一种纯钛口腔种植体微弧氧化‑多巴胺偶联载中药涂层的制备方法与流程

本发明涉及一种纯钛口腔种植体涂层的制备方法。

背景技术：

随骨损伤和骨缺损等创伤的增加及人类生活水平的提高，对骨修复的口腔种植体植入引起的细菌感染等问题也逐渐引起人们的注意。与天然牙相比，种植义齿有其特殊性，种植体袖口，即包绕种植体穿龈处的口腔软组织，此处的结合上皮主要起屏障作用，对种植体周形成了良好的生物封闭。但与天然牙相比，种植体袖口处的结合上皮附着较薄，因此其屏障作用也就相对较弱。另外，种植体周围结缔组织内的血管相对于天然牙较少，种植体与骨的结合界面缺乏牙周膜，当有细菌入侵时，该区域的炎症反应就会较低，免疫防御能力也相应的较弱，细菌就会在此部位聚集繁殖，进而发生种植体周围感染。种植体以及种植体周结构的这些特点决定了其周围的软组织更容易受到菌斑的影响，并且受损后其周围组织的修复能力与天然牙相比存在较大的差距。

在种植术后的早期阶段，由于手术的创伤以及术中对局部防御系统的破坏，此时细菌最容易入侵种植体周围的黏膜。一旦种植体周围的黏膜封闭遭到破坏，致病菌便可以直接进入种植体-骨结合界面。而此界面对诸如致病菌等的有害因素感觉比较迟钝，长此以往不仅会发生种植体周围感染及其并发症，而且可能最终将导致种植体的松动和脱落。

中药及中药提取物具有消炎、抗菌和促进骨生长的功能。以葛根为例，葛根为豆科植物野葛或甘葛藤的根干燥制成。葛根具有消炎，解热，抗菌的作用。葛根素对破骨细胞的骨吸收功能具有直接抑制作用，而破骨细胞骨吸收功能活跃是骨质疏松发生的病理生理之一，它能够促进成骨细胞的增、分化，提高碱性磷酸酶活性，增强相关mRNA的表达，这说明葛根可以促进骨的生长和发育。并且葛根素作为葛根中含量较多的有效成分之一，在自然界中广泛存在。其具有多种药理作用，药效明确，安全低毒，临床应用广泛，且葛根资源丰富，价格低廉。因此葛根不失为一种合适的用在口腔种植体的一味中药。

偶联剂多巴胺大量存在与生物体内，由于多巴胺及其衍生物不仅具有防水粘附能力而且其修饰过的基底具有良好的生物相容性，不会侵害人体细胞引起免疫反应，多巴胺具备类似于海洋生物贻贝类的粘附特点，除了可以参与到形成粘附的反应当中，而且可以与基底材料发生反应形成比较强的共价键和非共价键，能够形成螯合物而使其稳定的固定在钛离子的表面，因此非常合适的充当了连接钛和中药的桥梁作用而不会对人体有损害。

技术实现要素：

本发明是为了解决目前钛口腔种植体在种植早期愈合缓慢、种植后细菌侵入导致种植术后发生早期感染，使种植失败的技术问题，而提供一种纯钛口腔种植体微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层的制备方法。

本发明的一种纯钛口腔种植体微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层的制备方法是按以下步骤进行的：

一、纯钛试样表面预处理：用砂纸对待处理的纯钛试样表面进行粗磨，然后依次用丙酮和蒸馏水各超声25min，吹干后放入密封袋中密封备用；

将HF酸、浓HNO₃和去离子水均匀混合，得到混合酸，将吹干后的纯钛试样放入混合酸中浸泡20s～40s，得到酸处理后的纯钛试样；所述的HF酸的质量浓度是40％～44％；所述的浓HNO₃的质量浓度是65％；所述的HF酸与浓HNO₃的体积比为1:2，所述的HF酸与去离子水的体积比为1:3；

二、配置微弧氧化电解液：在烧杯中依次加入硅酸钠、氢氧化钾、氟化钾、磷酸钠和蒸馏水，超声振荡至所有试剂完全溶解为止，静置24h～36h，得到微弧氧化电解液；所述的微弧氧化电解液中硅酸钠的浓度是3g/L～6g/L，氢氧化钾的浓度是3g/L～6g/L，氟化钾的浓度是4g/L～8g/L，磷酸钠的浓度是12g/L～18g/L；

