一种牙科种植体及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种牙科种植体及其制备方法，所述牙科种植体包括钛基材及其表面原位形成的蜂巢状纳米氧化钛膜层致使所述牙科种植体表面形成蜂巢状纳米形貌，其中所述蜂巢状纳米氧化钛层的氧含量随膜层厚度增加而递减，逐渐过渡至所述钛基材。本发明在钛基材表面原位形成蜂巢状纳米氧化钛膜层以在所述牙科种植体表面形成蜂巢状纳米形貌，其中蜂巢状纳米氧化钛膜层薄、强度较好，且与钛基材无明显分层，结合牢固，而且规则的纳米结构能够有效加强骨髓间充质干细胞在种植体表面的粘附、碱性磷酸酶活性和成骨相关基因的表达，体现优良的骨向分化诱导能力，从而提高牙科种植体的长期稳定性和成功率。
【专利说明】一种牙科种植体及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及牙科种植体材料领域，特别涉及一种表面蜂巢状纳米图案牙科种植体及其制备方法。
【背景技术】[0002]随着社会生活水平的提高和人口老龄化的日趋严重，牙科修复及其整形外科手术的数量呈现持续增长趋势。由于牙科种植技术是修复牙列缺损或缺失的重要方法之一，牙科种植体的发展得到重点关注。对种植体表面改性被证明是一种有效促进骨整合及提高种植体成功率的方法，同时研究表明种植体表面的纳米结构，如纳米管状表面形貌可以促进成骨细胞的附着和功能表达，还能对人牙龈成纤维细胞的粘附，增殖和蛋白，基因表达具有显著的促进作用(Acta Biomaterialia2011,7(l):2686-2696.)。因此，对牙种植体进行表面纳米化改性是进一步提高种植体功效的有效方式。
[0003]然而，牙科种植体植入口腔后因咀嚼作用，所承受的应力情况复杂，作用力大，受力部位不均匀且作用时间长，种植体表面制备的纳米涂层或薄膜因这种不规则应力的作用会产生破裂和脱落溶解，往往会导致种植体松动和失效，最终造成骨整合失败。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术中牙种植体表面纳米改性涂层或薄膜的膜层强度低，膜与基体结合强度不佳，应力作用疲劳损坏等问题，本发明的目的在于提供一种表面为原位生长的蜂巢状纳米氧化钛膜层的牙科种植体及其制备方法，从而增强膜层强度以及膜与基体结合强度，并加强骨髓间充质干细胞在种植体表面的粘附、碱性磷酸酶活性和成骨相关基因的表达，增强骨向分化诱导能力，从而提高牙科种植体的长期稳定性和成功率。
[0005]在此，一方面，本发明提供一种牙科种植体，所述牙科种植体包括钛基材及其表面原位形成的蜂巢状纳米氧化钛膜层致使所述牙科种植体表面形成蜂巢状纳米形貌，其中所述蜂巢状纳米氧化钛层氧含量随膜层厚度增加而递减，逐渐过渡至所述钛基材。
[0006]本发明在钛基材表面原位形成蜂巢状纳米氧化钛膜层以在所述牙科种植体表面形成蜂巢状纳米形貌，其中蜂巢状纳米氧化钛膜层薄、强度较好，且与钛基材无明显分层，结合牢固，从而所述牙科种植体在植入口腔后，能承受较大情况复杂的作用力而不会破裂和溶解脱落，而且规则的纳米结构能够有效加强骨髓间充质干细胞在种植体表面的粘附、碱性磷酸酶活性和成骨相关基因的表达，体现优良的骨向分化诱导能力，从而提高牙科种植体的长期稳定性和成功率。
[0007]较佳地，所述蜂巢状纳米氧化钛膜层的厚度为25~35nm。
[0008]较佳地，所述钛基材为医用钛或钛合金。
[0009]另一方面，本发明还提供一种制备上述牙科种植体的方法，包括:
(I)对钛基材牙科种植体进行阳极氧化处理以在表面原位氧化，从而制得表面形成有氧化钛纳米管薄膜的钛基材牙科种植体；以及(2)以所述表面形成有氧化钛纳米管薄膜的钛基材牙科种植体为阴极进行电解以使所述氧化钛纳米管薄膜从基体表面脱落，从而制得表面为蜂巢状纳米氧化钛膜层的牙科种植体。
