一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法
2023-12-08 08:07:56 2
專利名稱：一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法。
背景技術：
醫用金屬材料由於其良好的生物相容性和力學性能，已經成功地被應用於骨缺損修復，成為重要的骨組織替換材料。醫用金屬表面由於其生物惰性，使得新骨在其表面生長緩慢，且長入的新骨與表面的機械鍵合較弱。生長因子(如BMPs，VEGF, FGF等)在骨修復過程中起著重要的調控作用。在醫用金屬表面負載BMP-2可以其提高生物活性.然而生長因子藥價昂貴，半衰期短，容易變性，局部給藥後很容易在人體組織中散逸，過量輸入則可能有潛在的毒性和致癌性。實現生長因子在醫用金屬表面的固載和緩釋是一個難題。現有的方法主要是在金屬表面的直接共價固定因子，但因子活性可能會因共價反應受到破壞。另一方面，生物醫用材料表面易引起細菌等微生物在其粘附，植入人體後，會導致感染發生，不得不再進行二次手術，取出已感染的植入物，使患者飽受痛苦，嚴重時常危及生命。可在材料表面再固載抗生素以減少感染，但現有的固載方法是物理吸附方法，抗生素在容易在短期內釋放，其抗菌作用的時間短，抗菌效果差。
發明內容
本發明的目的是提供一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法，該方法製備的塗層能在正常生理壞境下調控生長因子與抗生素的吸附和釋放，生長因子的活性保持好，骨誘導作用強；且抗生素能實現長期緩慢釋放，抗菌效果好。本發明實現其發明目的，所採用的技術方案是，一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法，其具體步驟如下:A、多糖聚合物的氧化將在溶液中顯負電性的聚多糖配製成濃度為20mg/ml的溶液，再在該溶液中加入高碘酸鈉、避光且攪拌6h，加入的高碘酸鈉與聚多糖單體單元的摩爾比為1: 1-2.5;隨後加入與高碘酸鈉等摩爾的乙二醇反應2h，反應後將溶液進行透析、取透析袋中的液體冷凍乾燥，得到多醛基多糖聚合物；B、負載抗生素納米顆粒的製備:B1、配置聚陽離子濃度為0.5-2.5mg/ml的溶液；B2、將含氨基的抗生素溶解於濃度為0.5-2.5mg/ml的氧化多糖聚合物溶液中得混合溶液，混合溶液中抗生素的濃度為0.1-lmg/ml ；B3、將BI步的聚陽離子溶液與B2步的混合溶液按2-5: I的體積比混合，並攪拌、離心、冷凍乾燥，得載有抗生素的正電性納米顆粒；隨後將正電性納米顆粒溶於水中得到濃度為0.5-5mg/ml的正電性納米顆粒溶液。
C、負載生長因子納米顆粒的製備:
Cl、配置濃度為0.5-lmg/ml的聚陽離子溶液；C2、將對骨生長有促進作用的生長因子溶解於濃度為2.5-10mg/ml的聚陰離子溶液中得混合溶液，混合溶液中生長因子的濃度為0.5-10 μ g/ml ；C3、將C2步的混合溶液與Cl步的聚陽離子溶液按1:1的體積比混合，並攪拌、離心、冷凍乾燥，製備出載有生長因子的負電性納米顆粒；隨後將負電性納米顆粒溶於水中得到濃度為0.5-5mg/ml的負電性納米顆粒溶液。