具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備方法
2023-09-15 00:06:00 1
專利名稱：具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備方法
技術領域：
本發明屬於醫用材料領域，涉及一種功能化鈦材的製備方法。
背景技術：
鈦及鈦合金是常用的醫用金屬材料，由於其具有與人骨近似的彈性模量、優良的耐蝕性、良好的生物相容性和加工性能，自70年代起就在牙科植入體、牙齒植入支架、骨種植體及人工關節等方面得到廣泛應用。臨床上治療骨癌的方法通常是用骨種植體替代癌變的骨頭。由於手術後植入的骨種植體附近可能仍然存在未被完全移除的癌細胞，而且細菌引起的炎症反應容易導致植入後鬆動，因此，開發一種具有良好的抗癌和抗菌性能的骨植入材料相當重要。既往研究結果顯示，合適的納米管管徑和管長可以促進細胞功能；二氧化鈦納米管可以用作藥物載體，通過冷凍真空乾燥法使二氧化鈦納米管加載抗生素後表現出了良好的抗菌性能，但由於抗生素的快速釋放，不能達到持久的抗菌效果。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材及其製備方法，操作簡單，無需特殊設備，成本低，所得產品可以在較長時間內抑制骨腫瘤細胞的生長，同時促進正常成骨細胞的生長，還具有良好的抗菌性能。為達到上述目的，本發明提供如下技術方案
1.具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備方法，包括以下步驟
a.將鈦材清洗得到潔淨的金屬表面；
b.採用陽極氧化法在步驟a所得鈦材表面形成規則有序的二氧化鈦納米管陣列；
c.採用電化學沉積法在步驟b所得鈦材表面的二氧化鈦納米管內原位生成硒納米顆
粒；
d.採用旋塗法在步驟C所得鈦材表面修飾5 15層殼聚糖，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材。優選的，所述步驟a是將鈦材依次用丙酮、異丙醇和甲醇超聲清洗1(Γ20分鐘，再用水清洗2、次，乾燥備用。優選的，所述步驟b是以步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，用濃度為 0.25、.30 mol/L、以體積比為1 1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液， 在恆電壓30V條件下陽極氧化反應3(Γ60分鐘；處理後的鈦材清洗、乾燥備用。更優選的，所述步驟b是用濃度為0. 27mol/L、以體積比為1 1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液，在恆電壓30V條件下陽極氧化反應30分鐘。優選的，所述步驟c是以步驟b得到的鈦材作為陰極，鉬作為陽極，以濃度為廣3mmol/L的亞硒酸水溶液作為電解液，在恆電壓廣2V條件下電沉積0. 5 2小時；處理後的鈦材清洗、乾燥備用。
更優選的，所述步驟c是以濃度為lmmol/L的亞硒酸水溶液作為電解液，在恆電壓 1.5V條件下電沉積1小時。優選的，所述步驟d是用質量分數為0. 4^0. 6%的殼聚糖溶液通過旋塗的方式處理步驟c得到的鈦材，旋塗次數為5 15次，每次以400飛00轉/分鐘旋塗1(Γ20秒。更優選的，所述步驟d是用質量分數為0.5%的殼聚糖溶液通過旋塗的方式處理步驟c得到的鈦材，旋塗次數為10次，每次以500轉/分鐘旋塗15秒，使鈦材表面修飾上10
層殼聚糖。2.採用上述製備方法製得的產品即為具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材。在上述製備方法中，步驟b採用陽極氧化法製備二氧化鈦納米管陣列。在陽極氧化過程中，諸多因素可以影響納米管陣列的形成，例如電解液體系、氧化電壓等，不同製備條件可能得到具有不同形貌特徵的納米管陣列。本發明對電解液體系進行了考察，包括氟化銨丙三醇體系，氫氟酸水體系和氟化銨丙三醇/水(體積比為1:1)體系。結果顯示，用氟化銨丙三醇體系製備相同管徑管長的二氧化鈦納米管陣列，需要較長時間和較高電壓； 用氫氟酸水體系製備二氧化鈦納米管陣列，納米管陣列的形貌難以控制；而用氟化銨丙三醇/水(體積比為1:1)製備二氧化鈦納米管陣列，通過改變氧化電壓等途徑可以較容易地控制納米管的管徑管長；因此，本發明的電解液體系優選氟化銨丙三醇/水(體積比為 1:1)體系。氟化銨的濃度會影響所生成的二氧化鈦納米管的形態，研究表明，採用濃度為 0. 25、. 30特別是0. 27 mol/L的氟化銨電解液，所製得的二氧化鈦納米管具有良好的形態。本發明還對氧化電壓進行了考察，分別為5、10、15、20、25、30、40V。