红外-可见光的光热光动力协同低温抗菌牙种植体材料

1.本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种具有红外-可见光的光热光动力协同低温抗菌牙种植体材料。


背景技术：

2.随着我国工业化进程的推进和人口老龄化趋势的出现，对于修补和固定牙齿的人工种植仿生牙材料有极大的需求。生物医用金属材料因具有高强度、高韧性及优异的抗弯曲疲劳强度和加工性能等不可替代的优势，成为牙科临床应用中最广泛的种植体材料。
3.在金属牙种植体材料中，钛及钛合金因具有低密度、高强度、无毒性和优异的耐腐蚀性能成为牙科应用中最常用的种植体材料。然而传统钛合金因不具备抗菌性能，在植入人体后易引起细菌感染使得种植体植入失败。为了改善钛合金的生物医学性能，常常通过表面改性技术提升钛和钛合金的抗菌性能和生物相容性，如在钛表面形成的tio2纳米管(tnt)，能够与有机体有效结合，具有良好的生物相容性。且tnt在紫外光照射下，电子可以从价带(vb)激发到导带（cb），同时在vb产生相应的空穴，生成电子-空穴对，同时表面产生活性氧（ros），ros可以破坏细菌的细胞壁及细胞膜，导致细胞内容物的流出，最终导致细菌死亡，然后氧化死亡的细菌及其有机物质，使之变成水和二氧化碳，实现光动力抗菌。总体而言，tnt增强了种植体对细胞的黏附能力，具有良好的生物相容性，但只在紫外光区域具有抗菌性能，抗菌存在局限性。
4.铜作为人体所需的微量元素之一，且具有出众的抗菌性能和生物学活性而被广泛应用于各种生物材料的研究中。研究证实，在合金表面添加铜元素后，细菌不易形成细菌生物膜，有效抑制了细菌在合金表面的存活。因此，为了增强材料的抗菌性能，常常选用铜元素作为添加元素加入到生物材料中。纯tnt有一个较宽的带隙（约为3.2 ev)，只吸收紫外光，而cu2o纳米颗粒具有较窄的带隙（约2.17 ev)，可吸收紫外光和可见光。而tnt与cu2o的禁带宽度存在重合，二者能够复合形成异质结。cu2o可以吸收光子，产生电子空穴对，cu2o的导带（cb）的电子被注入到tnt的导带（cb）中，而tnt的价带（vb）中的空穴转移到氧化铜的价带（vb）中。所以cu2o与tnt可以形成异质结，显著改善tnt的带隙，使tnt具有一个更大的光响应范围。在可见光及近红外光照下，cu2o/tnt表面能够产生活性氧（ros），存在于涂层表面的ros可以破坏细菌的细胞壁及细胞膜，导致细胞内容物的流出，最终导致细菌死亡，然后氧化死亡的细菌及其有机物质，使之变成水和二氧化碳，实现光动力抗菌；同时，cu2o与tnt形成的异质结具有光热效应，光照条件下，光子在vb上的电子能量高于带隙值，cb上的电子和vb上的空穴将发生弛豫过程，这个弛豫过程产生热量杀死细菌，实现光热抗菌。此外，光热抗菌产生的热量可降低细菌活性，提高细菌细胞膜的通透性，使得光动力抗菌产生的ros更容易渗透到细菌的细胞膜上，氧化细胞内蛋白，干扰细菌的稳态，从而实现光热光动力的协同抗菌。
5.而多巴胺作为重要的材料表面修饰方法的构筑基元，由于其产物聚多巴胺（pda）具有易于制备和修饰、粘附性强、生物相容性好、卓越的光热转换性能、荧光猝灭性等优点，
在生物医药、传感、催化、能源、生物电子等诸多领域吸引了广泛关注。pda负载于材料表面，可以大大提高材料的亲水性，增强对细胞的黏附能力，进而提高材料的生物相容性，促进成骨细胞的成骨分化。且pda具有氧化清除作用，能够清除过量的ros，抑制细胞发生氧化应激，减小对人体细胞带来的影响。
6.通过两次阳极氧化技术在纯ti基体表面原位生长了长度一致且排列规则的tnt，随后通过电沉积的方法将铜沉积于tnt表面，形成异质结，获得cu2o/tnt涂层，然后通过多巴胺的自聚合反应在cu2o/tnt涂层表面沉积pda，最终获得pda-cu2o/tnt涂层。该构想在ti种植体表面制备的pda-cu2o/tnt涂层不仅赋予了ti种植体在可见光和近红外光条件下的抗菌性能，且在近红外光照射下能够实现低温（40 ~ 48℃）下光热光动力协同抗菌，同时也具备良好的促骨再生功能。而该构想在生物医用材料技术领域鲜有报道。鉴于此，本发明提供了一种具有红外-可见光的光热光动力协同低温抗菌牙种植体材料。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对人工牙种植体的迫切需求，提出一种具有红外-可见光的光热光动力协同低温抗菌牙种植体材料。该涂层可以有效抗菌，避免由细菌感染引起的材料植入失败，且抗菌时所需的低温条件（40 ~ 48℃）不会对人体造成损害，该涂层也具有良好的促骨再生功能。
