253，P=O. 001)。接种4h和他后，处理组钛片的细胞黏附数均显著大于对照组。2.钛表面TW2纳米孔对骨髓基质细胞增殖的影响
图8显示了骨髓基质细胞在处理组(TW2纳米孔表面)和对照组(未处理纯钛表面)接种Mhr后的增殖情况，每个样品至少拍照3个视野，采用统计分析软件计数。骨髓基质细胞接种Mhr后，处理组钛片表面的细胞数量大于对照组，是对照组的1. 27倍( =13. 5680， P= 0. 0002)。3.钛表面T^2纳米孔对骨髓基质细胞周期的影响
图9显示了流式细胞仪检测骨髓基质细胞接种于处理组钛片(11 纳米孔)和对照组钛片Mhr后细胞周期分析结果。处理组中，G0/G1期细胞百分率为71. 45%，S期细胞百分率为20. 22%，G2/M期细胞百分率为8. 33%。对照组中，G0/G1期细胞百分率为69. 88%，S期细胞百分率为20. 76%，G2/M期细胞百分率为9. 36%。细胞周期比例在两组中没有明显统计学差异。4.骨髓基质细胞在T^2纳米孔修饰钛表面的生长形态
图10-12显示了电子扫描显微镜观察BMSCs接种8hr后的细胞黏附、铺展形态。处理组表面细胞呈扁平状、多边形铺展(图10)，向多个方向伸出细长、十分丰富的胞突(图11)， 提示BMSCs与处理组材料表面纳米结构结合牢固，不易脱落。对照组表面细胞多呈三角形、 梭形或圆形铺展(图10)，细胞胞突较少且粗短(图11)。Image-pro plus 6.0软件分析3个不同视野单个细胞的平均铺展面积(图12) 处理组为(203. 67士 11. 94)像素，对照组为(151. 00士5. 57)像素；处理组单个细胞平均铺展面积显著大于对照组，是对照组的1. 35倍(t=8. 421，P=O. 001)。5.激光共聚焦显微镜观察骨髓基质细胞骨架蛋白
图13显示了骨髓基质细胞培养48hr后通过罗丹明-鬼笔环肽染色细胞骨架后的激光扫描共聚焦显微镜的图像。处理组中，细胞骨架蛋白粗大，沿细胞长轴有规律的分布，铺展面积较大，向远处伸出胞突。在对照组中，细胞骨架蛋白细小，在细胞内分布为多方向，铺展面积较小。具有TiA纳米孔表面的钛板能够使骨髓基质细胞更好的黏附和增殖，细胞在材料表面铺展面积较大，铺展形态较好，说明TiO2纳米孔表面修饰的纯钛材料与骨髓基质细胞具有较好的生物相容性，具备作为植入材料的特性要求。实施例4钛表面T^2纳米孔对成纤维细胞黏附、增殖和形态的影响
在实施例3中，检测了钛表面T^2纳米孔对骨髓基质细胞的黏附、增殖以及形态的影响，证明该材料有利于骨髓基质细胞的黏附与生长。而成纤维细胞也是研究植入体材料与组织细胞之间相互作用的另一类常见的细胞，实施例4以成纤维细胞为研究对象，检测钛表面TW2纳米孔对该类细胞的黏附、增殖以及形态的影响，从而获得TiO2纳米孔修饰的纯钛材料与细胞之间相互作用的更加全面的体外实验结果。1.钛表面TiA纳米孔对成纤维细胞黏附的影响
图14显示了成纤维细胞NIH/3T3细胞在处理组(TiA纳米孔表面)和对照组(未处理纯钛表面)接种4hr和Shr后的黏附情况，每个样品至少拍照3个视野，采用统计分析软件计数，根据统计结果绘制柱状图(图15)。NIH/3T3细胞接种4hr时，处理组钛片上的细胞黏附率与对照组没有差异(i=2. 5000,/^=0. 0668)；而接种Shr时，处理组钛片上黏附的细胞数量明显少于对照组，对照组钛片的细胞黏附率是处理组的3. 35倍(i=25. 8094,/^=0. 0000)。2.钛表面TW2纳米孔对成纤维细胞增殖的影响
