具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材的制备方法

摘要

本发明首先通过阳极氧化法在钛材表面生成高度规则有序的二氧化钛纳米管阵列，然后通过旋涂法将银盐溶液添加到二氧化钛纳米管内，高温加热使银盐在纳米管内分解形成银纳米颗粒，最后用季铵盐QAS修饰材料表面，制得了一种同时具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材，制备方法简单，无需特殊设备，制备成本低。

说明书

技术领域

本发明属于医用材料领域，涉及一种功能化钛材的制备方法。

背景技术

钛及钛合金具有与人骨近似的弹性模量、优良的耐蚀性、良好的生物相容性和加工性能，自70年代开始就作为植入材料被广泛应用于牙科植入体、人工关节及牙齿植入支架等。细菌感染是生物材料植入失败最常见的原因之一。如果受到严重感染，就需要取出植入体并重新手术。因此，理想的植入体不仅需要良好的生物相容性，而且需要持久的抗菌性能。

既往研究结果显示，合适的纳米管管径和管长可以促进细胞功能；二氧化钛纳米管在加载抗生素后具有良好的抗菌性能，但由于抗生素的快速释放，不能达到持久的抗菌效果；二氧化钛纳米管在加载银纳米颗粒后具有比较持久的抗菌能力，但对细胞有一定毒性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材及其制备方法，操作过程简单，无需特殊设备，制备成本低，所得产品具有长效抗菌性能和良好的生物相容性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1．具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材的制备方法，包括以下步骤：

a．将钛材清洗得到洁净的金属表面；

b．采用阳极氧化法在步骤a得到的钛材表面形成规则有序的二氧化钛纳米管阵列；

c．用银盐溶液通过旋涂的方式处理步骤b得到的钛材，使银盐进入二氧化钛纳米管内，再通过高温加热使进入二氧化钛纳米管内的银盐分解形成银纳米颗粒；

d．将步骤c得到的钛材表面用紫外光照射1~3小时，再在钛材表面滴加二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化铵（QAS）溶液，加热处理形成QAS修饰层，即得具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材。

优选的，所述步骤a是将钛材依次用丙酮、异丙醇和甲醇超声清洗10~20分钟，再用水清洗2~4次，干燥备用。

优选的，所述步骤b是以步骤a得到的钛材作为阳极，铂作为阴极，用浓度为0.25~0.30 mol/L、以体积比为1:1的丙三醇-水混合液为溶剂的氟化铵溶液作为电解液，在恒电压30V条件下阳极氧化反应30~60分钟；处理后的钛材清洗、干燥备用。

更优选的，所述步骤b是用浓度为0.27mol/L、以体积比为1:1的丙三醇-水混合液为溶剂的氟化铵溶液作为电解液，在恒电压30V条件下阳极氧化反应30分钟。

优选的，所述步骤c是用饱和浓度的银盐溶液通过旋涂的方式处理步骤b得到的钛材，旋涂次数为10~30次，每次先以450~550转/分钟旋涂15~30秒，再以1000~2000转/分钟旋涂10~20秒；处理后的钛材清洗、干燥，再在470~550℃、惰性气体保护条件下加热2~4小时，冷却备用。

更优选的，所述步骤c是用浓度为1mol/L的硝酸银溶液进行旋涂，旋涂次数为30次，每次先以450转/分钟旋涂18秒，再以1500转/分钟旋涂12秒；处理后的钛材清洗、干燥后，在500℃、氩气保护条件下加热3小时。

优选的，所述步骤d是将步骤c得到的钛材表面用紫外光照射1~3小时，再在钛材表面滴加质量分数为0.4~0.6%的QAS溶液，80℃加热16-24小时，即得具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材。

