一种聚吡咯调控铜纳米粒子构建光动力抗菌促成骨地塞米松/羟基磷灰石涂层的制备方法

1.本发明涉及一种仿生骨组织复合材料的制备方法，特别是涉及一种聚吡咯调控铜纳米粒子构建光动力抗菌促成骨地塞米松/羟基磷灰石涂层的制备方法。


背景技术：

2.由人口老龄化、骨科疾病和骨质疏松症相关引起的骨折数量增加，导致对人造植入物材料的需求不断增长。钛及其合金由于其机械性能好，对细胞具有相容性，与皮质骨的弹性模相接近，被广泛用于制造人工骨修复材料。然而，钛及其合金缺乏生物活性，无抗菌能力，骨整合能力不足。因此，赋予钛及其合金抗菌成骨性能具有重要意义。
3.羟基磷灰石（ha）含有促进骨骼发育和生长的ca元素，是骨骼中重要的组成部分，大约占到骨骼全部质量的70％；在牙的本质和釉质中，其质量百分含量比为70％和97％。因具有良好的生物相容性和生物活性，适用于人工牙或骨的陶瓷材料。在生物医用金属表面制备ha涂层，可持续改善植入物表面的生物活性。然而，ha在临床中成骨性能不尽如人意，且不具备抗菌性能。
4.地塞米松（dex）是一种芳香族抗炎药，促进人骨髓间重质干细胞的成骨分化，是一种广泛使用的成骨药物，与生长因子相比，具有相对较长的半衰期，更高的成本效益和更充足的可用性，可改善ha的骨诱导性能。然而，局部高浓度的dex释放导致或加重骨质疏松症，无法解决钛及其合金缺乏抗菌性能问题。
5.尽管在植入手术中进行了有效的手术清创术和延长抗生素治疗时间，但仍导致感染的持续存在。根据第二届肌肉骨骼感染国际共识会议报道骨科专业预计感染率为0.1％到30％。因此骨科植入物相关感染是具有挑战性的并发症，可导致愈合延迟，植入物松动，植入物去除，截肢甚至死亡。目前解决抗菌的策略有还存在不足，例抗生素产生耐药性、抗菌肽来源有限成本过高、金属抗菌剂对细胞潜在毒性。
6.近红外触发光动力抗菌治疗（pdat）是一种对人体侵袭性小、全身毒性低、副作用小且新颖的抗菌方法，备受研究人员的关注。pdat在光照射的10分钟内，通过光热作用和有限的ros，可几乎完全消除e. coli（大肠杆菌）和s. aureus（金葡菌）。铜纳米颗粒（cu-nps）由于局部表面等子离体共振而在可见光和近红外区域表现出强烈的光吸收，将光转换为热，同时产生局部的电子-空穴对，这些电子-空穴对可将表面吸附的h2o、o2催化生成1o2。此外，铜是人体必需的微量元素，具有刺激血管生成的能力。cu-nps具有广泛的抗菌性和抗细菌耐药性能，被广泛用于抗菌。然而cu-nps的在应用过程中的团聚问题，影响其表面等子离体共振，降低其抗菌能力，对细胞产生毒性。
7.为实现dex的适当浓度的释放，避免ha和cu-nps团聚问题，引入聚吡咯（ppy）作为调控剂。ppy是导电高分子，具有氨基配位结构和阴离子摻杂机理，被应用于与金属离子配位和控制药物释放，来避免金属纳米粒子团聚和实现药物的有效释放，使cu-nps、ha均匀分布，同时减缓cu
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、dex的释放。
8.脉冲电化学方法反应条件温和，可通过调节参数来控制涂层形貌。与直流电流电化学沉积法相比，脉冲电沉积法通过在基底表面进行特定的间歇式反应，有利于减小浓差极化，可制备出理想的复合涂层。
9.基于此，综合聚吡咯对金属离子的配位作用，铜的广谱抗菌性、促血管功能，cu-nps对近红外光的响应性特点，地塞米松促成骨特性，羟基磷灰石良好的生物相容性，以及脉冲电化学在构建形貌可控的涂层方面的独特优势，本发明提供一种聚吡咯调控铜纳米粒子构建光动力抗菌促成骨地塞米松/羟基磷灰石涂层的制备方法。