图16显示了成纤维细胞NIH/3T3在处理组(TW2纳米孔表面)和对照组(未处理纯钛表面)接种Mhr后的增殖情况，每个样品至少拍照3个视野，采用统计分析软件计数，根据统计结果绘制柱状图(图17)。NIH/3T3细胞接种Mhr后，对照组钛片表面的细胞数量明显大于处理组，是处理组的5. 51倍( =74. 9533，P= 0. 0000)。3.钛表面T^2纳米孔对成纤维细胞周期的影响
图18显示了流式细胞仪检测ΝΙΗ/3Τ3细胞接种于处理组钛片(TW2纳米孔)和对照组钛片Mhr后细胞周期分析结果。处理组Gl期细胞比率为97. 57%，S期2. 43% ；而对照组Gl 期细胞比率为51. 71%，S期48. 29%0处理组钛片对ΝΙΗ/3Τ3细胞产生了明显抑制DNA合成作用，进而对细胞增殖产生了抑制作用。4.成纤维细胞在TiO2纳米孔修饰钛表面的生长形态
图19-21显示了扫描电子显微镜观察OTH/3T3细胞接种8hr时的细胞黏附、铺展形态。 处理组和对照组的细胞呈梭形、长三角形扁平状铺展(图19)；对照组细胞伪足短且数量较少(图20)。处理组细胞铺展面积较大，软件分析3个不同视野(图21)，处理组单个细胞平均铺展面积是对照组的1. 21倍(图22) ( =3. 2375，/M). 0317)。本实施例通过以上实验方法，检测到成纤维细胞在TW2纳米孔修饰的钛表面黏附初期细胞铺展较好，而接种细胞8hr后细胞的黏附和增殖产生明显的抑制作用，说明钛表面TW2纳米孔结构与成纤维细胞的黏附结合不牢固，且不利于成纤维细胞的生长增殖。钛表面TiA纳米孔对成纤维细胞的作用与钛表面TiA纳米孔促进骨髓基质细胞黏附和增殖的作用相反，说明钛表面TiA纳米孔与骨髓基质细胞的相容性更好，骨髓基质细胞能够先于成纤维细胞大量的黏附于材料表面，并且能够更快地在材料表面增殖。成纤维细胞与骨髓基质细胞比较，其黏附及增殖都处于竞争劣势，该材料应用于牙列缺损或颂骨缺损修复中，可形成牢固骨性结合，有望避免产生纤维包膜。本发明采用了电化学阳极氧化法和化学腐蚀技术对纯钛表面进行纳米修饰，通过细胞体外培养和检测手段评价其生物学性能，得出结论如下
1、本发明前期通过实验研究了不同条件下制备的不同空间纳米孔对细胞的粘附增殖等生物学行为的影响后，确定利用本发明中电化学阳极氧化法和化学腐蚀条件在钛表面能制备出特定尺度和形貌的TiO2纳米孔层阵列结构。孔径为20-25nm，孔深度约为8-12nm， 纳米结构分布均勻；
2、钛表面形成的TW2纳米孔层阵列结构亲水性得到提高，有利于血液相容性的改
.、1· 口 ，
3、钛表面T^2纳米孔层阵列结构对骨髓基质细胞的黏附、铺展和增殖起到促进作用；
4、TiO2纳米孔层阵列结构对NIH/3T3成纤维细胞的黏附和增殖能产生显著的抑制作用。5、电化学阳极氧化法结合化学腐蚀在钛表面制备的T^2纳米孔层阵列结构有良好的体外生物相容性，该实验应用的技术是一种有应用前景的钛表面纳米结构修饰方法。本发明的优点在于
(1)在研究过程中，创新性的采用了阳极氧化法在纯钛片表面生长二氧化钛纳米管阵列，之后采用特定配比的腐蚀液对钛片材料进行腐蚀，达到降低纳米管的高度的目的，使之成为具有特定深宽比，排列均勻的纳米孔阵列。实验结果表明，对钛片表面进行如上所述纳米级修饰后，以骨髓基质细胞(BMSCs)作为研究对象，该纳米孔形貌有利于骨髓基质细胞的粘附、增殖，并且可以诱导骨髓基质干细胞向成骨细胞分化，具有较好的生物相容性，大大提高种植体的性能，有望在临床上得到进一步应用。(2)本实验细胞生物学发现，本发明所使用方法制备的纳米孔结构有利于骨髓基质细胞的粘附增殖，而不利于成纤维细胞的粘附增殖，可使种植体与软组织接触的界面中成纤维细胞比例下降，而胶原成分比例增高，而这种结缔组织“屏障”结构可有效阻止上皮细胞及成纤维细胞向骨-种植体界面方向移动，从而保持种植体周围软组织的稳定，可以极大提高种植体成功率。骨量不足时限制种植体应用的一个主要障碍，引导骨再生技术很大程度上解决这一难题，其核心是生物屏障膜对组织中成纤维细胞形成阻挡，而本发明中的纳米孔形貌本身抑制成纤维细胞在其表面粘附增殖，可形成“天然屏障”，将极大提高手术成功率