[0010]本发明通过两步电解即可获得原位形成的具有规则的纳米结构(蜂巢状)的氧化钛膜层，从而增强膜层强度以及膜与基体结合强度，而且规则的纳米结构能够有效加强骨髓间充质干细胞在种植体表面的粘附、碱性磷酸酶活性和成骨相关基因的表达，体现优良的骨向分化诱导能力，从而提高牙科种植体的长期稳定性和成功率。
[0011]较佳地，所述阳极氧化所采用的电解液为含0.1~1.0wt%氟化氨和I~10vol%水的乙二醇溶液。
[0012]较佳地，所述阳极氧化恒压直流方式，工作电压为20~80V，氧化时间为I~96小时，反应温度为室温。
[0013]较佳地，所述阳极氧化的工作电压为40~60V，氧化时间为I~3小时。
[0014]较佳地，在步骤(2)中，所述电解采用恒压直流方式，电压为2~5V，通电时间为3~10分钟，反应温度为室温。
[0015]较佳地，在步骤(2)中，所述电解采用的电解液为0.5~2mol/L的稀硫酸溶液。
[0016]本发明步骤简单，成本低廉，在短时间内即可得到表面为原位形成的蜂巢状纳米氧化钛膜层的牙科种植体。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是 本发明一个示例中预处理后的牙科种植体表面形貌图；
图2是经本发明第一步恒压直流阳极氧化处理牙科种植体得到的氧化钛纳米管薄膜表面形貌图；
图3是本发明一个示例的牙科种植体的表面形貌图，插图为图案形貌的逐级放大倍率
图；
图4是本发明一个示例的牙科种植体表面蜂巢状纳米图案薄层的钛、氧含量随深度分布曲线图；
图5是大鼠骨髓间充质干细胞分别在纯钛对照组(a)和纳米图案实验组(b)表面培养4h的细胞核(I)和细胞骨架(2)荧光染色图片；
图6是纯钛对照组和纳米图案实验组表面大鼠骨髓间充质干细胞培养7天的碱性磷酸酶活性结果；
图7是纯钛对照组和纳米图案实验组表面大鼠骨髓间充质干细胞培养7天的骨钙素(0CN)、骨桥蛋白(0ΡΝ)、转录因子(Runx2)和骨形态发生蛋白(BMP2)的基因聚合酶链反应分析结果。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
[0019]图3示出本发明一个示例的牙科种植体的表面形貌图，参照图3，本发明一个示例的牙科种植体包括钛基材及其表面原位形成的蜂巢状纳米氧化钛膜层致使所述牙科种植体表面形成蜂巢状纳米形貌。从图3中的逐级放大倍率图可以观察到所述牙科种植体表面形成的蜂巢状纳米形貌。
[0020]图4示出本发明一个示例的牙科种植体表面蜂巢状纳米图案薄层经光电子能谱检测得到的钛、氧含量随深度分布曲线图，从图中可看出蜂巢状纳米图案化学组成为氧化钛，表面钛(Ti):氧(O)比例为1:2，随深度增加，氧含量逐渐降低，表层氧化钛厚度约为25~35nm。由此可知，蜂巢状纳米氧化钛层的氧含量随膜层厚度增加而递减，逐渐过渡至所述钛基材。且说明纳米图案膜层极薄，与基体无明显分层，结合强度高。
[0021]在一个示例中,钛基材可以采用医用钛或钛合金。
[0022]本发明选用医用纯钛或钛合金加工成牙科种植体，并采用恒压直流阳极氧化工艺在牙科种植体表面原位氧化生成氧化钛纳米管薄膜，然后采用电化学方式致生成的纳米管薄膜从基体表面完全脱落，获得表面为蜂巢状纳米图案的牙科种植体。
[0023]作为示例，本发明的制备上述牙科种植体的方法可以采用以下步骤。
[0024]( I)牙科种植体基体的制备
选用钛基材(例如医用纯钛或钛合金)加工成牙科种植体基体，可以采用的常用加工方法，在此不进行详述，应理解，只要能制得牙科种植体基体的加工方法均包含于本发明中。然后对牙科种植体进行表面抛光、清洗预处理。同样地，对钛基材的抛光和清洗处理并不特别限定，可以采用公知的方法，而且该预处理也不是本发明所必需的。预处理后的牙科种植体的表面形貌可以参见图1， 从图可见，牙种植体表面没有明显的微结构。
[0025](2)阳极氧化电解液的配制
采用的电解液可为氟化氨的乙二醇溶液，含有少量的水，其中的氟化氨的质量百分比可为0.1~1.0%，水的体积百分比可为1.0~10%。例如，可采用含0.25wt%氟化铵，lvol%水的乙二醇溶液作为电解液。