三、超声微弧氧化处理：将步骤二制备的微弧氧化电解液放入电解槽中，然后将电解槽下放入超声波振荡仪中，微弧氧化设备的阴极接不锈钢电解槽，阳极接步骤一中酸处理后的纯钛试样，设置微弧氧化设备的阴阳极间距离为40mm～60mm，启动微弧氧化设备和超声波振荡仪，在超声波频率为30KHz～60KHz、微弧氧化电压为350V～450V、脉宽为30μs～80μs、脉冲频率为300Hz～800Hz和占空比为2.5％的条件下超声微弧氧化3min～12min，关闭微弧氧化设备和超声波振荡仪，将样品取出用蒸馏水冲洗干净，自然晾干；

四、后处理：

①将步骤三超声微弧氧化处理完的钛试样放入3mol/L～5mol/L的NaOH水溶液中，然后置于温度为60℃～80℃的水浴中保温20min～40min，用水清洗后自然晾干，得到碱处理的钛试样；

②配置多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液，用浓度为3mol/L的盐酸调pH为7～8，然后加入中药溶液，超声10min～30min，得到多巴胺-中药的混合溶液；将步骤四①中碱处理的钛试样放入多巴胺-中药的混合溶液中，超声10min，然后放在室温和不见光的条件下静置24h，取出后自然阴干，得到纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层；

所述的多巴胺-中药的混合溶液中中药的浓度是2g/L～8g/L；所述的多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液中多巴胺的浓度是1.5g/L～2.5g/L、三羟甲基氨基甲烷的浓度是1.0g/L～1.5g/L；所述的多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液与中药溶液的体积相等。

本发明通过对纯钛种植材料表面微弧氧化后，以多巴胺为联接剂载中药(如葛根素)进行改性，利用其促进骨骼生长发育，加强人体细胞物质代谢，防止肌肉骨骼老化，广谱抗菌作用提高获得生物相容性更好、愈合更快的新型骨种植体。这不仅解决了钛这一惰性基体与骨的相容性，而且也解决了一直以来由于微生物在种植时侵入由于手术造成的破损黏膜，而使口腔种植失败。

鉴于口腔种植后经常发生细菌感染，使口腔种植失败，而很多中药如葛根具有其强筋壮骨，加强人体细胞物质代谢，防止肌肉骨骼老化，并有非常好抗菌性，再加上微弧氧化技术具有高效环保、操作方便、涂层和基体结合强度高、可在涂层表面通过高温烧结和放电击穿作用形成含有所需功能元素的多孔陶瓷涂层材料等优点，因此本发明主要采用微弧氧化技术在纯钛表面载药，将微弧氧化的优点与中药的优点结合起来，从而获得具有高效生物活性的载中药的生物功能性口腔种植体新的复合材料。

本发明提供一种微弧氧化钛表面通过偶联剂(多巴胺)载中药，获得具有生物活性、耐人体环境腐蚀性及低生产成本、高生产效率、可大大缩短骨愈合时间，并具有抗菌功能的新型钛种植体复合材料的的制备方法。

本发明采用在纯钛表面微弧氧化，通过多巴胺偶联载中药，获得功能性生物涂层，该生物复合材料可弥补临床应用成功的钛及钛合金的缺点，有效的改善钛合金的生物性能。载中药膜层的生物性能在于可以与体液发生离子交换，在表面沉积一层HA(羟基磷灰石)膜层，具有很好的生物相容性，再加上中药(如葛根)具有抗菌，促进骨的生长与发育。制备的种植体材料结合了中药和微弧氧化优良的特点，具备了抗菌性和加快骨的生长与修复的新特性。因此该复合材料可用于口腔种植体，并还可用于骨组织缺损，损伤等修复及替换，可满足临床对生物硬组织替换材料的要求。

本发明解决技术问题所采用的方法是：以生物医学纯钛为基体，采用微弧氧化技术、碱处理技术、多巴胺偶联中药(如葛根)方法，最终制得功能性生物复合涂层材料新材料。

本发明具有如下特征：

(1)提出一种采用微弧氧化复合技术，制备出底层致密表层多孔的生物活性涂层，后采用碱处理活化，多巴胺作为偶联剂载中药，从而获得具有载中药的生物涂层；钛合金微弧氧化载药中药涂层满足口腔种植体抗菌，防止早期种植体的感染；

(2)该功能性生物涂层复合材料是在纯钛微弧氧化表面制备含有中药的复合生物陶瓷涂层材料，此类复合生物涂层材料具有合适的结合力，耐腐蚀和良好好生物相容性的特点；

(3)该载中药涂层与人体体液反应，可在钛中药涂层表面通过离子的正负离子的相互吸引，在表面沉积一层羟基磷灰石(HA)涂层，具有良好的生物相容性，且中药可以促进骨生长某种核糖的合成，促进骨骼发育，加速骨早期生长；