(3)具有TW2纳米孔表面修饰的纯钛材料与BMSCs结合良好，且具有较好的生物相容性。利用电化学阳极氧化法结合特定腐蚀技术对钛片表面进行纳米级修饰，制备T^2纳米孔的方法工艺简单，操作方便，成本低廉，工艺流程短，是一种较有前景的种植材料表面形貌的修饰方法。(4)应用
为了进一步改善钛等人体金属植入物(如牙种植体、骨种植体、固定板、固定钉)的生物相容性，增强骨整合能力，满足机体硬组织修复的严格要求，提高牙种植的成功率，常常对钛或钛合金进行表面改性。在钛表面用阳极氧化法制备TW2纳米管的方法已经有研究报道，有体外研究证明，采用电化学阳极氧化法在钛表面制备特定尺度和形貌的TiO2纳米管层，能够不同程度地影响钛植入体表面成骨细胞黏附、增殖与分化能力，但是钛表面所形成纳米管结构容易脱层，并且不具备良好的机械加工性能，本发明中表面修饰TW2纳米孔层的钛种植体在有效克服“纳米管”的缺点的同时保留“纳米孔”的纳米结构，在以其制作工艺简单方便、成本低廉的优势，成为很有应用前景的种植体材料。实施例5
本课题组已在中国专利文献CN101792923A公开了一种钛片表面纳米尺度粗糙化的方法，通过钛片制备二氧化钛纳米管阵列，再腐蚀钛片得到纳米尺度粗糙化表面。该发明为前期实验中对钛片表面纳米尺度粗糙化的方法，制备得到的表面二氧化钛纳米孔阵列的孔径为50nm左右，深宽比约在0. 5到1之间。但并没有对粗糙化的钛片表面进行细胞生物学实验，只提供了表面的扫描电镜和原子力显微镜照片。然而，不同的电解时间及不同腐蚀时间将在钛表面产生不同孔径及孔深的纳米孔形貌，而在后期实验中对一系列不同孔径钛表面T^2纳米孔进行了系统的细胞生物学相容性检测，发现只有在本发明特定制备条件下产生的钛表面T^2纳米孔形貌有利于骨髓基质细胞的粘附增殖，而不利用成纤维细胞的粘附增殖，这种特性是骨内种植体在动物体内将有利于形成骨结合，避免纤维结合，大大提高种植体的性能，使其具有较好的生物相容性，可以广泛应用于制备人体金属植入物，如牙种植体、骨种植体、固定板、固定钉。因此根据专利CN101792923A公开的内容和公知常识，本领域的技术人员不可能显而易见的得到本发明的技术方案。本课题组成员张梅等研究了钛表面TiO2纳米孔层阵列结构对骨髓基质细胞(bone marrow stromal cells, BMSCs)的黏附、铺展形态等生物学特性的影响，采用电化学阳极氧化法和化学腐蚀技术，在纯钛表面制备出特定尺度和形貌的T^2纳米孔层阵列结构， 以猪BMSCs为研究对象，应用激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等技术检测细胞黏附、 铺展形态和骨架蛋白排列等生物学特性，证明阳极氧化法和化学腐蚀技术制备的钛表面 TiO2纳米孔层阵列结构对BMSCs的黏附、铺展等生物学行为起到显著的促进作用。(详见张梅，等.钛表面TiO2纳米孔对骨髓基质细胞黏附和铺展的影响[J].上海口腔医学，2009，18(5) :493-498.)该文献中公开了采用阳极氧化法和化学腐蚀技术制备钛表面 TiO2纳米孔层阵列结构，制备方法为“以钛片作为阳极，钼电极为阴极，在由乙二醇、去离子水和NH4F配制的电解液中，60V电压阳极氧化池。然后将阳极氧化处理后的钛片放入 50mL专用腐蚀液内，腐蚀20min;将得到的样品冲洗干净，浸泡在去离子水内，每隔Ih换水1次，重复3次”(参见该文献第494页右侧第一段)。