一种表面掺铷钛材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种表面掺铷钛材料及其制备方法和应用

背景技术：

膝关节骨性关节炎、髋部骨折、脊柱退行性疾病均为发病率较高的骨科疾病，且随着人口老龄化的加剧，导致疾病发生率呈上升、年轻化趋势。钛及其合金因其良好的力学性能、优异的生物相容性和较低的成本被广泛应用于临床骨科领域，如关节置换、脊柱内固定等常用骨折患者治疗方法，均需使用钛材作为骨替换材料。

但钛及其合金作为直接植入体还存在诸如结合强度低、机械性能不匹配等问题。由于钛表面的二氧化钛钝化层不能诱导磷酸盐沉积，使得钛基体与骨间结合仅靠单纯的机械锁合，而不能形成化学键合，从而导致植入后钛基体脱离周围组织或者炎症发生，严重者会使手术失败。针对钛材强度低、机械性能不匹配等问题，已有粒子束辅助沉积法、等离子喷涂技术以及喷砂处理等方法对钛材进行表面改性。但是这些表面改性方法仍存在大量问题尚未解决，如粒子束辅助沉积法存在涂层过薄，而且制备成本昂贵等缺点；等离子喷涂技术存在成本高，而且高温状态下制备出的涂层厚度不均匀，易剥落等缺点；喷砂处理后要清除表面的二氧化硅，这会阻碍植入体与骨组织融合，同时还存在降低植入体耐腐蚀性的缺点。

碱热处理是一种良好的表面改性方法，能够制备出与骨具有高相容性且附着力较高的生物活性涂层，这是其他表面改性方法所无法实现的。通过碱热处理得到的表面改性钛具成本低，有生物活性高，涂层均匀，能有效诱导羟基磷灰石在表面生长，植入后与骨结合紧密，无需后期清理等优势。但是，关节置换和脊柱内固定方法属于入侵式操作，即使经碱热处理后,钛材表面仍存在抗菌性能不足，缺乏局部骨组织整合，使得相关细菌(如金黄色葡萄球菌)感染导致的术后感染率较高。

技术实现要素：

针对现有技术中钛材缺乏抗菌功能，本发明的目的在于提供一种具有优异抗菌功能和生物相容性的表面掺铷钛材料及其制备方法和应用。

为了实现上述目的，本发明提供如下的技术方案：

本发明一种表面掺铷钛材料。

优选的方案，所述表面掺铷钛材料是通过将经碱热处锂的钛材料浸泡于铷盐溶液中反应后再经煅烧获得。

本发明一种表面掺铷钛材料的制备方法，包括如下步骤；将经碱热处锂的钛材料清洗至中性、干燥后浸泡于铷盐溶液中反应，获得铷盐处理的钛材料，将铷盐处理的钛材料于500-750℃煅烧即获得表面掺铷钛材料；

所述铷盐溶液中，铷离子的浓度为1～10mol/l。

在本发明中的技术方案中，先通过对钛材料进行碱热处理，增强钛材料表面的生物活性，再将经碱热处理对掺铷钛材料浸泡于铷盐溶液，与铷离子进行离子交换，再经煅烧使钛材料表面的凝胶状钛酸钠(铷)转换为无水钛酸(钠)铷。且诱导金红石和锐钛矿在表面形成。

发明人发现铷离子的浓度、煅烧的温度对最终所得表面改性的钛材料具有一定的影响，铷离子的浓度有利于保证离子的充份交换，保证掺铷离子的量，当铷离子的浓度小于1mol/l，无法获得充足的离子交换量，影响最终的抗菌功能，但是铷离子浓度大于等于1mol/l，即能获得充足的铷离子交换量。通过实验结果发现，当铷离子的浓度为1～10mol/l时，都能取得100％的抗菌效果。而当铷离子浓度大于10mol/l，掺铷反而变得困难，最终导致抗菌效果下降。