更优选的，所述步骤d是将步骤c得到的钛材表面用紫外光照射2小时，再在钛材表面滴加质量分数为0.5%的QAS溶液，80℃加热20小时。

2．采用上述制备方法制得的产品即为具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材。

上述制备方法中，步骤b采用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列。在阳极氧化过程中，诸多因素可以影响纳米管阵列的形成，例如电解液体系、氧化电压等，不同制备条件可能得到具有不同形貌特征的纳米管阵列。本发明对电解液体系进行了考察，包括氟化铵丙三醇体系，氢氟酸水体系和氟化铵丙三醇/水(体积比为1:1)体系。结果显示，用氟化铵丙三醇体系制备相同管径管长的二氧化钛纳米管阵列，需要较长时间和较高电压；用氢氟酸水体系制备二氧化钛纳米管阵列，纳米管阵列的形貌难以控制；而用氟化铵丙三醇/水(体积比为1:1)体系制备二氧化钛纳米管阵列，通过改变氧化电压等途径可以较容易地控制纳米管的管径管长；因此，本发明的电解液体系优选氟化铵丙三醇/水(体积比为1:1)体系。氟化铵的浓度会影响所生成的二氧化钛纳米管的形态，研究表明，采用浓度为0.25~0.30特别是0.27 mol/L的氟化铵电解液，所制得的二氧化钛纳米管具有良好的形态。本发明还对氧化电压进行了考察，分别为5、10、15、20、25、30、40V。结果显示，氧化电压小则生成的二氧化钛纳米管的管径小，不利于银纳米颗粒的加载，随着氧化电压的升高，二氧化钛纳米管的管径增大，当氧化电压大于40V时，二氧化钛纳米管被破坏，因此，本发明优选氧化电压为30V。

步骤c通过旋涂法将银盐溶液添加到二氧化钛纳米管内。旋涂法可依靠纳米管本身多孔管状结构的毛细现象和银盐溶液本身的重力作用，使银盐进入纳米管内部，并且利用旋转时产生的离心力使银盐在管体中分布均匀。影响银盐在管体中分布的主要因素有银盐溶液浓度、旋涂次数和旋涂速度等。为了能够有效地加载银纳米颗粒到二氧化钛纳米管内，本发明的银盐溶液浓度优选为饱和浓度。在一定数值范围内，旋涂次数越多，进入管体内部的银盐越多。旋涂速度太慢产生的离心力不够，如果刚开始时旋涂速度很快，银盐会被甩出而不能很好的加载到纳米管内。本发明的研究结果显示，采用高浓度银盐溶液，先用较低速度再用较高速度旋涂，旋涂较多次数，才能有效加载银盐到二氧化钛纳米管内（图1）。

步骤d先通过紫外灯照射增加钛材表面的化学活性基团，再滴加QAS溶液，使其在加热处理条件下与钛材表面的化学活性基团反应，最终在钛材表面形成QAS修饰层。QAS溶液浓度太低，会使钛材表面不能被QAS完全覆盖，进而影响抗菌效果；QAS溶液浓度过高，则QAS除部分接枝到钛材表面外，QAS分子间还会发生自身反应，形成不必要的浪费。本发明研究显示，QAS溶液的质量分数优选为0.4~0.6%，更优选为0.5%。

本发明的有益效果在于：本发明首先通过阳极氧化法在钛材表面生成高度规则有序的二氧化钛纳米管阵列，然后通过旋涂法将银盐溶液添加到二氧化钛纳米管内，高温加热使银盐在纳米管内分解形成银纳米颗粒，最后用季铵盐QAS修饰材料表面，制得了一种同时具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材，制备方法简单，无需特殊设备，制备成本低。

附图说明

图1为不同条件下二氧化钛纳米管内银加载的场发射扫描电镜图，其中A为低浓度银盐、低速-高速旋涂，B为高浓度银盐、较少旋涂次数，C为高浓度银盐、高速旋涂，D为高浓度银盐、低速-高速旋涂。

图2为经过不同处理的钛材表面的场发射扫描电镜图，其中A为未处理钛材，B为“二氧化钛纳米管”俯视图，C为“二氧化钛纳米管”截面图，D为“二氧化钛纳米管银”俯视图，E为“二氧化钛纳米管银”截面图（箭头指示了在二氧化钛纳米管内的银纳米颗粒），F为“二氧化钛纳米管银QAS”俯视图。