D、在醫用金屬表面接枝多巴胺塗層，再將其浸入體積分數0.5% -3%的戊二醛溶液中，使其表面接枝醛基；E、將處理後的醫用金屬浸泡在B步的載有抗生素的正電性納米顆粒溶液中反應5-30分鐘，取出、衝洗，即在醫用金屬表面組裝上一層帶正電荷的納米顆粒；F、將E步處理後的醫用金屬浸泡在C步的載有生長因子的負電性納米顆粒溶液中反應5-30分鐘，取出、衝洗，即在醫用金屬表面組裝上一層帶負電荷的納米顆粒；G、重複以上E-F步的操作0-100次。與現有技術相比，本發明的有益效果是:1.生長因子和抗生素分別包裹於不同的納米顆粒中，納米顆粒能夠達到定位給藥的目的，實現局部給藥，提高生長因子和抗生素的體內生物利用度，減少藥物毒副作用，達到提高治療效果的作用。2.生長因子先與親因子的聚陰離子充分混合，再通過離子交聯的方式而不是共價結合的方式固載於納米顆粒中，生長因`子活性保持好、骨誘導作用強。3.帶氨基的抗生素先接枝到醛基化聚多糖高分子鏈上，再與聚陽離子發生離子交聯固載於納米顆粒內，隨納米顆粒的緩慢降解而緩慢釋放，抗生素的作用時間長，抗菌效果好。4.搭載生長因子和抗生素兩種藥物的納米顆粒層交替組裝在醫用金屬表面，通過選用不同的生長因子和抗生素，可以得到不同生長因子/抗生素組配，避免產生耐藥性，有效實現植入材料表面的骨誘導與抗菌作用。上述的A步中的多糖聚合物是海藻酸鈉，硫酸軟骨素或透明質酸。這幾種多糖聚合物能夠被高碘酸鈉氧化，使其分子結構帶上醛基，並通過西弗鹼反應與帶氨基的抗生素發生共價接枝，通過離子交聯使抗生素包裹在納米顆粒中。上述B步中的含氣基的抗生素為萬古黴素、慶大黴素、鏈黴素、卡那黴素、頭抱拉定、妥布黴素、丁胺卡那黴素、新黴素、核糖黴素、小諾黴素或阿斯黴素。這幾種抗生素分子鏈上都帶有不同數目氨基，易和氧化的多糖聚合物反應，從而將抗生素包裹在納米顆粒中。上述B步中的聚陰離子是肝素，海藻酸鈉，硫酸軟骨素或透明質酸。這幾種物質都是天然的多糖聚合物，在水溶液中表現出負電性，能通過離子交聯方式和聚陽離子在溫和條件下形成納米顆粒。上述C步中的生長因子是骨形態發生蛋白-2(BMP-2)、骨形態發生蛋白-7(BMP-7)、血管內皮生長因子(VEGF)或成纖維細胞生長因子(FGF)。這幾種生長因子都具有良好骨誘導功能，在中性條件下表現出正電性，在和聚陰離子溶液充分混合後，能有效的固定在多糖聚陰離子上。
上述B步和C步中的聚陽離子是聚賴氨酸或殼聚糖。這是兩種正電性的多糖高分子，生物相容性好，易和陰離子攪拌下形成納米顆粒。上述D步中的醫用金屬是鈦、鈦合金或不鏽鋼。這幾種醫用金屬合金由於良好的生物相容性和力學性能被廣泛應用於骨組織替換材料，表面易被活化，能促進骨快速癒合。下面結合具體實施方式
對本發明作進一步的描述。
具體實施例方式實施例1一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法，其具體步驟如下:A、海藻酸鈉的氧化:將海藻酸鈉配製成濃度為20mg/ml的溶液，再在該溶液中加入高碘酸鈉、避光且攪拌6h，加入的高碘酸鈉與海藻酸鈉單體單元的摩爾比為1: 1，隨後加入與高碘酸鈉等摩爾的乙二醇反應2h;反應後將溶液進行透析、取透析袋中的液體冷凍乾燥，得到多醛基海藻酸鈉。B、負載萬古黴素納米顆粒的製備:B1、配置聚賴氨酸濃度為2.5mg/ml的溶液；B2、將萬古黴素溶 解於濃度為0.5mg/ml的氧化海藻酸鈉溶液中，得到混合溶液，混合溶液中萬古黴素濃度為0.5mg/ml ；B3、將BI步的聚賴氨酸溶液與B2步的混合溶液按3: I的體積比混合，並攪拌、離心、冷凍乾燥，製備出載有萬古黴素的正電性納米顆粒；隨後將正電性納米顆粒溶於水中得到濃度為2.5mg/ml的正電性納米顆粒溶液；C、負載BMP-2納米顆粒的製備:Cl、配置濃度為0.5mg/ml的聚賴氨酸溶液；C2、將對骨生長有促進作用的骨形態發生蛋白-2 (BMP-2)溶解於濃度為5mg/ml的硫酸軟骨素溶液中，得到混合溶液，混合溶液中中生長因子的濃度為5μ g/ml ；C3、將Cl步的聚賴氨酸溶液與C2步的混合溶液按1:1的體積比混合，並攪拌、離心、冷凍乾燥，製備出載有生長因子的負電性納米顆粒；隨後將負電性納米顆粒溶於水中得到濃度為0.5mg/ml的負電性納米顆粒溶液；D、在純鈦表面接枝多巴胺塗層，再將其浸入體積分數2%的戊二醛溶液中浸泡24h，使其表面接枝醛基；E、將處理後的純鈦浸泡在B步的載有萬古黴素的正電性納米顆粒溶液中反應15分鐘，取出、衝洗，即在純鈦表面組裝上一層帶正電荷的納米顆粒；F、將E步處理後的純鈦浸泡在C步的載有骨形態發生蛋白-2 (BMP-2)的負電性納米顆粒溶液中反應30分鐘，取出、衝洗，即在純鈦表面組裝上一層帶負電荷的納米顆粒；G、重複以上E-F步的操作10次。實施例2本例的操作與實施例1基本相同，只是將實施例1中使用的抗生素由萬古黴素換成頭孢拉定、醫用金屬由鈦換成鈦合金。
實施例3本例的操作與實施例1基本相同，只是將實施例1中使用的抗生素由萬古黴素換成卡那黴素。實施例4一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法，其具體步驟如下:A、透明質酸的氧化將透明質酸配製成濃度為20mg/ml的溶液，再在該溶液中加入高碘酸鈉、避光且攪拌6h，加入的高碘酸鈉與透明質酸單體單元的摩爾比為1: 2，隨後加入與高碘酸鈉等摩爾的乙二醇反應2h;反應後將溶液進行透析、取透析袋中的液體冷凍乾燥，得到多醛基透明質酸。B、負載鏈黴素納米顆粒的製備:B1、配置殼聚糖濃度為0.5mg/ml的溶液；B2、將鏈黴素溶解於濃度為1.0mg/ml的氧化硫酸軟骨素溶液中，得到混合溶液，混合溶液中鏈黴素濃度為0.lmg/ml ；B3、將BI步的殼聚糖溶液與B2步的混合溶液按2: I的體積比混合，並攪拌、離心、冷凍乾燥，製備出載有鏈黴素的正電性納米顆粒；隨後將正電性納米顆粒溶於水中得到濃度為0.5mg/ml的正電性納米顆粒溶液；C、負載BMP-7納米顆粒的製備:Cl、配置濃度為0.7mg/ml的殼聚糖溶液；C2、將對骨生長有促進作用的骨形態發生蛋白-7(BMP-7)溶解於濃度為10mg/ml的透明質酸溶溶液中，得到混合溶液，混合溶液中中生長因子的濃度為10yg/ml ；C3、將Cl步的殼聚糖溶液與C2步的混合溶液按1:1的體積比混合，並攪拌、離心、冷凍乾燥，製備出載有生長因子的負電性納米顆粒；隨後將負電性納米顆粒溶於水中得到濃度為5mg/ml的負電性納米顆粒溶液；D、在純鈦表面接枝多巴胺塗層，再將其浸入體積分數0.5%的戊二醛溶液中浸泡24h，使其表面接枝醛基；E、將處理後的純鈦浸泡在B步的載有鏈黴素的正電性納米顆粒溶液中反應30分鐘，取出、衝洗，即在純鈦表面組裝上一層帶正電荷的納米顆粒；F、將E步處理後的純鈦浸泡在C步的載有骨形態發生蛋白-7 (BMP-7)的負電性納米顆粒溶液中反應5分鐘，取出、衝洗，即在純鈦表面組裝上一層帶負電荷的納米顆粒；實施例5本例的操作與實施例4基本相同，只是將實施例4中使用的抗生素由鏈黴素換成妥布黴素。實施例6本例的操作與實施例4基本相同，只是將實施例4中使用的抗生素由鏈黴素換成丁胺卡那黴素。實施例7—種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法，其具體步驟如下:A、硫酸軟骨素的氧化