而煅烧的温度直接影响表面涂层的结晶度，涂层结晶度至少应大于60％，高结晶度有利于涂层植入体内后的稳定，并可同时生成金红石和锐钛矿，且金红石型和锐钛矿型tio2均能诱导羟基磷灰石在钛表面沉积形成，但过高的结晶度不利于细胞粘附和生长。

同时，在发明中技术方案中，一些工艺细节也将影响最终的钛材料性能，如碱热处锂的钛材料中，必须先清洗至中性，否则会使钛材料表面因存在大量的钠离子，而影响到铷离子的掺入。

优选的方案，所述铷盐溶液中，铷离子的浓度为1～5mol/l。

作为进一步的优选，所述铷盐溶液中，铷离子的浓度为1～2.5mol/l。

优选的方案，所述经碱热处锂的钛材料与铷盐溶液的固液质量体积比为1:4～10(g:ml)。

作为进一步的优选，所述经碱热处锂的钛材料与铷盐溶液的固液质量体积比为1:5～8(g:ml)。

优选的方案，所述铷盐选自氯化铷、硝酸铷、硫酸铷中的一种。

优选的方案，将经碱热处锂的钛材料清洗至中性、干燥后浸泡于铷盐溶液中于55-75℃反应12-24h，获得铷盐处理的钛材料。

优选的方案，将铷盐处理钛材料于550-700℃煅烧12-24h获得表面掺铷钛材料。

优选的方案，所述钛材料为纯钛或ti-6al-4v。

优选的方案，所述钛材料的碱热处理是指将经打磨处理的钛材料浸泡在1～5mol/l碱溶液中，于55-75℃处理12-24h。

作为进一步的优选，所述打磨处理的钛材料与碱溶液的固液质量体积比为1:4～10(g:ml)。

作为更进一步的优选，所述打磨处理的钛材料与碱溶液的固液质量体积比为1:5～8(g:ml)。

优选的方案，所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锶中的至少一种。

作为进一步的优选，所述碱为氢氧化钠。

优选的方案，所述钛材料的打磨处理是指先将砂纸将钛材料表面打磨至表面具有金属光泽，然后依次用乙醇、丙酮、去离子水进行超声清洗，干燥即获得打磨处理的钛材料。

本发明一种表面掺铷钛材料的应用，将所述表面掺铷钛材料应用作为骨替换材料。

有益效果：

本发明首创的提供了一种表面掺铷钛材料。通过采用碱热处理对掺铷钛材料进行处理，使钛材料表面具有大量的活性基团ti-oh,一方面使钛材料表面具有生物活性，另一方面将碱热处理对掺铷钛材料浸泡于铷盐溶液，与铷离子进行离子交换，将铷掺入钛材料中，再利用高温煅烧，通过使表面的凝胶状钛酸铷转换为无水钛酸铷，且使能诱导羟基磷灰石在钛表面沉积形成的金红石和锐钛矿在表面形成，无水钛酸铷使得钛材料具有抗菌性能，而金红石和锐钛矿使掺铷钛材料具有生物活性，增强细胞的粘附、增值、分化。

本发明首创的提出与制备出表面掺杂铷元素的医用钛基材料的方法，通过本发明制得的含铷抗菌生物医用钛基材料不仅具有良好的生物相容性，还具有很好的抗金黄色葡萄球菌的功能，抗菌能力高达100％，即本发明的所提供的材料兼顾抗菌性与生物相容性，能有效解决钛材在临床应用时伤口感染等问题，在临床骨修复中具有广泛应用前景。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步具体说明。

附图说明

图1是金黄色葡萄球菌在不同实施例样品上温育24小时后的菌落照片，其中，图(a)为纯钛样品，图(b)为实施例1所得表面掺铷材料，图(c)为实施例2所得表面掺铷材料，图(d)为实施例3所得表面掺铷材料.