結果顯示，氧化電壓小則生成的二氧化鈦納米管的管徑小，不利於硒納米顆粒的加載，隨著氧化電壓的升高，二氧化鈦納米管的管徑增大，當氧化電壓大於40V時，二氧化鈦納米管被破壞，因此，本發明優選氧化電壓為30V。步驟d通過旋塗法在鈦材表面修飾多層殼聚糖。殼聚糖溶液濃度太低，會使鈦材表面不能被殼聚糖完全覆蓋，進而影響納米管的封堵和抗菌效果；殼聚糖溶液濃度過高，會影響初期納米管內抗癌物質硒的釋放，進而影響抗癌效果。本發明研究顯示，殼聚糖溶液的質量分數優選為0. 4^0. 6%，更優選為0. 5%。本發明的有益效果在於本發明首先通過陽極氧化法在鈦材表面生成高度規則有序的二氧化鈦納米管陣列，然後通過電化學沉積法在二氧化鈦納米管內原位生成硒納米顆粒，最後通過旋塗法在鈦材表面修飾多層殼聚糖，製得了一種具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材，操作簡單，無需特殊設備，成本低，所得產品經試驗證實可以在較長時間內抑制骨腫瘤細胞的生長，同時促進正常成骨細胞的生長，還具有良好的抗菌性能。
圖1為經過不同處理的鈦材表面的場發射掃描電鏡圖，其中A為未處理鈦材，B為 「二氧化鈦納米管」俯視圖，C為「二氧化鈦納米管」截面圖，D為「二氧化鈦納米管@硒」俯視圖，E為「二氧化鈦納米管@硒」截面圖(箭頭指出了在二氧化鈦納米管內的硒納米顆粒)， F為「二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖」俯視圖。圖2為骨腫瘤細胞在經過不同處理的鈦材表面的活性，其中**表示與未處理鈦材比較p<0.01，***表示與未處理鈦材比較p<0. 001，&&表示與「二氧化鈦納米管@銀」比較ρ<0· 01。圖3為大鼠成骨細胞在經過不同處理的鈦材表面的活性，其中**表示與未處理鈦材比較Ρ<0. 01。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細的描述。實施例1.具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備
a.鈦材的預處理將鈦材依次用丙酮、異丙醇及甲醇超聲清洗20分鐘，再用去離子水清洗3次，40°C乾燥，備用；
b.二氧化鈦納米管陣列的構建將氟化銨用體積比為1:1的丙三醇-水混合液溶解製成濃度為0. 27mol/L的溶液，作為電解液；將步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，置上述氟化銨電解液中，在恆電壓30V條件下陽極氧化反應30分鐘；處理後的鈦材用去離子水清洗5次，40°C乾燥，備用；所得鈦材簡稱為「二氧化鈦納米管」；
c.硒納米顆粒的加載將亞硒酸用去離子水溶解製成濃度為1.Ommol/L的水溶液，作為電解液；將步驟b得到的鈦材作為陰極，鉬作為陽極，置上述亞硒酸電解液中，在恆電壓 1. 5V的條件下電沉積1小時；處理後的鈦材用去離子水清洗5次，40°C乾燥，備用；所得鈦材簡稱為「二氧化鈦納米管@硒」；
d.殼聚糖的修飾將粘度為20cP、脫乙醯化大於85%的殼聚糖(購於sigma公司)用體積分數為m的乙酸溶液溶解製成質量分數為0. 5%的溶液；將步驟c得到的鈦材固定在旋塗機(spin-coater)上，每次滴加上述殼聚糖溶液40 μ L，以500轉/分鐘旋轉15秒，重複旋塗10次，使鈦材表面修飾上10層殼聚糖；處理後的鈦材幹燥，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材，簡稱為「二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖」。上述各步驟處理後所得鈦材表面的場發射掃描電鏡圖見圖1，可見經步驟b處理後，在鈦材表面形成了豎直排列、規則有序的二氧化鈦納米管陣列，其中二氧化鈦納米管的管徑約llOnm，管長約900nm ；經步驟c處理後，加載的硒納米顆粒有小部分存在於納米管的表面和管與管之間，大部分存在於二氧化鈦納米管內部；經步驟d處理後，二氧化鈦納米管被殼聚糖完全覆蓋。實施例2.具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備
a.鈦材的預處理將鈦材依次用丙酮、異丙醇及甲醇超聲清洗20分鐘，再用去離子水清洗3次，40°C乾燥，備用；
b.二氧化鈦納米管陣列的構建將氟化銨用體積比為1:1的丙三醇-水混合液溶解製成濃度為0. 25mol/L的溶液，作為電解液；將步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，置上述氟化銨電解液中，在恆電壓30V條件下陽極氧化反應45分鐘；處理後的鈦材用去離子水清洗5次，40°C乾燥，備用；所得鈦材簡稱為「二氧化鈦納米管」；
