阅读说明：本技术 一种银碘表面修饰的钛合金植入物及其制备方法 (Silver-iodine surface modified titanium alloy implant and preparation method thereof ) 是由 叶招明 滕王锶源 王翊凯 刘安 章增杰 于 2020-06-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种抗菌的银碘表面修饰的钛合金植入物及其制备方法,本发明通过微弧氧化反应及电化学的方法将含银与碘的涂层固定至钛合金上,并通过银离子与碘离子之间相互结合从而进一步加强其结合能力,获得稳定的抗菌性能；通过此工艺制得的材料具有较为明显的广谱抗菌作用,抗菌有效成分为银、碘、碘化银,与单一的银或碘表面修饰方案相比,银、碘两种元素的联合使用可增强抗菌效果,降低其使用量,也能在一定程度上降低因银或碘局部浓度过高而导致的毒副作用；本发明应用于目前使用钛合金植入物的外科手术,减少术后出现的植入物相关感染及相应的并发症。(The invention provides an antibacterial silver-iodine surface modified titanium alloy implant and a preparation method thereof, wherein a coating containing silver and iodine is fixed on a titanium alloy by a micro-arc oxidation reaction and an electrochemical method, and the silver ions and the iodine ions are mutually combined so as to further enhance the combination capability of the titanium alloy and obtain stable antibacterial performance; the material prepared by the process has a relatively obvious broad-spectrum antibacterial effect, the antibacterial active ingredients are silver, iodine and silver iodide, and compared with a single silver or iodine surface modification scheme, the combined use of the silver and iodine elements can enhance the antibacterial effect, reduce the use amount of the silver and iodine elements and also reduce the toxic and side effects caused by overhigh local concentration of the silver or iodine to a certain extent; the invention is applied to the surgical operation using the titanium alloy implant at present, and reduces the related infection of the implant and the corresponding complication which appear after the operation.)

一种银碘表面修饰的钛合金植入物及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种抗菌性能优异的银碘表面修饰的钛合金植入物及其制备方法，。

背景技术

由于具备的高强度、耐腐蚀等特点，钛合金材料目前已广泛应用于人工关节、骨折内固定装置、脊柱固定融合材料及口腔修复等领域，但由内植入物引起的相关感染也成为目前临床较为棘手的问题。针对这种感染，目前临床上主要采取全身使用抗生素的治疗方案。然而，此类治疗方案存在疗程长、效果差、易造成二重感染、易发生器官损伤等缺陷。

银的优良抗菌性能早已被人们所熟知并加以利用，具备高效、广谱的抗菌性以及良好耐药性。纳米银，是纳米级别大小的银单质颗粒。它比普通银具备更加强大的抗菌性能，目前已应用于抗菌类医药及医疗器械，抗菌塑料及橡胶制品，抗菌纺织品及服装鞋袜，抗菌涂料、陶瓷和玻璃，餐具和奶瓶等。目前纳米银被认为是安全材料。

碘具有广谱抗菌活性。它能与酵母菌、霉菌、原生动物和病毒等微生物的细胞壁、细胞膜和细胞质上的蛋白结合，使之变性，从而达到抗菌效果。聚乙烯吡咯烷酮碘(PVP-I)是目前唯一被中国、英国、美国、日本等国药典收载，并批准用于医疗卫生和人体消毒的碘伏。它具有无毒、无刺激性、使用安全、稳定性能好等特点。

微弧氧化法又称为等离子体电解氧化法，是一种新型的表面改性方法。有文献证明利用微弧氧化技术在钛基材上制备二氧化钛涂层，发现其不仅可诱导羟基磷灰石在材料表面生长，而且具有良好的细胞粘附特性。在本发明的制备方法中，通过微弧氧化来增加基材表面积以利于Ag、I等元素沉积，并且使基材具备一定的生物活性。

发明内容

针对钛合金医用材料在外科矫形领域使用时引起的植入物感染问题，本发明提供了一种具备抗菌性能的银碘表面修饰的钛合金植入物及其制备方法。

本发明运用电化学方法对微弧氧化钛合金表面进行银碘修饰，主要包括钛合金表面粗糙化、银表面修饰以及碘表面修饰三大步骤。

本发明的技术方案如下：

一种银碘表面修饰的钛合金植入物，按如下方法制备得到：

(1)钛合金表面粗糙化

将钛合金基材表面预处理后，浸入电解池溶液中进行电化学处理，形成表面多孔薄膜结构；

具体的，所述表面预处理方法为：对材料进行抛光、喷砂、除杂，所述除杂包括：先依次用丙酮(≥99.5％)、乙二醇(≥99.5％)、超纯水洗涤，再用酸洗，最后超声清洗；所述酸洗采用HF、HNO₃、H₃PO₄的混合酸液，酸洗时间为5-25min；所述超声清洗为：将材料置于超纯水中清洗，5min/次，循环3次；