8.本发明通过两次阳极氧化技术在纯ti基体表面获得了排列规则均匀且高度一致的tnt，随后通过电沉积的方法将cu2o沉积于tnt表面，形成异质结，获得cu2o/tnt涂层，然后通过da的自聚合反应在cu2o/tnt涂层表面沉积pda，最终获得具有抗菌功能的pda-cu2o/tnt涂层。该涂层赋予了种植体优异的抗菌性能，且所使用的材料均为无毒材料，使并且促进了成骨细胞的成骨分化。总体而言，该种植体植入人体后能有效降低二次感染的风险，并且具有良好的促骨再生功能。
9.本发明具体通过以下技术方案实现：一种具有红外-可见光的光热光动力协同低温抗菌牙种植体材料，其特征在于，所述的牙种植体材料由纯ti基体和pda-cu2o/tnt涂层组成，所述的pda-cu2o/tnt涂层是由tio2纳米管tnt与cu2o形成的cu2o/tnt涂层，以及和多巴胺da自聚合形成的聚多巴胺pda涂层组成；所述的pda-cu2o/tnt涂层在可见光和近红外光条件下均表现出优异的抗菌性能，且在近红外光照射下，通过光热光动力协同抗菌能在40~48℃的低温下达到很好的抗菌效果，同时具有良好的促骨再生功能；所述的一种具有红外-可见光的光热光动力协同低温抗菌牙种植体材料的制备方法，包括如下步骤：（1）预处理：以纯ti片作为基体，依次使用标号为600 #、800 #、1000 #的金相砂纸对基体表面由粗到细逐级进行物理打磨抛光，去除表面氧化层，随后分别使用丙酮、去离子水、无水乙醇各超声清洗10分钟，以去除油脂和表面粘附物，超声清洁基体表面后干燥备用；（2）一次阳极氧化：将铂片作为负极，纯ti片作为正极，将去离子水、氟化铵、乙二醇组成的混合溶液和磷酸混合均匀的电解液中，以一定的电压阳极氧化一段时间，获得表面有tio2纳米管的ti片；
（3）刻蚀：使用稀盐酸刻蚀tio2纳米管，在ti片表面形成排列规则的模板；（4）二次阳极氧化：在与一次阳极氧化相同的条件下二次阳极氧化一段时间，基于ti片表面排列规则的模板得到不同管径的tio2纳米管，然后在一定温度下退火，得到tnt涂层的ti片；（5）电沉积：在电化学工作站上，使用铂电极作为反电极，使用饱和热量电极sce作为参考电极，将制得的tnt涂层的ti片作为工作电极，在含有乳酸和硝酸铜的电解液中进行电沉积，沉积一定时间，使铜复合于tnt上，得到cu2o/tnt涂层的ti片；（6）多巴胺负载：配置多巴胺溶液，然后将样品置于其中，浸泡24 h后，在碱性条件下多巴胺在cu2o/tnt涂层的ti片表面自发聚合形成pda，随后冲洗干净并干燥，最后得到pda-cu2o/tnt涂层的ti片。
10.进一步的，所述的步骤（2）的混合溶液中去离子水的体积分数为2~9%、氟化铵的体积分数0.2~1%、乙二醇的体积分数为90~97%；所述的混合溶液的体积为200 ml；所述步骤（2）的磷酸的体积为10~30 ml；所述的步骤（2）的阳极氧化的电压为40~80 v，阳极氧化的时间为6~24 h。
11.进一步的，所述的步骤（4）的阳极氧化时间为2~4 h；所述的退火温度为300~500℃。
12.进一步的，所述的步骤（5）的电解液的乳酸浓度为0.3 m，硝酸铜浓度为0.005~0.020 m；所述的步骤（5）的电沉积的时间为30-120 s。
13.进一步的，所述的步骤（6）的多巴胺溶液是以碱性的tris溶液作为溶剂，多巴胺的浓度为1~4 mg/ml。
14.有益效果：（1）该牙种植体材料表面的pda-cu2o/tnt涂层对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）都具有良好的灭杀效果，能赋予种植体表面优异的抗菌性能，降低种植体二次感染的风险。
15.（2）pda-cu2o/tnt涂层中tnt与cu2o形成的cu2o/tnt异质结改善了tnt的光催化性能，在可见光下具备优异的抗菌性能；同时cu2o/tnt异质结具有光热效应，在近红外光照射下，能够实现低温下光热光动力协同抗菌，且涂层抗菌时所需的低温条件不会对人体造成损害。
16.（3）pda-cu2o/tnt涂层中的pda层控制了铜离子的释放，使涂层具备良好的生物相容性，植入人体后不会对植入部位的组织细胞产生毒害作用，同时可以促进成骨细胞的成骨分化。