该文献中虽然也是采用阳极氧化法和化学腐蚀技术两步来制备钛表面TW2纳米孔层阵列结构，但是在阳极氧化法的步骤中，只公开了电解液的成分，电压和阳极氧化时间，但没有公开电解液中各成分的配比，而在阳极氧化法制备TW2纳米管阵列的过程中，电解液的组成配比和性质对Ti的氧化和TW2的溶解有着重要作用，是决定TW2纳米管形貌最主要的因素，不同的电解液的配方得到的纳米管的长度、管壁厚度和粗糙程度都有很大差别；其次，该文献中只提到了“将阳极氧化处理后的钛片放入50mL专用腐蚀液内”，并没有公开腐蚀液的成分、配比和具体的制备方法；另外，该文献中公开的阳极氧化时间及腐蚀时间不同，导致产生的纳米管长度及纳米孔的孔宽及孔深不同，阳极氧化及腐蚀时间的差异是决定最终的TW2纳米孔的结构特征的最关键因素。综合以上几点，根据该文献公开的内容以及公知常识，本领域的技术人员不经过创造性的劳动，不可能显而易见的得到本发明的技术方案。钛表面不同孔径及孔深纳米孔结构对骨髓基质干细胞及成骨细胞生物学行为产生不同影响，经本课题组对一系列钛表面不同孔径纳米孔刻蚀处理后进行检测发现，本发明中说明的孔径利于骨髓基质干细胞及成骨细胞明显粘附优于本课题组先前处理所得 30nm 及 50nm 孔径(图 23)。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种钛表面刻蚀TiO2纳米孔阵列结构在制备人体金属植入物中的应用，其特征在于，所述的人体金属植入物为牙种植体、骨种植体、固定板、固定钉，所述的结构是在纯钛或钛合金表面制备得到的TiA纳米孔阵列结构，所述的纳米孔的孔径为20-25nm，孔的深度为 8-12nm，深宽比约为0. 3-0. 45，纳米孔结构分布均勻。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述结构的制备方法包括，应用阳极氧化法制备TW2纳米管阵列和化学腐蚀技术制备TW2纳米孔，所述的阳极氧化法制备TW2纳米管阵列的步骤包括1)纯钛或钛合金，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10-20 分钟，干燥后备用；2)分别量取98ml乙二醇、2. 5ml 2wt%的去离子水和0. 335g 0. 3wt% 的NH4F配制电解液，缓慢搅拌5-15分钟；3)保持20°C恒温，以钛作为阳极，钼电极为阴极， 在20V电压下阳极氧化100-110分钟；4)将制得的材料样品分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗6-8分钟，干燥备用即可。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述的化学腐蚀技术制备T^2纳米孔的步骤包括1)采用25%氨水、30%双氧水及去离子水按1:1:5的摩尔比配置腐蚀液；2)将腐蚀液加热到70°C，并保温1至2分钟；3)将权利要求2制备的已生长完TW2纳米管阵列的钛材料放入腐蚀液内，腐蚀25-30分钟；4)把处理过的样品取出，用流动的去离子水冲洗5 分钟后，去离子水中浸泡，每隔1小时换水一次，重复三次。
4.一种钛表面刻蚀T^2纳米孔阵列结构，其特征在于，所述的结构是在纯钛或钛合金表面制备得到TiO2纳米孔阵列结构，所述的纳米孔的孔径为20-25nm，孔深度为8-12nm，深宽比约为0. 3-0. 45，纳米结构分布均勻。