c.硒納米顆粒的加載將亞硒酸用去離子水溶解製成濃度為2mmol/L的水溶液，作為電解液；將步驟b得到的鈦材作為陰極，鉬作為陽極，置上述亞硒酸電解液中，在恆電壓IV 的條件下電沉積2小時；處理後的鈦材用去離子水清洗5次，40°C乾燥，備用；所得鈦材簡稱為「二氧化鈦納米管@硒」；d.殼聚糖的修飾將粘度為20cP、脫乙醯化大於85%的殼聚糖(購於sigma公司)用體積分數為m的乙酸溶液溶解製成質量分數為0. 4%的溶液；將步驟c得到的鈦材固定在旋塗機(spin-coater)上，每次滴加上述殼聚糖溶液40 μ L，以400轉/分鐘旋轉10秒，重複旋塗15次，使鈦材表面修飾上15層殼聚糖；處理後的鈦材幹燥，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材，簡稱為「二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖」。實施例3.具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備
a.鈦材的預處理將鈦材依次用丙酮、異丙醇及甲醇超聲清洗20分鐘，再用去離子水清洗3次，40°C乾燥，備用；
b.二氧化鈦納米管陣列的構建將氟化銨用體積比為1:1的丙三醇-水混合液溶解製成濃度為0. 30mol/L的溶液，作為電解液；將步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，置上述氟化銨電解液中，在恆電壓30V條件下陽極氧化反應60分鐘；處理後的鈦材用去離子水清洗5次，40°C乾燥，備用；所得鈦材簡稱為「二氧化鈦納米管」；
c.硒納米顆粒的加載將亞硒酸用去離子水溶解製成濃度為3mmol/L的水溶液，作為電解液；將步驟b得到的鈦材作為陰極，鉬作為陽極，置上述亞硒酸電解液中，在恆電壓2V 的條件下電沉積0. 5小時；處理後的鈦材用去離子水清洗5次，40°C乾燥，備用；所得鈦材簡稱為「二氧化鈦納米管@硒」；
d.殼聚糖的修飾將粘度為20cP、脫乙醯化大於85%的殼聚糖(購於sigma公司)用體積分數為m的乙酸溶液溶解製成質量分數為0. 6%的溶液；將步驟c得到的鈦材固定在旋塗機(spin-coater)上，每次滴加上述殼聚糖溶液40 μ L，以600轉/分鐘旋轉20秒，重複旋塗5次，使鈦材表面修飾上5層殼聚糖；處理後的鈦材幹燥，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材，簡稱為「二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖」。實驗例1.具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材對大腸桿菌的抑制能力
取實施例1經過不同處理後得到的「二氧化鈦納米管」、「二氧化鈦納米管@硒」和「二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖」材料，用紫外光照射2小時殺菌，在材料表面滴加大腸桿菌懸液40 μ L，分別於37°C培養過夜，然後用無菌水4mL強烈振蕩洗滌5分鐘，洗下粘附在材料表面的細菌，取洗滌液100 μ L塗抹平板，37°C培養M小時，計數菌落並計算抗菌效率。結果顯示，「二氧化鈦納米管」的抗菌效率為20. 5% ；加載硒納米顆粒後，「二氧化鈦納米管@硒」 的抗菌效率為22. 2%，有小幅度提高；而經殼聚糖修飾後，「二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖」 的抗菌效率大於99. 9%，大幅度提高，具有良好的抗菌能力。實驗例2.具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材對骨腫瘤細胞和正常成骨細胞活性的影響
分別取實施例1經過不同處理後得到的「二氧化鈦納米管」、「二氧化鈦納米管@硒」和 「二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖」材料以及未處理鈦材(簡稱為「鈦材」)，在材料表面分別接種人骨肉瘤細胞14 和新生大鼠顱骨成骨細胞，接種密度均為40000/cm2，用含有體積分數為10%的新生牛血清的DMEM培養基分別培養4天和7天，每2天換液，然後每孔加入MTT 100 μ L，37°C培養4小時，吸棄上清液，再每孔加入DMSO 0. 5mL，用酶標儀于波長490nm處測定吸光度。鈦材對骨腫瘤細胞活性的影響見圖2，可見骨腫瘤細胞在「二氧化鈦納米管@ 硒」和「二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖」這兩種材料上培養4天和7天的細胞活性均低於其它對照組，表明這兩種材料均能夠有效抑制骨腫瘤細胞的生長，而由於「二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖」是在「二氧化鈦納米管@硒」表面進一步覆蓋了多層殼聚糖，使得硒納米顆粒的釋放速率減緩，因此，「二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖」材料能夠更持久的抑制骨腫瘤細胞的生長。