图3为经过不同处理的钛材表面的能谱分析图，其中A为“二氧化钛纳米管”，B为“二氧化钛纳米管银”，C为“二氧化钛纳米管银QAS”。

图4为大鼠成骨细胞在经过不同处理的钛材表面的活性，其中*表示与未处理钛材比较p<0.05，**表示与未处理钛材比较p<0.01，#表示与“二氧化钛纳米管”比较p<0.05，&表示与“二氧化钛纳米管银”比较p<0.05，&&表示与“二氧化钛纳米管银”比较p<0.01。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1．具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材的制备

a．钛材的预处理：将钛材依次用丙酮、异丙醇及甲醇超声清洗20分钟，再用去离子水清洗3次，40℃干燥，备用；

b．二氧化钛纳米管阵列的构建：将氟化铵用体积比为1:1的丙三醇-水混合溶液溶解，制成浓度为0.27mol/L的氟化铵溶液，作为电解液；将步骤a得到的钛材作为阳极，铂作为阴极，置上述氟化铵电解液中，在恒电压30V条件下阳极氧化反应30分钟；处理后的钛材用水清洗5次，40℃干燥，备用；所得钛材简称为“二氧化钛纳米管”；

c．银纳米颗粒的加载：将步骤b得到的钛材固定在旋涂机（spin-coater）上，在钛材表面滴加浓度为1mol/L的硝酸银溶液，每次20μL，先以450转/分钟旋涂18秒，再以1500转/分钟旋涂12秒，重复旋涂30次；处理后的钛材用水清洗5次，室温干燥，再在500℃、氩气保护条件下加热3小时，冷却备用；所得钛材简称为“二氧化钛纳米管银”；

d．季铵盐的修饰：将步骤c得到的钛材表面用紫外光照射2小时，再在钛材表面滴加质量分数为0.5%的QAS溶液20μL，80℃加热20小时，即得具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材，简称为“二氧化钛纳米管银QAS”。

上述各步骤处理后所得钛材表面的场发射扫描电镜图如图2所示，可见经步骤b处理后，在钛材表面形成了竖直排列、规则有序的二氧化钛纳米管阵列，其中二氧化钛纳米管的管径约110nm，管长约900nm；经步骤c处理后，加载的银纳米颗粒有小部分存在于纳米管的表面和管与管之间，大部分存在于二氧化钛纳米管内部；经步骤d处理后，二氧化钛纳米管被QAS部分覆盖。

上述各步骤处理后所得钛材表面的能谱分析图如图3所示，可见与步骤b处理后的钛材相比，步骤c处理后的钛材含有约5%的银元素，说明步骤c在二氧化钛纳米管内部有效地加载了银纳米颗粒，而步骤d处理后的钛材中硅、氮和氯元素的含量明显增加，说明在“二氧化钛纳米管银”材料表面成功修饰了QAS。

实施例2．具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材的制备

a．钛材的预处理：将钛材依次用丙酮、异丙醇及甲醇超声清洗20分钟，再用去离子水清洗3次，40℃干燥，备用；

b．二氧化钛纳米管阵列的构建：将氟化铵用体积比为1:1的丙三醇-水混合溶液溶解，制成浓度为0.25mol/L的氟化铵溶液，作为电解液；将步骤a得到的钛材作为阳极，铂作为阴极，置上述氟化铵电解液中，在恒电压30V条件下阳极氧化反应45分钟；处理后的钛材用水清洗5次，40℃干燥，备用；所得钛材简称为“二氧化钛纳米管”；

c．银纳米颗粒的加载：将步骤b得到的钛材固定在旋涂机（spin-coater）上，在钛材表面滴加浓度为1mol/L的硝酸银溶液，每次20μL，先以500转/分钟旋涂30秒，再以1000转/分钟旋涂20秒，重复旋涂20次；处理后的钛材用水清洗5次，室温干燥，再在500℃、氩气保护条件下加热3小时，冷却备用；所得钛材简称为“二氧化钛纳米管银”；

d．季铵盐的修饰：将步骤c得到的钛材表面用紫外光照射3小时，再在钛材表面滴加质量分数为0.6%的QAS溶液20μL，80℃加热24小时，即得具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材，简称为“二氧化钛纳米管银QAS”。

