钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法、涂层、种植体
阅读说明：本技术 钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法、涂层、种植体 (Method for antibacterial modification and improvement of bioactivity of titanium surface, coating and implant ) 是由 周雯 黄晓晶 李�真 赵红艳 于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明属于医学技术领域,公开了一种钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法、涂层、种植体,对钛表面进行抛光清洁；低温氧等离子体处理钛表面,提高钛材料表面生物活性,并形成具有大量羟基的钛表面；构建硅烷化反应体系；将钛种植体材料样本置于硅烷化反应体系中,形成有机硅季铵盐和羟基共价结合的钛表面。本发明通过低温氧等离子体处理的钛表面,增加材料表面亲水性,提高材料表面生物活性,并引入大量的羟基,然后通过化学的方法使抗菌剂与羟基发生共价结合,形成非释放型抗菌涂层,一定程度上避免抗菌药物突释、易降解等缺点,提高抗菌效果的长效性。同时,本发明实现了提高钛表面生物活性和赋予材料长效抗菌能力的目的。(The invention belongs to the technical field of medicine, and discloses a method, a coating and an implant for antibacterial modification and improvement of bioactivity of a titanium surface, which are used for polishing and cleaning the titanium surface; treating the titanium surface by low-temperature oxygen plasma, improving the surface bioactivity of the titanium material, and forming a titanium surface with a large number of hydroxyl groups; constructing a silanization reaction system; and placing the titanium implant material sample in a silanization reaction system to form a titanium surface with the covalent combination of organosilicon quaternary ammonium salt and hydroxyl. According to the invention, the hydrophilicity of the surface of the material is increased and the bioactivity of the surface of the material is improved by processing the titanium surface by low-temperature oxygen plasma, a large amount of hydroxyl is introduced, then the antibacterial agent and the hydroxyl are covalently combined by a chemical method to form a non-release antibacterial coating, the defects of sudden release, easy degradation and the like of the antibacterial agent are avoided to a certain extent, and the long-acting property of the antibacterial effect is improved. Meanwhile, the invention realizes the purposes of improving the bioactivity of the titanium surface and endowing the material with long-acting antibacterial ability.)
技术领域
本发明属于医学技术领域，尤其涉及一种钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法、涂层、种植体。
背景技术
目前，牙种植术被公认是目前牙列缺损和牙列缺失患者的首选治疗方案。而种植体周围炎是导致种植体失败的主要原因之一。表面改性种植体材料的使用是防治种植体周围炎的有效途径之一，能赋予种植体材料抗菌等生物学功能，已成为新型种植体材料研发的热点。
临床使用的和新近研发的抗菌改性种植体涂层大多将药物载体和抗菌药物分为相互独立的组分，需要对这两部分进行分别选择，同时还需要考虑载体的载药效能、药物载体是否会降解、药物释放率、释放时间等诸多因素，药物载体和抗菌药物设计和合成过程比较繁琐和复杂。而这种组合方式形成的抗菌涂层往往难以在局部稳定缓释有效剂量的抗菌药物，初期突释高浓度药物，使剩余的药物难以保持有效抑菌浓度，抗菌作用的长期有效性较差。