图2是在不同实施例样品上种植mc3t3细胞3天后cck-8的测试结果图。

图3是在不同实施例样品上种植mc3t3细胞3天后alp的测试结果图。

图4是不同实施例样品中铷的xps检测结果图，其中，(a)为实施例3所得表面掺铷材料，(b)为实施例2所得表面掺铷材料，(c)为实施例1所得表面掺铷材料，(d)为纯钛。

具体实施方式

实施例1

将纯钛钛材使用400目、600目、800目、1200目砂纸打磨至表面光滑无划痕，依次用乙醇、丙酮、去离子水进行超声波清洗，干燥吹干；将钛材纯钛直径为14.5mm，厚度为1mm的圆形钛材，浸泡在5ml5m氢氧化钠溶液中进行碱热处理，处理温度55℃，时间24h；使用去离子水对经碱热处理的钛材进行超声波清洗至中性，干燥吹干；将表面吹干且经碱热处理的钛材浸泡在1m氯化铷溶液中进行铷碱热处理，处理温度为55℃，时间为12h；最后将上述经碱热处理和铷碱热处理的钛材进行高温煅烧，煅烧温度为550℃，升温速率为5℃/min，时长12h，随炉空冷，即得表面掺铷钛材料。

图4(c)为实施例1所得表面掺铷钛材料的xps图，从图中可以看出己成功掺入铷元素。

为评估实施例1中表面掺铷钛材料的抗菌性能，将获得的含铷表面改性钛材进行抗菌实验评价：

(1)配置麦氏浊度为0.5的金黄色葡萄球菌菌液。并将含铷表面改性钛材各取一片，经紫外线照射正反两面各20分钟消毒；

(2)将紫外消毒含铷表面改性钛材分别置于24孔板中；

(3)在紫外消毒含铷表面改性钛材表面分别加入200微升金黄色葡萄球菌菌液，于37℃的培养箱中培养24h；

(4)24h后，将表面培养细菌的含铷表面改性钛材取出，置于50ml离心管中，并加入2ml灭菌生理盐水，振荡，将细菌洗脱；

(5)取200微升上述含菌生理盐水，进行稀释，稀释至10倍；

(6)取上述稀释10倍菌液各200微升，进行涂布平板，培养24h，计数。

结果如图1(b)所示。结果表明，含铷表面改性钛材的菌落数为零，抗菌效果达100％。而从纯钛的空白对照组图1(a)在大量的菌落分布。结果表明，本实施例表面掺铷钛材料具有良好的抗金黄色葡萄球菌生长功能。

为评估该表面掺铷钛材料对细胞的毒性，将本实施例所得表面掺铷钛材料进行细胞增殖与毒性(cck-8)评价通过cck-8试剂盒表征细胞的增殖情况。其实验过程如下：

(1)将含铷表面改性钛材与小鼠前成骨细胞mc3t3共同培养三天后，吸弃完全培养基；

(2)每孔加入浓度为10％的cck-8溶液与细胞相互作用，于37℃孵育1h；

(3)孵育完毕后，从每孔转移出100μl溶液至96孔板；

(4)通过酶标仪检测溶液的吸光度，检测波长为450nm。

结果如图2所示。图中显示，接种于含铷表面改性钛材的小鼠前成骨细胞mc3t3的细胞活性和空白对照组接近。结果表明，本医用钛基材料具抗金黄色葡萄球菌生长功能，良好的生物相容性，不具有细胞毒性，不影响细胞增殖。

为评估该含铷抗菌生物医用钛基材料对前成骨细胞的诱导成骨能力，将获得的含铷表面改性钛材进行碱性磷酸酶活性(alp)评价，碱性磷酸酶活性的升高是前成骨细胞向骨细胞分化的重要标志，其实验过程如下：