17.（4）该牙种植体材料结构简单、成本低廉、易于制备，具有普遍适用性。
附图说明
18.图1（a）-（b）分别为实施例1中的tnt、ct-0.020的sem图像。
19.图2为实施例1中的ti、ct-0.020在可见光（λ》400 nm）照射条件下对革兰氏阳性菌（金黄葡萄球菌）的抗菌效果。
20.图3为实施例1中的ti、ct-0.015在可见光（λ》400 nm）照射条件下对和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）的抗菌效果。
21.图4为实施例1中的ti、tnt、ct-0.005的细胞毒性。
22.图5为实施例1中的ct-0.010在近红外光（λ=808 nm）照射下的超氧自由基图谱。
23.图6为实施例1中的ti、pct-0.015在可见光（λ》400 nm）照射条件下对革兰氏阳性菌（金黄葡萄球菌）的抗菌效果。
24.图7为实施例1中的ti、pct-0.015在可见光（λ》400 nm）照射条件下对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）的抗菌效果。
25.图8为实施例1中的ti、tnt、ct-0.005、pct-0.005的接触角。
26.图9为实施例2中的ti、tnt、pct-0.005的细胞毒性。
27.图10（a）为实施例2中的ti、pct-0.005、pct-0.010在近红外光（λ=808nm）照射且功率为0.4 w条件下的光热图谱，图10（b）为实施例2中的ti、tnt、pct-0.020在近红外光（λ=808nm）照射且功率为0.6 w条件下的光热图谱。
28.图11为实施例2中的pct-0.010在近红外光（λ=808 nm）照射下的羟基自由基图谱。
29.图12为实施例2中的ti、pct-0.020在近红外光（λ=808 nm）照射且功率为0.6 w条件下对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）的抗菌效果。
30.图13为实施例2中的ti、tnt、pct-0.010在近红外光（λ=808 nm）照射且功率为0.4 w条件下对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）的抗菌效果。
具体实施方式
31.实施例1（1）预处理：以尺寸为30 mm*10 mm*0.2 mm的钛片作为基体，分别使用600 #、800#、1200 #的砂纸对基体表面进行物理打磨，去掉表面氧化层，随后分别使用丙酮、酒精、去离子水清洁基体表面并干燥待用;（2）一次阳极氧化：将铂片作为负极，钛片作为正极，在体积分数5%的去离子水、0.5%的氟化铵、94.5%的乙二醇组成的混合溶液和25 ml的磷酸混合均匀的电解液中，以60 v的电压进行第一次阳极氧化，氧化时间为12 h;（3）刻蚀：一次阳极氧化后，取下钛片，在5%稀盐酸溶液中超声清洗直至表面的氧化层薄膜完全剥落，在ti片表面形成排列规则的模板；（4）二次阳极氧化：在与一次阳极氧化相同条件下进行二次阳极氧化，氧化时间为3 h。第二次阳极氧化后，将钛片用无水乙醇和去离子水交替冲洗数次，干燥。将制备好的样品在400 ℃下保温3 h退火，使得tio2纳米管阵列由无定形态转变为锐钛矿相，将制得的样品命名为tnt;（5）电沉积：在电化学工作站上，将制得的tio2纳米管作为工作电极，在含有0.3 m乳酸和0.005 m、0.010 m、0.015 m、0.020 m的硝酸铜的电解液中进行电沉积，沉积时间为60 s，完成铜元素的掺杂，分别命名为ct-0.005、ct-0.010、ct-0.015、ct-0.020;（6）多巴胺负载：配置1 mg/l的da溶液，然后将样品置于其中，浸泡24 h后，da自聚合于样品表面形成pda，将样品冲洗干净，干燥后得到pda-cu2o/tnt涂层，分别命名为pct-0.005、pct-0.010、 pct-0.015 、pct-0.020。
32.图1（a）-（b）分别为实施例1中的tnt、ct-0.020的sem图像。图2为实施例1中的ti、ct-0.020在可见光（λ》400 nm）照射条件下对革兰氏阳性菌（金黄葡萄球菌）的抗菌效果，ti