所述电化学处理为阳极氧化或微弧氧化；电解池溶液组成为：乙酸钙1-20g/L、磷酸二氢钙1-20g/L、乙二胺四乙酸二钠盐10-20g/L、甘油磷酸钙1-20g/L，溶剂为去离子水；电化学反应过程中，将钛合金基材置于钛合金挂钩或网篮上作为阳极，将纯钛板作为阴极，阴阳两极间距在10-30cm，反应期间控制电压200-700V，频率100-500HZ，占空比10％-30％，温度20-40℃，反应时间为2-15min；

所得多孔薄膜的厚度在5-20μm；

(2)钛合金材料表面银修饰

将完成表面粗糙化的钛合金材料置于硝酸银水溶液中进行电化学处理，得到表面银修饰的钛合金材料；

所述硝酸银水溶液的浓度为0.005-0.02g/L；

所述电化学处理的方法为：以硝酸银水溶液为电解液，在常温(20～30℃)、3-10V恒压环境下，将材料置于钛合金挂钩或网篮上作为阴极，将钛合金板作为阳极，阴阳极间距10-18cm，反应时间10-60s；每完成一次该操作后将材料置于纯水中浸洗1min，循环该操作3次；

(3)钛合金材料表面碘修饰

将完成表面银修饰的材料置于含碘溶液中，利用电化学方法进行表面碘修饰，之后清洗，干燥，得到所述银碘表面修饰的钛合金植入物；

所述含碘溶液为碘化合物和β-环糊精的混合水溶液，其中碘化合物的浓度为2-6g/L，β-环糊精的浓度为1-8g/L；所述碘化合物为碘化钾粉末与聚乙烯吡咯烷酮碘络合物粉末质量比1～5：1的混合物；

所述电化学方法为：以含碘溶液为电解液，在常温、恒压30-90V的条件下，材料置于钛合金挂钩或网篮上作为阳极，将纯钛板作为阴极，阴阳极之间距离为10-20cm，反应时间为10-70min；

所述干燥的温度为30-40℃，干燥时间为3-6h，要求避光。

本发明制备的银碘表面修饰的钛合金植入物的有效抗菌成分为银、碘类物质，所述碘类物质的形式包括碘单质、碘化银及聚乙烯吡咯烷酮碘。本发明钛合金植入物表面银碘抗菌涂层的厚度为10-20um，表面含银量0.03～0.2wt％，表面含碘量在0.5～2wt％。

本发明银碘表面修饰的钛合金植入物的应用包括但不限于骨科的内外固定及植入物范围，本发明钛合金植入物对外科手术常见的感染菌种如金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等具有明显的抑菌作用。

本发明制备的抑菌材料具有良好的生物安全性及抑菌活性。其中CCK-8实验结果提示，重复试验的三批材料未见组内明显细胞增殖活性差异，即实验组无明显细胞毒性(如图2所示，实验组为表面含银碘元素的钛合金，对照组为普通钛合金，图示结果为人来源的骨髓间充质干细胞在材料表面24h体外培养结果)；体外抑菌实验表明改性处理后的材料对金黄色葡萄球菌有较明显的抗菌作用(如图3所示，其主要实验过程为：在灭菌后的直径2cm圆盘型材料表面滴加约浓度为2-5×105/ml处于对数期的标准金葡菌液，置于37℃、湿度适宜的条件下培养3h，无菌的SBF液3ml洗脱表面细菌，将洗脱液振荡混匀，并稀释成多个浓度梯度，每组取100ul涂布于培养板上，置于23℃恒温箱内培养16h。实验组为表面含银碘元素的钛合金，对照组为普通钛合金)。

本发明优点在于：

本发明是利用具有纳米银、碘及碘类化合物具备强大的抗菌性能，通过在载碘钛合金部件上构建银碘修饰的表层，达到赋予材料强大的抑菌性能，同时还通过银碘两种元素联合使用规避了因过量使用单种元素造成的细胞毒副作用。该方法工艺简单，反应条件适宜，具有高效、生产周期短的优势，获得的钛合金植入物在抑菌方面的效果十分显著。