(4)该生物活性载中药涂层具有极好的抗菌性，抗菌率可达99％，这很大程度上解决了口腔种植体在口腔上易发炎，滋生细菌的情况，以防口腔因感染而导致二次种植；

(5)该载中药涂层采用的微弧氧化技术，多巴胺偶联载中药。微弧氧化技术具有设备简单、操作方便，经济高效，无三废排放的特点，多巴胺偶联剂合成简单，大量存在于生物体内，因此这两种方法具有简单、无污染、操作方便等特点且均为绿色环保处理技术；

(6)该生物活性涂层复合材料具有良好的抗腐蚀性、在人体环境种耐摩擦磨损、生物相容性，作为植入物不产生人体污染；强度高、韧性好，可应用于人体受力大的部位的骨组织缺损修复和替换，还可以作为可降解、可吸收的骨修复材料用于对人体骨缺损处的短期修复；

(7)该生物活性陶瓷涂层复合材料在SBF模拟体液浸泡后，可形成HA涂层，与人体骨骼具有良好的相容性，表面加入葛根可缩短骨愈合时间，提高早期骨修复速度和骨修复质量。

本发明所制备的生物活性涂层复合材料是由纯钛表面的生物活性陶瓷涂层和载药涂层复合而成，兼有金属材料和陶瓷材料的特点，并且引入中药，具有很好的抗菌性和促进早期骨的发育，制备方法超声-微弧氧化复合技术均为为绿色环保工艺，可很好的保证生产成本低且骨修复性能更好的骨组织缺损修复材料和骨组织工程用细胞支架材料。

本发明中所用的纯钛是生物医学专用纯钛，具有无毒、安全、力学性能好等特点。

本发明中所用的电解质均为安全、无毒且不会产生三废的盐类，均为分析纯，其成本低。

本发明中所制备的生物活性涂层复合材料在应用时所沉积的HA是人体骨骼的成分，不会对人体产生任何毒副作用。

本发明是分别采用超声微弧氧化处理技术和微弧氧化后处理复合来处理生物医用纯钛，对其进行表面改性处理，以提高其表面生物活性和耐蚀性。

本发明的生物活性涂层复合材料具有良好的抗菌性，同时它还能够促进成骨细胞的粘附、增值、分化及碱性磷酸酶表达，有利于植入的种植体的初期稳定性以及早期矿化，是一种理想的种植体涂层材料。

附图说明

图1是试验四中纯钛表面微弧氧化-多巴胺涂层2000倍的SEM表面形貌图；

图2是试验一中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层2000倍的SEM表面形貌图；

图3是试验二中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层2000倍的SEM表面形貌图；

图4是试验三中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层2000倍的SEM表面形貌图；

图5是XRD图，是TiO₂，图a是试验四中纯钛表面微弧氧化-多巴胺涂层，图b是试验一中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层，图c是试验二中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层，图d是试验三中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层；

图6是电化学塔菲尔曲线图，图1是试验四中纯钛表面微弧氧化-多巴胺涂层，图2是试验一中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层，图3是试验二中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层，图4是试验三中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种纯钛口腔种植体微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层的制备方法，具体是按以下步骤进行的：

一、纯钛试样表面预处理：用砂纸对待处理的纯钛试样表面进行粗磨，然后依次用丙酮和蒸馏水各超声25min，吹干后放入密封袋中密封备用；

将HF酸、浓HNO₃和去离子水均匀混合，得到混合酸，将吹干后的纯钛试样放入混合酸中浸泡20s～40s，得到酸处理后的纯钛试样；所述的HF酸的质量浓度是40％～44％；所述的浓HNO₃的质量浓度是65％；所述的HF酸与浓HNO₃的体积比为1:2，所述的HF酸与去离子水的体积比为1:3；

二、配置微弧氧化电解液：在烧杯中依次加入硅酸钠、氢氧化钾、氟化钾、磷酸钠和蒸馏水，超声振荡至所有试剂完全溶解为止，静置24h～36h，得到微弧氧化电解液；所述的微弧氧化电解液中硅酸钠的浓度是3g/L～6g/L，氢氧化钾的浓度是3g/L～6g/L，氟化钾的浓度是4g/L～8g/L，磷酸钠的浓度是12g/L～18g/L；