实施例3．具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材的制备

a．钛材的预处理：将钛材依次用丙酮、异丙醇及甲醇超声清洗20分钟，再用去离子水清洗3次，40℃干燥，备用；

b．二氧化钛纳米管阵列的构建：将氟化铵用体积比为1:1的丙三醇-水混合溶液溶解，制成浓度为0.30mol/L的氟化铵溶液，作为电解液；将步骤a得到的钛材作为阳极，铂作为阴极，置上述氟化铵电解液中，在恒电压30V条件下阳极氧化反应60分钟；处理后的钛材用水清洗5次，40℃干燥，备用；所得钛材简称为“二氧化钛纳米管”；

c．银纳米颗粒的加载：将步骤b得到的钛材固定在旋涂机（spin-coater）上，在钛材表面滴加浓度为1mol/L的硝酸银溶液，每次20μL，先以550转/分钟旋涂15秒，再以2000转/分钟旋涂10秒，重复旋涂10次；处理后的钛材用水清洗5次，室温干燥，再在500℃、氩气保护条件下加热3小时，冷却备用；所得钛材简称为“二氧化钛纳米管银”；

d．季铵盐的修饰：将步骤c得到的钛材表面用紫外光照射1小时，再在钛材表面滴加质量分数为0.4%的QAS溶液20μL，80℃加热16小时，即得具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材，简称为“二氧化钛纳米管银QAS”。

实验例1．具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材对大肠杆菌的抑制能力

取实施例1经过不同处理后得到的“二氧化钛纳米管”、“二氧化钛纳米管银”和“二氧化钛纳米管银QAS”以及按照实施例1步骤a、b、d处理得到的“二氧化钛纳米管QAS”材料，用紫外光照射2小时杀菌，在材料表面滴加大肠杆菌悬液40μL，分别于37℃培养1、7、21和30天，然后用无菌水4mL强烈振荡洗涤5分钟，洗下粘附在材料表面的细菌，取洗涤液100μL涂抹平板，37℃培养24小时，计数菌落并计算抗菌效率。结果见表1，“二氧化钛纳米管银”和“二氧化钛纳米管银QAS”这两种材料都具有长效抗菌性能，而随着银的释放消耗殆尽，“二氧化钛纳米管QAS”材料仍然具有良好的抗菌能力。

表1  经过不同处理的钛材对大肠杆菌的抑制能力

实验例2．具有长效抗菌性能和良好生物相容性的医用钛材对大鼠成骨细胞活性的影响

取实施例1经过不同处理后得到的“二氧化钛纳米管”、“二氧化钛纳米管银”和“二氧化钛纳米管银QAS”材料以及未处理钛材（简称为“钛材”），在材料表面接种新生大鼠颅骨成骨细胞，接种密度为40000/cm²，用含有体积分数为10%的新生牛血清的DMEM培养基培养，每2天换液，分别培养4天和7天，然后每孔加入MTT 100μL，37℃培养4小时，吸弃上清液，再每孔加入DMSO 0.5mL，用酶标仪于波长490nm处测定吸光度。结果见图1，大鼠成骨细胞在“二氧化钛纳米管银”材料上培养4天和7天的细胞活性均为最低，表明这种材料具有一定细胞毒性，而在这种材料表面修饰了QAS后，培养4天和7天的细胞活性都得到了显著的提高，说明“二氧化钛纳米管银QAS”材料具有良好的生物相容性，能够促进成骨细胞的生长。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。