技术实现要素：

10.本发明的目的在提供一种聚吡咯调控铜纳米粒子构建光动力抗菌促成骨地塞米松/羟基磷灰石涂层的制备方法。基于脉冲电化学方法，以ppy作为ha、cu-nps、dex的调控剂，使ha、cu-nps、dex修饰到ti表面，构建纳米复合涂层。该复材料可应用于骨损伤修复和骨缺损治疗领域。
11.本发明通过下述的技术方案来实现：一种聚吡咯调控铜纳米粒子构建光动力抗菌促成骨地塞米松/羟基磷灰石涂层的制备方法，包括如下步骤：（1）医用钛及其合金通过打磨，丙酮处理，酸碱处理，吹干用于实验；（2）在蒸馏水中依次加入硝酸铜、吡咯、硝酸钙、磷酸二氢铵和地塞米松磷酸二钠，磁力搅拌均匀，配制出电解液，并调节ph=5.0；（3）以步骤（2）所得的电解液，步骤（1）的钛片为工作电极，钛箔为对电极，甘汞电极为参比电极，设置电沉积参数，进行脉冲电化学沉积，沉积完成后自然晾干。
12.作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（1）中所述将打磨完的钛片用丙酮在超声下清洗8~10 min，重复3~5次；丙酮清洗完后用蒸馏水超声清洗8~10 min，重复3~5次，丙酮和蒸馏水用量需没过钛片；配置浓硫酸（98%）、浓盐酸（36%）、水的体积比为1:1:1的混酸，将上步处理好的钛片置于混酸中，在密封条件下水浴锅中恒温60~70 ℃处理5~6 h。混酸处理后，用蒸馏水超声清洗8~10 min，重复3~5次。混酸和蒸馏水用量需没过钛片；将上步处理好的钛片置于4.5~5.5 mol
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的naoh溶液中，在密封条件下水浴锅中恒温60~70 ℃处理1~1.5h。碱处理后用蒸馏水超声清洗8~10 min，重复3~5次，碱溶液和蒸馏水用量需没过钛片。
13.作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（2）中所述硝酸铜的加入浓度范围为0.1~0.3 mmol
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，吡咯的加入浓度范围为14.4~21.6 mmol
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，硝酸钙、磷酸二氢铵和地塞米松磷酸二钠加入浓度分别为8~12 mmol
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、5~8mmol
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、0.8~1.5mmol
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。
14.进一步地，步骤（3）中所述电沉积参数的设置：高电位0.8 ~1.0 v/50 s，低电位-1.3~2.0 v/600 s，循环10~12次。
15.综上所述，本发明复合涂层的制备方法的优点在于：基于静脉冲电沉积法制备了一种聚吡咯调控铜纳米粒子构建光动力抗菌促成骨地塞米松/羟基磷灰石复合涂层，该复合涂层在808 nm光照射下具有光热光动力快速杀菌，促进血管生成和刺激骨形成能力。该制备方法操作简便，成本低廉，制得复合涂层作为骨修复材料具有良好的应用前景。
附图说明
16.图1为本发明的实施例一制得的复合涂层的扫描电镜（sem）图片；图2为本发明的实施例一制得的复合涂层的能谱（eds）图；图3为本发明的实施例一制得的复合涂层在808 nm近红外光照射10 min时温度随时间变化曲线图。
17.图4为本发明的实施例一制得的复合涂层在808 nm近红外光照射不同时间时的1o2含量变化图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.实施例一一种聚吡咯调控铜纳米粒子构建光动力抗菌促成骨地塞米松/羟基磷灰石涂层的制备方法，包括如下步骤：（1）将医用钛及其合金用砂纸打磨至钛表面无黑色污点呈现银白色的金属光泽；将打磨完的钛片用丙酮在超声下清洗10 min，重复3次；丙酮清洗完后用蒸馏水超声清洗10 min，重复3次，丙酮和蒸馏水用量需没过钛片；配置浓硫酸（98%）、浓盐酸（36%）、水的体积比为1:1:1的混酸，将上步处理好的钛片置于混酸中，在密封条件下水浴锅中恒温60 ℃处理5 h。混酸腐蚀后，用蒸馏水超声清洗10 min，重复3次。其中混酸和蒸馏水用量需没过钛片；将上步处理好的钛片置于5 mol
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的naoh溶液中，在密封条件下水浴锅中恒温60 ℃处理1 h。碱处理后用蒸馏水超声清洗10 min，重复3次。其中碱和蒸馏水用量需没过钛片；将处理好的钛片吹干用于实验。
20.（2）在蒸馏水中依次加入硝酸铜、吡咯、硝酸钙、磷酸二氢铵和地塞米松磷酸二钠，磁力搅拌均匀，配制成硝酸铜、吡咯、硝酸钙、磷酸二氢铵和地塞米松磷酸二钠浓度分别为1.0 mmol
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、17.3 mmol
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、10.0 mmol
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、6.1 mmol
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、0.9 mmol
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的100 ml电解液，并调节ph=5.0。