5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述的结构的制备方法包括应用阳极氧化法制备TW2纳米管阵列和化学腐蚀技术制备TW2纳米孔，所述的阳极氧化法制备TW2 纳米管阵列的步骤包括1)纯钛或钛合金，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗 10-20分钟，干燥后备用；2)分别量取98ml乙二醇、2. 5ml 2wt%的去离子水和0. 335g 0. 3wt%的NH4F配制电解液，缓慢搅拌5-15分钟；3)保持20°C恒温，以钛作为阳极，钼电极为阴极，在20V电压下阳极氧化100-110分钟；4)将制得的材料样品分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗6-8分钟，干燥备用即可。
6.根据权利要求5所述的结构，其特征在于，所述的化学腐蚀技术制备T^2纳米孔的步骤包括1)采用25%氨水、30%双氧水及去离子水按1:1:5的摩尔比配置腐蚀液；2)将腐蚀液加热到70°C，并保温1至2分钟；3)将权利要求2制备的已生长好的TW2纳米管阵列的钛材料放入腐蚀液内，腐蚀25-30分钟；4)把处理过的样品取出，用流动的去离子水冲洗 5分钟后，去离子水中浸泡，并每隔1小时换水一次，重复三次。
7.—种钛表面刻蚀TiO2纳米孔结构的制备方法，其特征在于，所述的结构的制备方法包括在纯钛或钛合金表面应用阳极氧化法制备TW2纳米管阵列和化学腐蚀技术制备TiO2 纳米孔，所述的阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列的步骤包括1)纯钛或钛合金，分别用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10-20分钟，干燥后备用；2)分别量取98ml乙二醇、 2. 5ml 2wt%的去离子水和0. 335g 0. 3wt%的NH4F配制电解液，缓慢搅拌5_15分钟；3)保持20°C恒温，以钛作为阳极，钼电极为阴极，在20V电压下阳极氧化100-110分钟；4)将制得的材料样品分别在无水乙醇和去离子水中超声清洗6-8分钟，干燥备用即可。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述的化学腐蚀技术制备T^2纳米孔的步骤包括1)采用25%氨水、30%双氧水及去离子水按1:1:5的摩尔比配置腐蚀液；2) 将腐蚀液加热到70°C，并保温1至2分钟；3)将权利要求2制备的已生长好的TW2纳米管阵列的钛材料放入腐蚀液内，腐蚀25-30分钟；4)把处理过的样品取出，用流动的去离子水冲洗5分钟后，去离子水中浸泡，并每隔1小时换水一次，重复三次。
全文摘要
本发明涉及一种纯钛及钛合金(以下统称为钛)表面刻蚀TiO2纳米孔阵列形貌在制备人体金属植入物中的应用，所述的人体金属植入物为牙种植体、骨种植体、固定板和固定钉，所述的形貌是在钛表面制备得到TiO2纳米孔阵列结构。本发明还提供这种形貌的优化制备方法。本发明优点在于可以在常温、常压条件进行；制备TiO2纳米孔阵列规整有序，方法工艺相对简单，操作方便，成本低廉，工艺流程短。本发明制备的钛表面纳米孔阵列结构对不同种类细胞具有“选择性效应”，可极大提高种植体的成功率；本发明中的纳米孔阵列结构本身可抑制成纤维细胞在其表面的粘附和增殖，将极大地提高骨、牙种植手术和骨内固定手术的成功率；本发明是一种非常有临床应用前景的骨种植材料和骨固定材料表面形貌的修饰方法。
文档编号A61L27/06GK102552977SQ20121001649
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者严明, 孙强, 张梅, 徐骎, 陈万涛, 陈姗姗, 黄其煜 申请人:上海交通大学医学院附属第九人民医院