通过化学连接的方式，将抗菌剂固定在种植体表面，能够克服药物突释和抗菌效用时间短的技术难点，可发挥稳定、长效的抗菌作用。现有的研究显示这类抗菌涂层材料具有良好的抗菌功能，但也存在潜在的细胞毒性，影响宿主细胞的生长和功能。因此，需要研究一种技术上简便易行，兼具长效抗菌作用和生物活性的种植体表面涂层材料，达到抑制致病菌的同时促进宿主细胞生长及功能发挥的效果。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
（1）现有种植体涂层设计合成方案复杂，推广性差，有效性低。而目前负载抗菌剂的方法多利用包埋、静电吸引等物理方式，这些物理方式存在体系不稳定的缺陷，形成的抗菌涂层往往难以在局部稳定维持有效剂量的抗菌药物浓度，初期会突释大量药物，使剩余的药物难以保持有效抑菌浓度。
（2）现有技术面临难以平衡抗菌性和生物活性间相互矛盾的困境。对钛种植体材料抗菌改性往往会影响材料的生物相容性，由于抗菌剂引入而表现出一定程度的细胞毒性，成为细胞黏附和功能表达的阻碍。
解决以上问题及缺陷的难度为：
（1）设计化学固定抗菌成分的涂层方法，使抗菌剂稳定存在于钛种植体材料表面，而寻找合适的化学反应及底物比较困难。
（2）需要在抗菌改性的基础上提高材料的生物反应性，难点在于兼顾抗菌改性和提高材料生物反应性。
（3）需要在保证抗菌性和材料生物反应性的基础上进行相对简化、推广性更强的设计。
解决以上问题及缺陷的意义为：
（1）使改性后的种植体材料具有长期稳定的抗菌性。
（2）在赋予种植体材料抗菌性的同时提高材料的生物反应性，达到预防致病菌感染和促进生物学封闭和骨结合的顺利形成的目的，提高种植修复的成功率。
（3）设计方案简单易行，更有利于后期的应用推广。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法、涂层、种植体。
本发明是这样实现的，一种钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法，包括以下步骤：
步骤一，对钛表面进行抛光清洁；
步骤二，低温氧等离子体处理钛表面，形成生物活性高且具有大量羟基的钛表面；
步骤三，构建硅烷化反应体系；
步骤四，将钛材料置于硅烷化反应体系中，实现有机硅季铵盐的化学锚定。
进一步，步骤一中，所述钛表面抛光清洁，包括：
使用不同粒度的金刚砂砂纸（280, 320, 400, 600, 800, 1000, 1200 grid）按由粗到细粒度的顺序打磨抛光钛材料至表面呈镜面。分别使用丙酮、酒精、去离子水超声震荡清洗30 min。
进一步，步骤二中，所述低温氧等离子体处理钛表面，形成生物活性高且具有大量羟基的钛表面，包括：
使用纯氧作为处理气体，等离子体处理仓内压力保持为0.08 TORR，按720V，25mA，18W的技术参数对抛光清洁后的钛材料表面进行5-60min低温氧等离子体处理，该处理方法能够显著增加钛表面的亲水性，提高材料表面生物活性，同时在钛表面形成大量羟基。
进一步，步骤三中，所述构建硅烷化反应体系，包括：
抗菌成分十八烷基二甲基三甲氧基硅烷基氯化铵，催化剂丙胺和溶剂环己烷。根据需要处理的钛材料决定反应体系的量，保证反应体系能完全浸没材料，分别按相应体积分数将各组分加入到体系中：4%十八烷基二甲基三甲氧基硅烷基氯化铵(Octadecyldimethyl-(3-trimethoxysilylpropyl)-ammonium chloride，ODDMAC)，2%丙胺，94%环己烷。
进一步，步骤四中，所述将钛片样本置于硅烷化反应体系中，实现有机硅季铵盐的化学锚定，包括：
将低温氧等离子体处理后的钛种植体样本置于硅烷化反应体系中在80℃水浴条件下反应1-2小时，反应过程中利用磁力搅拌器对反应体系中液体进行搅拌，使反应均匀，同时保证反应过程中产生的气体顺利排出。进一步，所述反应体系有机硅季铵盐中的-SiOCH3基团与羟基化的钛表面Ti-OH基团发生脱水反应，在钛表面形成Si-O-Ti共价键，实现抗菌成分有机硅季铵盐的共价连接。然后使用异丙醇、去离子水、丙酮顺序清洗处理后的钛种植体材料，去除材料表面残余反应底物，再将材料置于马弗炉中，110℃高温干燥1小时。
本发明的另一目的在于提供一种抗菌改性种植体涂层，所述抗菌改性种植体涂层利用所述的钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法制备。
本发明的另一目的在于提供一种抗菌改性种植体，所述抗菌改性种植体沉积有所述的抗菌改性种植体涂层。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
1. 本发明提供的钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法，在钛表面使用低温氧等离子体处理技术，利用氧等离子体中具有的高能量分子、离子等电离物质破坏钛种植体材料表面C-C和C-H化学键，形成亲水的O-H键，本发明中的研究结果显示该抗菌修饰并提高其生物活性的方法成功增加了钛表面的亲水性，已有大量研究证实亲水性的增加有利于骨结合形成过程中单核细胞的黏附、血小板的激活，还能促进成骨和血管生成，有效提高了材料表面生物活性。本研究的结果证实，该方法能促进人骨髓间充质干细胞细胞黏附及生长代谢活性，提示其具有促进生物学封闭形成和促进骨结合的潜力。此外，材料表面X射线光电子能谱研究结果显示氧等离子体处理后的钛表面形成了大量的羟基，为后续化学固定提供了大量的的反应基团，为实现双重功能改性钛种植体奠定了基础。
2. 在氧等离子体处理钛种植体表面的基础上利用有机硅季铵盐中的-SiOCH3基团与羟基化的钛表面Ti-OH基团发生脱水反应，在钛表面形成Si-O-Ti共价键，将带有正电荷的季铵基团共价结合至钛表面，避免了抗菌药物的释放和药物浓度的快速降低，形成非释放型抗菌材料，从而形成了稳定的抗菌改性钛植体表面。研究结果证实，本发明提供的等离子体/季铵盐复合修饰钛材料能有效减少材料表面金黄色葡萄球菌生物膜的形成和生物膜代谢活性，并能够促进细胞黏附，达到了双重功能改性钛种植体材料的效果。