(1)将含铷表面改性钛材与小鼠前成骨细胞mc3t3共同培养三天后，吸弃完全培养基；采用pbs清洗细胞3遍，每次5min；

(2)每孔加入300μlripa裂解液，于冰上裂解细胞15min；

(3)将细胞裂解液转移至1.5ml离心管，于12000rpm转速下离心10min；

(4)取离心后的上清液定量检测alp活性(根据alp试剂盒说明进行)；

(5)通过bca试剂盒定量检测上清液中蛋白浓度(根据bca试剂盒说明进行)；

(6)通过测得的蛋白浓度对alp活性值进行标准化处理。

结果如图3所示。图中显示，接种于含铷表面改性钛材的小鼠前成骨细胞碱性磷酸酶活性的细胞活性和空白对照组接近。结果表明，本医用钛基材料具抗金黄色葡萄球菌生长功能，良好的生物相容性，不具有细胞毒性，不影响细胞增殖，具有良好的诱导前成骨细胞成骨分化的作用。

实施例2

将ti-6al-4v钛材使用400目、600目、800目、1200目砂纸打磨至表面光滑无划痕，依次用乙醇、丙酮、去离子水进行超声波清洗，干燥吹干；将直径为14.5mm厚度为1mm的钛合金片浸泡在5ml5m氢氧化钾溶液中进行碱热处理，处理温度65℃，时间18h；使用去离子水对经碱热处理的钛材进行超声波清洗，干燥吹干；将表面吹干且经碱热处理的钛材浸泡在2.5m硝酸铷溶液中进行铷碱热处理，处理温度为65℃，时间为18h；最后将上述经碱热处理和铷碱热处理的钛材进行高温煅烧，煅烧温度为650℃，升温速率为5℃/min，时长18h，随炉空冷，即得表面掺铷钛材料。

图4(b)为实施例2所得表面掺铷钛材料的xps图，从图中可以看出己成功掺入铷元素。

为评估本实施例2的表面掺铷钛材料的抗菌性能，将获得的含铷表面改性钛材进行抗菌实验评价：

(1)配置麦氏浊度为0.5的金黄色葡萄球菌菌液。并将含铷表面改性钛材各取一片，经紫外线照射正反两面各20分钟消毒；

(2)将紫外消毒含铷表面改性钛材分别置于24孔板中；

(3)在紫外消毒含铷表面改性钛材表面分别加入200微升金黄色葡萄球菌菌液，于37℃的培养箱中培养24h；

(4)24h后，将表面培养细菌的含铷表面改性钛材取出，置于50ml离心管中，并加入2ml灭菌生理盐水，振荡，将细菌洗脱；

(5)取200微升上述含菌生理盐水，进行稀释，稀释至10倍；

(6)取上述稀释10倍菌液各200微升，进行涂布平板，培养24h，计数。

结果如图1(c)所示。结果表明，含铷表面改性钛材的菌落数为零，抗菌效果达100％。而从纯钛的空白对照组图1(a)在大量的菌落分布。说明，本实施例表面掺铷钛材料具有良好的抗金黄色葡萄球菌生长功能。

为评估该含铷抗菌生物医用钛基材料对细胞的毒性，将获得的含铷表面改性钛材进行细胞增殖与毒性(cck-8)评价通过cck-8试剂盒表征细胞的增殖情况。其实验过程如下：

(1)将含铷表面改性钛材与小鼠前成骨细胞mc3t3共同培养三天后，吸弃完全培养基；

(2)每孔加入浓度为10％的cck-8溶液与细胞相互作用，于37℃孵育1h；

(3)孵育完毕后，从每孔转移出100μl溶液至96孔板；

(4)通过酶标仪检测溶液的吸光度，检测波长为450nm。

结果如图2所示。图中显示，接种于含铷表面改性钛材的小鼠前成骨细胞mc3t3的细胞活性和空白对照组接近。结果表明，本医用钛基材料具抗金黄色葡萄球菌生长功能，良好的生物相容性，不具有细胞毒性，不影响细胞增殖。

为评估该含铷抗菌生物医用钛基材料对前成骨细胞的诱导成骨能力，将获得的含铷表面改性钛材进行碱性磷酸酶活性(alp)评价，碱性磷酸酶活性的升高是前成骨细胞向骨细胞分化的重要标志，其实验过程如下：