[0026](3)阳极氧化
采用电解方式对牙科种植体基体进行阳极氧化处理。以牙科种植体基体为阳极，而阴极并不特别限定，例如可以采用石墨电极或者钼片电极，放入步骤(2)配制的电解液中进行电解。优选采用恒压直流方式进行电解。工作电压可为20~80V，氧化时间可为I~96小时，反应温度可为室温。在一个优选的不例中，工作电压为40~60V,氧化时间为I~3小时，例如工作电压为60V，氧化时间为I小时。通过反应条件的控制，可以调控氧化钛纳米管薄膜的形貌、尺寸等。通过阳极氧化，可以对牙科种植体基体的表面原位氧化，从而制得表面形成有氧化钛纳米管薄膜的钛基材牙科种植体。该氧化钛纳米管薄膜的表面形貌图可以参见图2，从图可见，牙科种植体表面呈现规则的纳米管形貌。
[0027](4)电化学方式脱膜的电解液的配制
以水为溶剂，优选以去离子水为溶剂，配置0.5~2mol/L的稀硫酸溶液，例如lmol/L的稀硫酸溶液。
[0028](5)电化学方式脱膜
使用电化学方式致生成的纳米管薄膜从基体表面脱落。以表面形成有氧化钛纳米管薄膜的钛基材牙科种植体为阴极，而阳极并不特别限定，例如可以采用石墨电极或者钼片电极，放入步骤(4)配制的电解液中进行电解。优选采用恒压直流方式进行电解。工作电压可为2~5V,例如为5V,通电时间可为3~10分钟,例如为3分钟,反应温度可为室温。通过该步电解，牙科种植体表面的氧化钛纳米管薄膜从基体表面脱落，脱落后钛基材表面呈现蜂巢状纳米氧化钛膜层，从而在牙科种植体表面形成蜂巢状纳米形貌，即获得本发明的牙科种植体。图3示出本发明一个示例的牙科种植体的表面形貌图，从其中的逐级放大倍率图可以观察到所述牙科种植体表面形成的蜂巢状纳米形貌。又，图4示出本发明一个示例的牙科种植体表面蜂巢状纳米图案薄层经光电子能谱检测得到的钛、氧含量随深度分布曲线图，从图中可看出蜂巢状纳米图案化学组成为氧化钛，表面钛(Ti):氧(O)比例为1:2，随深度增加，氧含量逐渐降低，表层氧化钛厚度约为25~35nm。由此可知，蜂巢状纳米氧化钛层的氧含量随膜层厚度增加而递减，逐渐过渡至所述钛基材。且说明纳米图案膜层极薄，与基体无明显分层，结合强度高。
[0029]<生物活性测试>
选取纯钛作为对照组，本发明的牙科种植体为实验组，将大鼠骨髓间充质干细胞种在样品表面，在潮湿的CO2培养箱中37°C下培养。
[0030]培养4小时后的细胞核和细胞骨架荧光染色图片如图5所示，其中图a-Ι和b_l是对照组的细胞核和细胞骨架荧光染色图片，图a-2和b-2是实验组的细胞核和细胞骨架荧光染色图片。与图a-Ι和b-1的细胞核染色图片对比，可观察到纳米图案牙种植体表面粘附的细胞数量较多。从图a-2和b-2中可发现，纳米图案种植体表面细胞具有明显的拉伸形态和较多的丝状伪足伸展，说明蜂巢状纳米图案形貌能刺激骨髓间充质干细胞的粘附和迁移以及丝状伪足的生长。
[0031]培养7天的碱性磷酸酶活性结果如图6所示。碱性磷酸酶是细胞成骨分化过程的产物，常用于说明细胞的成骨活性。图中可见，经过7天的培养，纳米图案种植体表面细胞的碱性磷酸酶活性显著高于纯钛对照组，表明纳米形貌有利于细胞的成骨分化。
[0032]培养7天的骨钙素(0CN)、骨桥蛋白(0ΡΝ)、转录因子(Runx2)和骨形态发生蛋白(BMP2)的基因聚合酶链反应分析结果如图7所示。0CN、0ΡΝ, Runx2和BMP2是细胞成骨分化过程的重要标记物，可用于表征细胞的成骨分化。图中显示纳米图案实验组的四项指标均显著高于纯钛对照组，说明了纳米图案种植体具有良好的诱导骨髓间充质干细胞的成骨分化能力。
[0033]由上可知，经本发明的工艺处理后的牙种植体表面，是一种具有蜂巢状纳米图案的表面，其特征为极薄的纳米膜层，呈现蜂巢状规则图案。规则的纳米结构能有效增强培养的干细胞在植入体表面的粘附、碱性磷酸酶活性和相关成骨基因的表达，体现良好的骨向分化诱导能力，从而提高牙科种植体的长期稳定性和成功率。