三、超声微弧氧化处理：将步骤二制备的微弧氧化电解液放入电解槽中，然后将电解槽下放入超声波振荡仪中，微弧氧化设备的阴极接不锈钢电解槽，阳极接步骤一中酸处理后的纯钛试样，设置微弧氧化设备的阴阳极间距离为40mm～60mm，启动微弧氧化设备和超声波振荡仪，在超声波频率为30KHz～60KHz、微弧氧化电压为350V～450V、脉宽为30μs～80μs、脉冲频率为300Hz～800Hz和占空比为2.5％的条件下超声微弧氧化3min～12min，关闭微弧氧化设备和超声波振荡仪，将样品取出用蒸馏水冲洗干净，自然晾干；

四、后处理：

①将步骤三超声微弧氧化处理完的钛试样放入3mol/L～5mol/L的NaOH水溶液中，然后置于温度为60℃～80℃的水浴中保温20min～40min，用水清洗后自然晾干，得到碱处理的钛试样；

②配置多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液，用浓度为3mol/L的盐酸调pH为7～8，然后加入中药溶液，超声10min～30min，得到多巴胺-中药的混合溶液；将步骤四①中碱处理的钛试样放入多巴胺-中药的混合溶液中，超声10min，然后放在室温和不见光的条件下静置24h，取出后自然阴干，得到纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层；所述的多巴胺-中药的混合溶液中中药的浓度是2g/L～8g/L；所述的多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液中多巴胺的浓度是1.5g/L～2.5g/L、三羟甲基氨基甲烷的浓度是1.0g/L～1.5g/L；所述的多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液与中药溶液的体积相等。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中所述的微弧氧化电解液中硅酸钠的浓度是5g/L，氢氧化钾的浓度是5g/L，氟化钾的浓度是6g/L，磷酸钠的浓度是14g/L。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四②中所述的中药溶液中的中药是杜仲绿原酸，溶剂是水。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四②中所述的中药溶液中的中药是葛根粉，溶剂是水。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四②中所述的中药溶液中的中药是淫羊藿苷，溶剂是无水乙醇。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四②中所述的中药溶液中的中药是骨碎补粉，溶剂是水。其他与具体实施方式一相同。

通过以下试验验证本发明效果：

试验一：本试验为一种纯钛口腔种植体微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层的制备方法，具体是按以下步骤进行的：

一、纯钛试样表面预处理：用砂纸对待处理的纯钛试样表面进行粗磨，然后依次用丙酮和蒸馏水各超声25min，吹干后放入密封袋中密封备用；

将HF酸、浓HNO₃和去离子水均匀混合，得到混合酸，将吹干后的纯钛试样放入混合酸中浸泡40s，得到酸处理后的纯钛试样；所述的HF酸的质量浓度是40％；所述的浓HNO₃的质量浓度是65％；所述的HF酸与浓HNO₃的体积比为1:2，所述的HF酸与去离子水的体积比为1:3；

二、配置微弧氧化电解液：在烧杯中依次加入硅酸钠、氢氧化钾、氟化钾、磷酸钠和蒸馏水，超声振荡至所有试剂完全溶解为止，静置36h，得到微弧氧化电解液；所述的微弧氧化电解液中硅酸钠的浓度是6g/L，氢氧化钾的浓度是6g/L，氟化钾的浓度是8g/L，磷酸钠的浓度是18g/L；

三、超声微弧氧化处理：将步骤二制备的微弧氧化电解液放入电解槽中，然后将电解槽下放入超声波振荡仪中，微弧氧化设备的阴极接不锈钢电解槽，阳极接步骤一中酸处理后的纯钛试样，设置微弧氧化设备的阴阳极间距离为50mm，启动微弧氧化设备和超声波振荡仪，在超声波频率为50KHz、微弧氧化电压为400V、脉宽为60μs、脉冲频率为600Hz和占空比为2.5％的条件下超声微弧氧化9min，关闭微弧氧化设备和超声波振荡仪，将样品取出用蒸馏水冲洗干净，自然晾干；

四、后处理：

①将步骤三超声微弧氧化处理完的钛试样放入4mol/L的NaOH水溶液中，然后置于温度为70℃的水浴中保温30min，用水清洗后自然晾干，得到碱处理的钛试样；

②配置多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液，用浓度为3mol/L的盐酸调pH为7，然后加入中药溶液，超声20min，得到多巴胺-中药的混合溶液；将步骤四①中碱处理的钛试样放入多巴胺-中药的混合溶液中，超声10min，然后放在室温和不见光的条件下静置24h，取出后自然阴干，得到纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层；所述的多巴胺-中药的混合溶液中中药的浓度是2.5g/L；所述的多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液中多巴胺的浓度是2g/L、三羟甲基氨基甲烷的浓度是1.0g/L；所述的多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液与中药溶液的体积相等；步骤四②中所述的中药溶液中的中药是葛根粉，溶剂是水。