21.（3）以钛片为工作电极，钛箔为对电极，甘汞电极为参比电极设置电沉积参数，高电位0.8 v/50 s，低电位-1.5v/600 s，循环11次，合成复合涂层，待合成结束后将涂层自然晾干。
22.图1为复合涂层的sem图，从图1可看出复合涂层均呈小球状，且小球分布均匀，无团聚。图2为复合涂层中铜元素分布图，从图2可看出复合涂层中铜元素分布均匀。图3为复合涂层在808 nm近红外光照射10 min时温度随时间变化曲线图。由图3可知在激光功率为1 w
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的808 nm激光照射10 min时pbs溶液、ti和ppy/ha/cu/dex的溶液温度分别由19.6 ℃、19.1 ℃、19.7 ℃上升至35.1 ℃、45.9 ℃、54.5 ℃。图4为复合涂层在808 nm近红外光照射不同时间时的1o2含量变化图。由图4可知随着光照时间的增加，ppy/ha/cu/dex组在410nm处的吸光度呈下降趋势，表明1o2量随着照射时间的增加而增加。分析可知该复合涂层将近红外光转化为热，并产生1o2，在人组织可承受范围内可达到抗菌目的。
23.实施例二一种聚吡咯调控铜纳米粒子构建光动力抗菌促成骨地塞米松/羟基磷灰石涂层的制备方法，包括如下步骤：（1）将医用钛及其合金用砂纸打磨至钛表面无黑色污点呈现银白色的金属光泽；将打磨完的钛片用丙酮在超声下清洗10 min，重复3次；丙酮清洗完后用蒸馏水超声清洗10 min，重复3次，丙酮和蒸馏水用量需没过钛片；配置浓硫酸（98%）、浓盐酸（36%）、水的体积比为1:1:1的混酸，将上步处理好的钛片置于混酸中，在密封条件下水浴锅中恒温60 ℃处理5 h。混酸腐蚀后，用蒸馏水超声清洗10 min，重复3次。其中混酸和蒸馏水用量需没过钛片；将上步处理好的钛片置于5.5 mol
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l-1
的naoh溶液中，在密封条件下水浴锅中恒温60 ℃处理1.5 h。碱处理后用蒸馏水超声清洗10 min，重复3次。其中碱和蒸馏水用量需没过钛片；将处理好的钛片吹干用于实验。
24.（2）在蒸馏水中依次加入硝酸铜、吡咯、硝酸钙、磷酸二氢铵和地塞米松磷酸二钠，磁力搅拌均匀，配制成硝酸铜、吡咯、硝酸钙、磷酸二氢铵和地塞米松磷酸二钠浓度分别为0.9 mmol
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、17.2 mmol
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、10.1 mmol
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、6.0 mmol
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、0.9 mmol
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的100.0 ml电解液，并调节ph=5.0。
25.（3）以钛片为工作电极，钛箔为对电极，甘汞电极为参比电极设置电沉积参数，高电位1.0 v/50 s，低电位-1.3v/600 s，循环11次，合成复合涂层，待合成结束后将涂层自然晾干。
26.实施例三一种聚吡咯调控铜纳米粒子构建光动力抗菌促成骨地塞米松/羟基磷灰石涂层的制备方法，包括如下步骤：（1）将医用钛及其合金用砂纸打磨至钛表面无黑色污点呈现银白色的金属光泽；将打磨完的钛片用丙酮在超声下清洗10 min，重复3次；丙酮清洗完后用蒸馏水超声清洗10 min，重复3次，丙酮和蒸馏水用量需没过钛片；配置浓硫酸（98%）、浓盐酸（36%）、水的体积比为1:1:1的混酸，将上步处理好的钛片置于混酸中，在密封条件下水浴锅中恒温60 ℃处理5 h。混酸腐蚀后，用蒸馏水超声清洗10 min，重复3次。其中混酸和蒸馏水用量需没过钛片；将上步处理好的钛片置于5 mol
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的naoh溶液中，在密封条件下水浴锅中恒温60 ℃处理1 h。碱处理后用蒸馏水超声清洗10 min，重复3次。其中碱和蒸馏水用量需没过钛片；将处理好的钛片吹干用于实验。
27.（2）在蒸馏水中依次加入硝酸铜、吡咯、硝酸钙、磷酸二氢铵和地塞米松磷酸二钠，磁力搅拌均匀，配制成硝酸铜、吡咯、硝酸钙、磷酸二氢铵和地塞米松磷酸二钠浓度分别为1.1 mmol
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、17.0 mmol
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、9.8 mmol
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、5.8 mmol
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、1.0 mmol
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的100.0 ml电解液，并调节ph=5.0。
28.（3）以钛片为工作电极，钛箔为对电极，甘汞电极为参比电极设置电沉积参数，高电位0.8 v/50 s，低电位-2.0v/600 s，循环11次，合成复合涂层，待合成结束后将涂层自然晾干。
29.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的范围，任何本领域的技术人员，凡在不脱离本发明的精神和原则之前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。