將硫酸軟骨素配製成濃度為20mg/ml的溶液，再在該溶液中加入高碘酸鈉、避光且攪拌6h，加入的高碘酸鈉與硫酸軟骨素單體單元的摩爾比為1: 2.5，隨後加入與高碘酸鈉等摩爾的乙二醇反應2h;反應後將溶液進行透析、取透析袋中的液體冷凍乾燥，得到多醛基硫酸軟骨素。B、負載慶大黴素納米顆粒的製備:B1、配置聚賴氨酸濃度為2mg/ml的溶液；B2、將慶大黴素溶解於濃度為2.5mg/ml的氧化硫酸軟骨素溶液中，得到混合溶液，混合溶液中慶大黴素濃度為lmg/ml ；B3、將BI步的聚賴氨酸溶液與B2步的混合溶液按5: I的體積比混合，並攪拌、離心、冷凍乾燥，製備出載有慶大黴素的正電性納米顆粒；隨後將正電性納米顆粒溶於水中得到濃度為5.0mg/ml的正電性納米顆粒溶液；C、負載VEGF納米顆粒的製備:Cl、配置濃度為1.0mg/ml的殼聚糖溶液；C2、將對骨生長有促進作用的VEGF溶解於濃度為2.5mg/ml的海藻酸鈉溶液中，得到混合溶液，混合溶液中中生長因子的濃度為0.5 μ g/ml ；
C3、將Cl步的殼聚糖溶液與C2步的混合溶液按1:1的體積比混合，並攪拌、離心、冷凍乾燥，製備出載有生長因子的負電性納米顆粒；隨後將負電性納米顆粒溶於水中得到濃度為2.0mg/ml的負電性納米顆粒溶液；D、在不鏽鋼表面接枝多巴胺塗層，再將其浸入體積分數3%的戊二醛溶液中浸泡24h，使其表面接枝醛基；E、將處理後的不鏽鋼浸泡在B步的載有慶大黴素的正電性納米顆粒溶液中反應5分鐘，取出、衝洗，即在不鏽鋼表面組裝上一層帶正電荷的納米顆粒；F、將E步處理後的不鏽鋼浸泡在C步的載有VEGF的負電性納米顆粒溶液中反應20分鐘，取出、衝洗，即在不鏽鋼表面組裝上一層帶負電荷的納米顆粒；G、重複以上E-F步的操作100次。實施例8本例與實施例7基本相同，不同的是將實施例7中的生長因長由血管內皮生長因子(VEGF)換成成纖維細胞生長因子(FGF)、抗生素由慶大黴素換成阿斯黴素、聚陰離子由海藻酸鈉換成肝素。實施例9本例與實施例7基本相同，不同的是將實施例7中的抗生素由慶大黴素換成新黴素。實施例10本例與實施例7基本相同，不同的是將實施例7中的抗生素由慶大黴素換成核糖
黴素O實施例11本例與實施例7基本相同，不同的是將實施例7中的抗生素由慶大黴素換成小諾
黴素O
權利要求
1.一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法，其具體步驟如下: A、多糖聚合物的氧化: 將在溶液中顯負電性的聚多糖配製成濃度為20mg/ml的溶液，再在該溶液中加入高碘酸鈉、避光且攪拌6h，加入的高碘酸鈉與聚多糖單體單元的摩爾比為1: 1-2.5;隨後加入與高碘酸鈉等摩爾的乙二醇反應2h，反應後將溶液進行透析、取透析袋中的液體冷凍乾燥，得到多醛基多糖聚合物； B、負載抗生素納米顆粒的製備: B1、配置聚陽離子濃度為0.5-2.5mg/ml的溶液； B2、將含氨基的抗生素溶解於濃度為0.5-2.5mg/ml的氧化多糖聚合物溶液中得混合溶液，混合溶液中抗生素的濃度為0.1-lmg/ml ； B3、將BI步的聚陽離子溶液與B2步的混合溶液按2-5: I的體積比混合，並攪拌、離心、冷凍乾燥，得載有抗生素的正電性納米顆粒；隨後將正電性納米顆粒溶於水中得到濃度為0.5-5mg/ml的正電性納米顆粒溶液； C、負載生長因子納米顆粒的製備: Cl、配置濃度為0.5-lmg/ml的聚陽離子溶液； C2、將對骨生長有促進作用的生長因子溶解於濃度為2.5-10mg/ml的聚陰離子溶液中得混合溶液，混合溶液中生長因子的濃度為0.5-10 