鈦材對正常成骨細胞活性的影響見圖3，可見健康成骨細胞在「二氧化鈦納米管 @硒@殼聚糖」材料上培養7天的細胞活性顯著高於其它組，表明這種材料能夠有效促進健康成骨細胞的生長。 最後說明的是，以上實施例僅用於說明本發明的技術方案，並不構成對本發明內容的限制。儘管通過上述實施例已經對本發明做了較為詳細的例舉，但本領域技術人員仍然可以根據發明內容部分和實施例部分所描述的技術內容，在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟a.將鈦材清洗得到潔淨的金屬表面；b.採用陽極氧化法在步驟a所得鈦材表面形成規則有序的二氧化鈦納米管陣列；c.採用電化學沉積法在步驟b所得鈦材表面的二氧化鈦納米管內原位生成硒納米顆粒；d.採用旋塗法在步驟C所得鈦材表面修飾上5 15層殼聚糖，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材。
2.根據權利要求1所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備方法，其特徵在於，所述步驟a是將鈦材依次用丙酮、異丙醇和甲醇超聲清洗1(Γ20分鐘，再用水清洗2、 次，乾燥備用。
3.根據權利要求1所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備方法，其特徵在於，所述步驟b是以步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，用濃度為0. 25、. 30mol/L、以體積比為1:1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液，在恆電壓30V條件下陽極氧化反應30飛0分鐘；處理後的鈦材清洗、乾燥備用。
4.根據權利要求3所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備方法，其特徵在於，所述步驟b是用濃度為0. 27mol/L、以體積比為1 1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液，在恆電壓30V條件下陽極氧化反應30分鐘。
5.根據權利要求1所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備方法，其特徵在於，所述步驟c是以步驟b得到的鈦材作為陰極，鉬作為陽極，以濃度為廣3mmol/L的亞硒酸水溶液作為電解液，在恆電壓廣2V條件下電沉積0. 5 2小時；處理後的鈦材清洗、乾燥備用。
6.根據權利要求5所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備方法，其特徵在於，所述步驟c是以濃度為lmmol/L的亞硒酸水溶液作為電解液，在恆電壓1. 5V條件下電沉積1小時。
7.根據權利要求1所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備方法，其特徵在於，所述步驟d是用質量分數為0. 4^0. 6%的殼聚糖溶液通過旋塗的方式處理步驟c得到的鈦材，旋塗次數為5 15次，每次以40(Γ600轉/分鐘旋塗1(Γ20秒；處理後的鈦材清洗、乾燥，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材。
8.根據權利要求7所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材的製備方法，其特徵在於，所述步驟d是用質量分數為0. 5%的殼聚糖溶液通過旋塗的方式處理步驟c得到的鈦材，旋塗次數為10次，每次以500轉/分鐘旋塗15秒，使鈦材表面修飾上10層殼聚糖。
9.採用權利要求1至8任一項所述製備方法製得的具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材。
全文摘要
本發明首先通過陽極氧化法在鈦材表面生成高度規則有序的二氧化鈦納米管陣列，然後通過電化學沉積法在二氧化鈦納米管內原位生成硒納米顆粒，最後通過旋塗法在鈦材表面修飾多層殼聚糖，製得了一種具有良好抗癌抗菌性能的醫用鈦材，操作簡單，無需特殊設備，成本低，所得產品經試驗證實可以在較長時間內抑制骨腫瘤細胞的生長，同時促進正常成骨細胞的生長，還具有良好的抗菌性能。
文檔編號C25D9/08GK102560598SQ201210015430
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月18日 優先權日2012年1月18日
發明者方佳佳, 來敏, 蔡開勇, 陳秀勇 申請人:重慶大學