(1)将含铷表面改性钛材与小鼠前成骨细胞mc3t3共同培养三天后，吸弃完全培养基；采用pbs清洗细胞3遍，每次5min；

(2)每孔加入300μlripa裂解液，于冰上裂解细胞15min；

(3)将细胞裂解液转移至1.5ml离心管，于12000rpm转速下离心10min；

(4)取离心后的上清液定量检测alp活性(根据alp试剂盒说明进行)；

(5)通过bca试剂盒定量检测上清液中蛋白浓度(根据bca试剂盒说明进行)

(6)通过测得的蛋白浓度对alp活性值进行标准化处理。

结果如图3所示。图中显示，接种于含铷表面改性钛材的小鼠前成骨细胞碱性磷酸酶活性的细胞活性和空白对照组接近。结果表明，本医用钛基材料具抗金黄色葡萄球菌生长功能，良好的生物相容性，不具有细胞毒性，不影响细胞增殖，具有良好的诱导前成骨细胞成骨分化的作用。

实施例3

将ti-6al-4v钛材使用400目、600目、800目、1200目砂纸打磨至表面光滑无划痕，依次用乙醇、丙酮、去离子水进行超声波清洗，干燥吹干；将直径为14.5mm厚度为1mm的钛合金片浸泡在5ml5m氢氧化锶溶液中进行碱热处理，处理温度75℃，时间24h；使用去离子水对经碱热处理的钛材进行超声波清洗，干燥吹干；将表面吹干且经碱热处理的钛材浸泡在5m硫酸铷溶液中进行铷碱热处理，处理温度为75℃，时间为24h；最后将上述经碱热处理和铷碱热处理的钛材进行高温煅烧，煅烧温度为700℃，升温速率为5℃/min，时长24h，随炉空冷，得到表面掺铷钛材料。

图4(a)为实施例3所得表面掺铷钛材料的xps图，从图中可以看出己成功掺入铷元素。

为评估本实施例3中表面掺铷钛材料的抗菌性能，将获得的含铷表面改性钛材进行抗菌实验评价：

(1)配置麦氏浊度为0.5的金黄色葡萄球菌菌液。并将含铷表面改性钛材各取一片，经紫外线照射正反两面各20分钟消毒；

(2)将紫外消毒含铷表面改性钛材分别置于24孔板中；

(3)在紫外消毒含铷表面改性钛材表面分别加入200微升金黄色葡萄球菌菌液，于37℃的培养箱中培养24h；

(4)24h后，将表面培养细菌的含铷表面改性钛材取出，置于50ml离心管中，并加入2ml灭菌生理盐水，振荡，将细菌洗脱；

(5)取200微升上述含菌生理盐水，进行稀释，稀释至10倍；

(6)取上述稀释10倍菌液各200微升，进行涂布平板，培养24h，计数。

结果如图1(d)所示。结果表明，本实施例中表面掺铷钛材料的菌落数为零，抗菌效果达100％。而从纯钛的空白对照组图1(a)在大量的菌落分布。说明，本实施例表面掺铷钛材料具有良好的抗金黄色葡萄球菌生长功能。

为评估该含铷抗菌生物医用钛基材料对细胞的毒性，将获得的含铷表面改性钛材进行细胞增殖与毒性(cck-8)评价通过cck-8试剂盒表征细胞的增殖情况。其实验过程如下：

(1)将含铷表面改性钛材与小鼠前成骨细胞mc3t3共同培养三天后，吸弃完全培养基；

(2)每孔加入浓度为10％的cck-8溶液与细胞相互作用，于37℃孵育1h；

(3)孵育完毕后，从每孔转移出100μl溶液至96孔板；

(4)通过酶标仪检测溶液的吸光度，检测波长为450nm。

结果如图2所示。图中显示，接种于含铷表面改性钛材的小鼠前成骨细胞mc3t3的细胞活性和空白对照组接近。结果表明，本医用钛基材料具抗金黄色葡萄球菌生长功能，良好的生物相容性，不具有细胞毒性，不影响细胞增殖。