无抗菌效果，ct-0.020的抗菌率达到99.9%。图3为实施例1中的ti、ct-0.015在可见光（λ》400 nm）照射条件下对和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）的抗菌效果，ti无抗菌效果，ct-0.015的抗菌率达到99.9%。图4为实施例1中的ti、tnt、ct-0.005的细胞毒性。图5为实施例1中的ct-0.010在近红外光（λ=808 nm）照射下的超氧自由基图谱。图6为实施例1中的ti、pct-0.015在可见光（λ》400 nm）照射条件下对革兰氏阳性菌（金黄葡萄球菌）的抗菌效果，ti无抗菌效果，pct-0.015的抗菌率达到99.9%。图7为实施例1中的ti、pct-0.015在可见光（λ》400 nm）照射条件下对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）的抗菌效果，ti无抗菌效果，pct-0.015的抗菌率达到99.9%。图8为实施例1中的ti、tnt、ct-0.005、pct-0.005的接触角。
33.实施例2（1）预处理：以尺寸为30 mm*10 mm*0.2 mm的钛片作为基体，分别使用600 #、800#、1200 #的砂纸对基体表面进行物理打磨，去掉表面氧化层，随后分别使用丙酮、酒精、去离子水清洁基体表面并干燥待用;（2）一次阳极氧化：将铂片作为负极，钛片作为正极，在体积分数5%的去离子水、0.5%的氟化铵、94.5%的乙二醇组成的混合溶液和25 ml的磷酸混合均匀的电解液中，以60 v的电压进行第一次阳极氧化，氧化时间为12 h;（3）刻蚀：一次阳极氧化后，取下钛片，在5%稀盐酸溶液中超声清洗直至表面的氧化层薄膜完全剥落，在ti片表面形成排列规则的模板；（4）二次阳极氧化：在与一次阳极氧化相同条件下进行二次阳极氧化，氧化时间为3 h。第二次阳极氧化后，将钛片用无水乙醇和去离子水交替冲洗数次，干燥。将制备好的样品在400 ℃下保温3 h退火，使得tio2纳米管阵列由无定形态转变为锐钛矿相，将制得的样品命名为tnt;（5）电沉积：在电化学工作站上，将制得的tio2纳米管作为工作电极，在含有0.3 m乳酸和0.005 m、0.010 m、0.015 m、0.020 m的硝酸铜的电解液中进行电沉积，沉积时间为60 s，完成铜元素的掺杂，分别命名为ct-0.005、ct-0.010、ct-0.015、ct-0.020;（6）多巴胺负载：配置2 mg/l的da溶液，然后将样品置于其中，浸泡24 h后，da自聚合于样品表面形成pda，将样品冲洗干净，干燥后得到pda-cu2o/tnt涂层，分别命名为pct-0.005、pct-0.010、pct-0.015、pct-0.020。
34.图9为实施例2中的ti、tnt、pct-0.005的细胞毒性。图10（a）为实施例2中的ti、pct-0.005、pct-0.010在近红外光（λ=808nm）照射且功率为0.4 w条件下的光热图谱，图10（b）为实施例2中的ti、tnt、pct-0.020在近红外光（λ=808nm）照射且功率为0.6 w条件下的光热图谱。图11为实施例2中的pct-0.010在近红外光（λ=808 nm）照射下的羟基自由基图谱。图12为实施例2中的ti、pct-0.020在近红外光（λ=808 nm）照射且功率为0.6 w条件下对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）的抗菌效果，ti无抗菌效果，pct-0.020的抗菌率达到99.9%。图13为实施例2中的ti、tnt、pct-0.010在近红外光（λ=808 nm）照射且功率为0.4 w条件下对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）的抗菌效果，ti无抗菌效果，tnt的抗菌率为31.4%，pct-0.010的抗菌率达到95.6%。
35.显然，本发明的上述实施例1和实施例2仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，还可在上述说明的基础上做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举，
而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。