μ g/ml ； C3、將C2步的混合溶液與Cl步的聚陽離子溶液按1:1的體積比混合，並攪拌、離心、冷凍乾燥，製備出載有生長因子的負電性納米顆粒；隨後將負電性納米顆粒溶於水中得到濃度為0.5-5mg/ml的負電性納米顆粒溶液； D、在醫用金屬表面接枝多巴胺塗層，再將其浸入體積分數0.5% -3%的戊二醛溶液中，使其表面接枝醛基； E、將處理後的醫用金屬浸泡在B步的載有抗生素的正電性納米顆粒溶液中反應5-30分鐘，取出、衝洗，即在醫用金屬表面組裝上一層帶正電荷的納米顆粒； F、將E步處理後的醫用金屬浸泡在C步的載有生長因子的負電性納米顆粒溶液中反應5-30分鐘，取出、衝洗，即在醫用金屬表面組裝上一層帶負電荷的納米顆粒； G、重複以上E-F步的操作0-100次。
2.根據權利要求1所述的一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法，其特徵在於:所述的A步中的多糖聚合物是海藻酸鈉，硫酸軟骨素或透明質酸。
3.根據權利要求1所述的一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法，其特徵在於:所述B步中的含氨基的抗生素為萬古黴素、慶大黴素、鏈黴素、卡那黴素、頭孢拉定、妥布黴素、丁胺卡那黴素、新黴素、核糖黴素、小諾黴素或阿斯黴素。
4.根據權利要求1所述的一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法，其特徵在於:所述B步中的聚陰離子是肝素，海藻酸鈉，硫酸軟骨素或透明質酸。
5.根據權利要求1所述的一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法，其特徵在於:所述C步中的生長因子是骨形態發生蛋白-2(BMP-2)、骨形態發生蛋白-7(BMP-7)、血管內皮生長因子(VEGF)或成纖維細胞生長因子(FGF)。
6.根據權利要求1所述的一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方法，其特徵在於:所述B步和C步中的聚陽離子是聚賴氨酸或殼聚糖。
7.根據權利要求1所述的一種醫用金屬表面具有骨誘導與抗菌性作用塗層的製備方 法，其特徵在於:所述D步中 的醫用金屬是鈦、鈦合金或不鏽鋼。
全文摘要
本發明公開了一種在醫用金屬表面製備了具有骨誘導與抗菌性作用的納米顆粒塗層。該方法以帶不同電性的納米顆粒為載體，納米顆粒由高分子聚合物相互交聯形成，在製備電性相異的納米顆粒過程中分別載入生長因子和抗生素。其中，因子與親因子的聚陰離子先充分混合反應，通過離子交聯固載於納米顆粒中；帶氨基的抗生素先通過化學交聯接枝到多醛基陰離子聚合物上，再通過離子交聯載入到納米顆粒中。兩種納米顆粒通過靜電吸附交替組裝在醫用金屬表面，顆粒間還形成共價交聯，增強塗層的穩定性。該方法製備的塗層能在正常生理壞境下調控生長因子與抗生素的吸附和釋放，生長因子的活性保持好，骨誘導作用強；且抗生素能實現長期緩慢釋放，抗菌效果好。
文檔編號A61L27/34GK103203039SQ20131012558
公開日2013年7月17日 申請日期2013年4月12日 優先權日2013年4月12日
發明者魯雄, 王振銘, 董麗, 謝超鳴, 郭亞楠, 韓璐, 劉敏, 孫紅龍, 姜麗麗 申請人:西南交通大學