附图说明

图1：银碘表面修饰的钛合金表面电镜表征及元素EDS分析结果。

图2：材料CCK8实验结果。

图3：材料抑菌性能检测结果：a为对照组，普通钛合金；b为实验组，银碘涂层的钛合金。

图4：将三种材料置于光照环境中1天与3天后，再行表面抑菌效果检测：对照组为普通钛合金样片；A组为直接阳极氧化载碘处理的样片；B组为按照实施例1制备获得的银碘表面修饰样片。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1

1.对材料(由浙江科惠医疗器械股份有限公司提供)进行抛光、喷砂处理。处理后材料表面粗糙度Ra值在0-0.4微米范围。再经丙酮(≥99.5％)、乙二醇(≥99.5％)、超纯水等预处理，再将材料置入含HF(≥40％，20ml/L)、HNO₃(65.0～68.0％，80ml/L)、H₃PO₄(85％，15ml/L)的溶液体系中酸洗15min，最后超声清洗3次，吹干。

2.对完成步骤1的材料进行微弧氧化，其反应溶液体系为：乙酸钙(AR,10g/L)，磷酸二氢钙(AR，10g/L)，乙二胺四乙酸二钠盐(AR，15g/L)，甘油磷酸钙(AR，10g/L)，将材料固定于阳极侧，阳极侧与阴极侧之间的距离为25cm，上述的反应条件为：电压300V，频率100HZ，占空比10％，水温30℃，反应时间为5min；最后将完成氧化操作的样品置于水溶液中超声浸洗3min，循环3次。

3.将完成步骤2的材料行短时程、低电压、多次镀银处理并浸洗，其过程如下：将材料置于浓度0.005g/L的硝酸银溶液中，待制备材料固定于阴极侧，阴阳极间距15cm，在3V恒压环境条件下反应45s，每完成一次反应后置于纯水中浸洗1min，循环3次，干燥。

4.将完成步骤3的材料置于浓度为6g/L的碘化合物[其中，碘化钾粉末3g(AladdinCAS#7681-11-0)，聚维酮碘3g(罗恩试剂CAS#25655-41-8)]与浓度5g/L的β-环糊精的混合溶液体系中。材料固定于阳极侧，阴阳极之间距离为20cm，在恒压60V的条件下反应45min，冲洗，在温度为30-40℃环境中避光干燥6h，辐照灭菌。

5.载碘钛合金植入物的抑菌实验：本发明的抑菌检测采用金黄色葡萄球菌(ATCC25923)作为实验细菌，选取边长10mm，高度2mm的普通钛片和含银碘修饰表层的载碘钛片，将两组钛片消毒后置于24孔板中，每组设3个复孔。将金黄色葡萄球菌(ATCC 25923)菌液(约2-5×10⁶CFU/ml)按每孔100μl分别接种于上述各组钛片上放置于37℃，恒湿的环境下静态培养18h。无菌PBS洗脱钛片表面黏附的细菌，将洗脱液等比例稀释至适当浓度，然后行琼脂糖凝胶培养皿涂板，培养箱内37℃下培养24h后菌落计数拍照(结果如图3)。

6.本次实验的样品生物相容性检测拟采用CCK-8(Cell Counting Kit-8)法测定细胞增殖能力的指标来评判。细胞培养：取大鼠来源的骨髓间充质干细胞进行培养，将处于对数生长期的细胞经胰蛋白酶消化，显微镜下计数后制成5×10⁴个细胞/ml的细胞悬液。分别取1ml至12孔板内，每组细胞每块板接种3个同样的孔用来重复试验，5×10⁴个细胞/孔，37℃培养过夜；将已灭菌的型号为直径20mm的圆形普通钛片、含银碘修饰表层钛片分别置入对照组、实验组的孔板内，每孔内加1mlDMEM(minimum Eagle’s medium)完全培养基；培养24h后，按1:10体积比混合CCK-8和无血清必需培养基，每孔加500ul，在37℃，5％CO₂培养箱中孵育2h；每孔取100ul上清液加至96孔板内，用酶标仪测定450nm波长吸光度，记录每块板的数值(结果如图2)。

7.涂层抑菌效果对比实验：将钛合金样片分成对照组、A组、B组；其中对照组样片不做除杂、消毒以外的操作；A组样品按目前已有技术制备获得的载碘钛合金样片(制备流程参考中国专利文献CN 102416202 A)；B组样品按步骤1-4制备获得银碘表层修饰的钛合金样片。将对照组、A组、B组样品置于自然光照、室温在20-30℃的环境中24h及72h，将所得的样片按步骤5进行抑菌检测，所得结果如图4所示。从结果看，银碘修饰的钛合金样品在抑菌效果及持续作用时间上较目前已有技术制备的载碘钛合金样片更有优势，这可能是银碘两种元素联合作用的结果。