试验二：本试验为一种纯钛口腔种植体微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层的制备方法：

本试验与试验一不同的是步骤四②中所述的多巴胺-中药的混合溶液中中药的浓度是3.75g/L，其它与试验一相同。

试验三：本试验为一种纯钛口腔种植体微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层的制备方法：

本试验与试验一不同的是步骤四②中所述的多巴胺-中药的混合溶液中中药的浓度是5g/L，其它与试验一相同。

试验四：本试验为对比试验，一种纯钛口腔种植体微弧氧化-多巴胺涂层的制备方法，具体是：

一、纯钛试样表面预处理：用砂纸对待处理的纯钛试样表面进行粗磨，然后依次用丙酮和蒸馏水各超声25min，吹干后放入密封袋中密封备用；

将HF酸、浓HNO₃和去离子水均匀混合，得到混合酸，将吹干后的纯钛试样放入混合酸中浸泡40s，得到酸处理后的纯钛试样；所述的HF酸的质量浓度是40％；所述的浓HNO₃的质量浓度是65％；

二、配置微弧氧化电解液：在烧杯中依次加入硅酸钠、氢氧化钾、氟化钾、磷酸钠和蒸馏水，超声振荡至所有试剂完全溶解为止，静置36h，得到微弧氧化电解液；所述的微弧氧化电解液中硅酸钠的浓度是6g/L，氢氧化钾的浓度是6g/L，氟化钾的浓度是8g/L，磷酸钠的浓度是18g/L；

三、超声微弧氧化处理：将步骤二制备的微弧氧化电解液放入电解槽中，然后将电解槽下放入超声波振荡仪中，微弧氧化设备的阴极接不锈钢电解槽，阳极接步骤一中酸处理后的纯钛试样，设置微弧氧化设备的阴阳极间距离为50mm，启动微弧氧化设备和超声波振荡仪，在超声波频率为50KHz、微弧氧化电压为400V、脉宽为60μs、脉冲频率为600Hz和占空比为2.5％的条件下超声微弧氧化9min，关闭微弧氧化设备和超声波振荡仪，将样品取出用蒸馏水冲洗干净，自然晾干；

四、后处理：

①将步骤三超声微弧氧化处理完的钛试样放入4mol/L的NaOH水溶液中，然后置于温度为70℃的水浴中保温30min，用水清洗后自然晾干，得到碱处理的钛试样；

②配置多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液，用浓度为3mol/L的盐酸调pH为7；将步骤四①中碱处理的钛试样放入多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液中，超声10min，然后放在室温和不见光的条件下静置24h，取出后自然阴干，得到纯钛表面微弧氧化-多巴胺涂层；所述的多巴胺和三羟甲基氨基甲烷的混合水溶液中多巴胺的浓度是2g/L、三羟甲基氨基甲烷的浓度是1.0g/L。

图1是试验四中纯钛表面微弧氧化-多巴胺涂层2000倍的SEM表面形貌图，图2是试验一中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层2000倍的SEM表面形貌图，图3是试验二中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层2000倍的SEM表面形貌图，图4是试验三中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层2000倍的SEM表面形貌图，从图中可以看出纯钛微弧氧化表面载葛根表面致密，孔径相差不大的微孔，大多的孔已经被中药封住，有的孔处于中药刚进入状态，微弧氧化粗糙的孔有利于在偶联剂作用下葛根的载入。

图5是XRD图，是TiO₂，图a是试验四中纯钛表面微弧氧化-多巴胺涂层，图b是试验一中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层，图c是试验二中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层，图d是试验三中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层,从图中可以看出纯钛微弧氧化表面载葛根表面的相主要为TiO₂。

图6是电化学塔菲尔曲线图，图1是试验四中纯钛表面微弧氧化-多巴胺涂层，图2是试验一中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层，图3是试验二中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层，图4是试验三中纯钛表面微弧氧化-多巴胺偶联载中药涂层，从图中可以看出纯钛微弧氧化表面载葛根表面涂层的计划电压高于只加偶联剂的微弧氧化涂层，电位高，耐蚀性优异。