[0034]下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体浓度、电压、时间等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
[0035]实施例1
(1)选用纯钛加工成牙科种植体；
(2)将种植体表面抛光后，依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗30分钟，获得洁净均匀表面；(3)配制阳极氧化电解液:乙二醇为溶剂，配制0.25%氟化氨和1%纯水的乙二醇溶液；
(4)阳极氧化法制备规则氧化钛纳米管薄膜:采用恒压直流阳极氧化技术，牙科种植体为阳极，石墨电极或者钼片电极为阴极，放入前一步骤配制的电解液内；工作电压为50V，氧化时间为2小时,反应温度为室温；
(5)配制电化学方式脱膜的电解液:去离子水为溶剂，配制浓度为lmol/L的稀硫酸溶
液；
(6 )应用电化学方式致生成的纳米管薄膜从基体上完全脱落。恒压直流方式，种植体为阴极，石墨电极或者钼片电极为阳极，放入前一步骤配制的电解液内，具体工艺参数为:电压为5V，通电时间为5分钟，反应温度为室温；
(7)清洗，干燥后，即可获得本发明牙科种植体。
[0036]图1为经步骤(2)得到的牙科种植体表面形貌图。从图可见，牙种植体表面没有明显的微结构；
图2是经步骤(4)得到的氧化钛纳米管薄膜表面形貌图。经过阳极氧化处理，牙种植体表面呈现规则的纳米管形貌；
图3是最终获得的牙科种植体表面形貌图。经过逐级放大，可以观察到牙科种植体表面的蜂巢状纳米图案形貌；
图4是牙科种植体表面蜂巢状纳米图案薄膜表面光电子能谱检测得到的钛，氧含量随深度分布曲线图。横坐标为深度，纵坐标为原子百分比浓度。从图中可看出蜂巢状纳米图案化学组成为氧化 钛，表面钛(Ti):氧(O)比例为1:2，随深度增加，氧含量逐渐降低，表层氧化钛厚度约为28nm。说明纳米图案膜层极薄，与基体结合强度高。
[0037]按上文所述的方法进行生物活性测试，测试结果参见图5、6、7:
图5为纯钛对照组和纳米图案牙种植体实验组的大鼠骨髓间充质干细胞培养4小时的细胞核和细胞骨架荧光染色图片。对比图a-Ι和b-1的细胞核染色图片，可观察到纳米图案牙种植体表面粘附的细胞数量较多。从图a-2和b-2中可发现，纳米图案种植体表面细胞具有明显的拉伸形态和较多的丝状伪足伸展，说明蜂巢状纳米图案形貌能刺激骨髓间充质干细胞的粘附和迁移以及丝状伪足的生长；
图6是纯钛对照组和纳米图案牙种植体实验组的大鼠骨髓间充质干细胞培养7天的碱性磷酸酶活性结果。碱性磷酸酶是细胞成骨分化过程的产物，常用于说明细胞的成骨活性。图中可见，经过7天的培养，纳米图案种植体表面细胞的碱性磷酸酶活性显著高于纯钛对照组，表明纳米形貌有利于细胞的成骨分化；
图7是纯钛对照组和纳米图案牙种植体实验组的大鼠骨髓间充质干细胞培养7天的骨钙素(0CN)、骨桥蛋白(0ΡΝ)、转录因子(Runx2)和骨形态发生蛋白(BMP2)的基因聚合酶链反应分析结果。0CN、0PN、Runx2和BMP2是细胞成骨分化过程的重要标记物，可用于表征细胞的成骨分化。图中显示纳米图案实验组的四项指标均显著高于纯钛对照组，说明了纳米图案种植体具有良好的诱导骨髓间充质干细胞的成骨分化能力。
[0038]实施例2
(1)选用医用钛加工成牙科种植体；
(2)将种植体表面抛光后，依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗30分钟，获得洁净均匀表面；(3)配制阳极氧化电解液:乙二醇为溶剂，配制0.25%氟化氨和1%纯水的乙二醇溶液；
(4)阳极氧化法制备规则氧化钛纳米管薄膜:采用恒压直流阳极氧化技术，牙科种植体为阳极，石墨电极或者钼片电极为阴极，放入前一步骤配制的电解液内；工作电压为60V，氧化时间为I小时，反应温度为室温；
(5)配制电化学方式脱膜的电解液:去离子水为溶剂，配制浓度为lmol/L的稀硫酸溶