为评估该含铷抗菌生物医用钛基材料对前成骨细胞的诱导成骨能力，将获得的含铷表面改性钛材进行碱性磷酸酶活性(alp)评价，碱性磷酸酶活性的升高是前成骨细胞向骨细胞分化的重要标志，其实验过程如下：

(1)将含铷表面改性钛材与小鼠前成骨细胞mc3t3共同培养三天后，吸弃完全培养基；采用pbs清洗细胞3遍，每次5min；

(2)每孔加入300μlripa裂解液，于冰上裂解细胞15min；

(3)将细胞裂解液转移至1.5ml离心管，于12000rpm转速下离心10min；

(4)取离心后的上清液定量检测alp活性(根据alp试剂盒说明进行)；

(5)通过bca试剂盒定量检测上清液中蛋白浓度(根据bca试剂盒说明进行)

(6)通过测得的蛋白浓度对alp活性值进行标准化处理。

结果如图3所示。图中显示，接种于含铷表面改性钛材的小鼠前成骨细胞碱性磷酸酶活性的细胞活性和空白对照组接近。结果表明，本医用钛基材料具抗金黄色葡萄球菌生长功能，良好的生物相容性，不具有细胞毒性，不影响细胞增殖，具有良好的诱导前成骨细胞成骨分化的作用。

对比例1

将纯钛钛材使用400目、600目、800目、1200目砂纸打磨至表面光滑无划痕，依次用乙醇、丙酮、去离子水进行超声波清洗，干燥吹干；将钛材钛约直径为14.5mm，厚度为1mm的圆形纯钛片浸泡于5ml5m氢氧化钠和5m氯化铷混合溶液中进行碱热处理，处理温度55℃，时间24h；使用去离子水对经碱热处理的钛材进行超声波清洗，干燥吹干；最后将上述钛材进行煅烧，煅烧温度为550℃，升温速率为5℃/min，时长12h，随炉空冷，得表面掺铷钛材料。

为评估本对比例1中表面掺铷钛材料的抗菌性能，将获得的含铷表面改性钛材进行抗菌实验评价，评价方式与实施例1-3相同，结果发现本对比例中表面掺铷钛材料的菌落数仍然很多，抗菌性能相对较差；经分析是由于所掺入的大量为钠元素，而所掺入的铷元素较少。

对比例2

其他条件与实施例2相同，仅煅烧温度为300℃，结果发现所得钛材料表面多为锐钛矿形二氧化钛，几乎没有利于成骨的金红石型二氧化钛，其诱导成骨性能较差。

对比例3

其他条件与实施例3相同，仅煅烧温度为1000℃，将对比例3所得表面掺铷钛材料进行碱性磷酸酶活性(alp)评价，结果发现，其诱导成骨性能较差，这是由于煅烧温度过高，所得钛材料表面涂层结晶度过高。

对比例4

其他条件与实施例1相同，仅将表面吹干且经碱热处理的钛材浸泡在0.2m氯化铷溶液中进行铷碱热处理，得表面掺铷钛材料。为评估本对比例4中表面掺铷钛材料的抗菌性能，将获得的含铷表面改性钛材进行抗菌实验评价，评价方式与实施例1-3相同，结果发现本对比例中表面掺铷钛材料的菌落数仍然很多，抗菌性能相对较差；分析所掺入的铷元素较少。

对比例5

其他条件与实施例3相同，仅将表面吹干且经碱热处理的钛材浸泡在6m硫酸铷溶液中进行铷碱热处理，得表面掺铷钛材料。为评估本对比例5中表面掺铷钛材料的抗菌性能，将获得的含铷表面改性钛材进行抗菌实验评价，评价方式与实施例1-3相同，结果发现本对比例中表面掺铷钛材料的菌落数仍然很多，抗菌性能相对较差；分析所掺入的铷元素较少所致，说明溶液浓度过高也会影响到离子交换的效果。