液；
(6 )应用电化学方式致生成的纳米管薄膜从基体上完全脱落。恒压直流方式，种植体为阴极，石墨电极或者钼片电极为阳极，放入前一步骤配制的电解液内，具体工艺参数为:电压为5V，通电时间为3分钟，反应温度为室温；
(7 )清洗，干燥后，即可获得本发明牙种植体。
[0039]实施例3
(1)选用医用钛加工成牙科种植体；
(2)将种植体表面抛光后，依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗30分钟，获得洁净均匀表面；
(3)配制阳极氧化电解液:乙二醇为溶剂，配制0.25%氟化氨和1%纯水的乙二醇溶液；
(4)阳极氧化法制备规则氧化钛纳米管薄膜:采用恒压直流阳极氧化技术，牙科种植体为阳极，石墨电极或者钼片电极为阴极，放入前一步骤配制的电解液内；工作电压为75V，氧化时间为I小时，反应温度为室温；
(5)配制电化学方式脱膜的电解液:去离子水为溶剂，配制浓度为lmol/L的稀硫酸溶
液；
(6 )应用电化学方式致生成的纳米管薄膜从基体上完全脱落。恒压直流方式，种植体为阴极，石墨电极或者钼片电极为阳极，放入前一步骤配制的电解液内，具体工艺参数为:电压为3V，通电时间为3分钟，反应温度为室温；
(7 )清洗，干燥后，即可获得本发明牙种植体。
[0040]本发明制备的 牙种植体具有极薄的表面纳米膜层，呈现蜂巢状规则图案。规则的纳米结构能够有效加强骨髓间充质干细胞在种植体表面的粘附、碱性磷酸酶活性和成骨相关基因的表达，体现优良的骨向分化诱导能力，从而提高牙科种植体的长期稳定性和成功率，可以应用于牙科种植体材料领域。
【权利要求】
1.一种牙科种植体，其特征在于，所述牙科种植体包括钛基材及其表面原位形成的蜂巢状纳米氧化钛膜层致使所述牙科种植体表面形成蜂巢状纳米形貌，其中所述蜂巢状纳米氧化钛层的氧含量随膜层厚度增加而递减，逐渐过渡至所述钛基材。
2.根据权利要求1所述的牙科种植体，其特征在于，所述蜂巢状纳米氧化钛膜层的厚度为25~35 nm。
3.根据权利要求1或2所述的牙科种植体，其特征在于，所述钛基材为医用钛或钛合金。
4.一种制备权利要求1至3中任一项所述的牙科种植体的方法，其特征在于，包括: (1)对钛基材牙科种植体进行阳极氧化处理以在表面原位氧化，从而制得表面形成有氧化钛纳米管薄膜的钛基材牙科种植体；以及 (2)以所述表面形成有氧化钛纳米管薄膜的钛基材牙科种植体为阴极进行电解以使所述氧化钛纳米管薄膜从基体表面脱落，从而制得表面为蜂巢状纳米氧化钛膜层的牙科种植体。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阳极氧化所采用的电解液为含0.1~1.0界丨％氟化氨和I~10vol%水的乙二醇溶液。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述阳极氧化处理采用恒压直流方式，工作电压为20~80V，氧化时间为I~96小时，反应温度为室温。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述阳极氧化处理的工作电压为40~60V，氧化时间为I~3小时。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述电解采用恒压直流方式，电压为2~5V，通电时间为3~10分钟，反应温度为室温。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述电解采用的电解液为0.5~2mol/L的稀硫酸溶液。
【文档编号】A61C8/00GK103536371SQ201310496987
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】刘宣勇, 钱仕 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所