3. 本发明在在促进细胞黏附和抗菌作用有效提升的前提下，实现了改性技术的简化、降低了技术门槛，具有良好的推广应用前景。本发明中使用的有机硅季铵盐是一种常用的阳离子抗菌剂，已广泛应用于临床及生活中，在抗菌改性钛材料的研究中也显示出巨大的潜力，同时该抗菌药物已实现商品化，具有良好的获得便利。而低温等离子体处理技术作为一种简单、高效的方法。因此，本发明设计合成过程简单，安全系数高，操作方便，克服了现有技术的复杂性和实现性差的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法流程图。
图2是本发明实施例提供的钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法原理图。
图3是本发明实施例提供的钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法的化学反应原理图。
图4是本发明实施例提供的证明钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法能降低钛种植体材料表面的水接触角的实验结果示意图；
图5是本发明实施例提供的证明钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法能抑制材料表面金黄色葡萄球菌生物膜代谢活性的实验结果示意图；
图6~图7是本发明实施例提供的证明钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法能促进材料表面人骨髓间充质干细胞细胞黏附及生长代谢活性的实验结果示意图；
图中：Ti，抛光清洁后的钛表面；Ti-PLA，10min氧等离子体处理后的钛表面；Ti-POC，等离子体/有机硅季铵盐复合修饰钛表面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法包括以下步骤：
S101，对钛表面进行抛光清洁；
S102，低温氧等离子体处理钛表面，形成具有大量羟基的钛表面；
S103，构建硅烷化反应体系；
S104，将钛片样本置于硅烷化反应体系中，形成有机硅季铵盐和羟基共价结合的钛表面。
本发明实施例提供的钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法原理图如图2所示，本发明实施例提供的钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法的化学反应原理图如图3所示。
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
实施例1
本发明的目的是提供一种低温氧等离子体处理与有机硅季铵盐复合修饰钛表面的方法，解决了现有技术中存在的问题。本发明涉及使用低温等离子体处理技术在钛表面，并利用硅烷化反应，将季铵盐分子共价结合至钛表面，从而达到改性钛种植体表面性质的一种方法。
就一方面而言，低温等离子体处理技术作为一种简单、高效的方法，为材料表面改性提供了可行性，具有一定潜力。前期研究表明氧等离子体处理钛表面则能提高钛材料的生物活性，具有促进上皮细胞黏附，缩短愈合时间并提高骨结合水平的能力。而季铵盐是一种常用的阳离子抗菌剂，在抗菌改性钛材料中有良好的应用前景。实现低温等离子体技术和有机硅季铵盐的有效结合，将实现使钛表面兼具生物活性和长效抗菌能力的目的。
另一方面，有机硅季铵盐与经低温氧等离子体处理的钛表面的羟基发生硅烷化反应，克服了大多抗菌涂层将药物载体和抗菌药物分为相互独立两组分的缺点，有效简化了钛材料表面修饰改性的方法，且无需考虑载药效能、药物释放率、释放时间等诸多因素，设计和合成过程简单，安全系数高，操作方便。
研究结果证实等离子体/季铵盐复合修饰钛材料能有效减少材料表面致病菌定植并促进细胞黏附。
本发明在技术简化，效能有效提升的前提下，同时实现改善钛表面生物活性和赋予材料长效抗菌能力的目的。
实施例2
本发明方法完整的步骤，包括：
对钛表面进行抛光清洁：使用不同粒度的金刚砂砂纸（280, 320, 400, 600,800, 1000, 1200 grid）按由粗到细粒度的顺序打磨抛光钛材料至表面呈镜面。分别使用丙酮、酒精、去离子水超声震荡清洗30 min。
氧等离子体处理：使用纯氧作为处理气体，对抛光清洁后的钛材料表面进行5-60min，等离子体处理（720V，25mA，18W），形成具有大量羟基的钛表面；
构建硅烷化反应体系： 4%体积分数的十八烷基二甲基三甲氧基硅烷基氯化铵，2%丙胺，94%环己烷。
将钛种植体样本置于硅烷化反应体系中于80℃条件下处理1-2小时，将有机硅季铵盐共价结合至富有羟基的钛表面。
在本发明另一实施例中，可替代技术特征的元素：硅烷化反应体系的构建，可根据改性目的需要更改硅烷化体系中的成分，如溶剂可替换为去离子水，反应温度可选择室温，反应时间则应相应延长至24小时。
在本发明另一实施例中，本发明通过低温氧等离子体处理的钛表面，引入大量的羟基，然后通过化学的方法使抗菌剂与羟基发生共价结合，形成非释放型抗菌材料，一定程度上避免抗菌药物突释、易降解等缺点，提高抗菌效果的长效性。
并且利用低温等离子体处理钛材料，提高材料表面生物活性，使其具有促进生物学封闭形成及骨结合的潜力，再与季铵盐的抗菌性相结合，合成具有双重功能的表面改性钛材料。
在本发明另一实施例中，经氧等离子体处理后的钛表面富含羟基，钛材料的生物活性得到提高。
有机硅季铵盐中的-SiOCH3基团与羟基化的钛表面Ti-OH基团形成氢键，后加热脱水形成Si-O-Ti共价键，实现抗菌剂的共价连接，以发挥长效抗菌作用。
在本发明另一实施例中，Ti：抛光清洁后的钛表面；Ti-PLA：10min氧等离子体处理后的钛表面；Ti-POC：等离子体/有机硅季铵盐复合修饰钛表面。
图4为 Ti-POC能降低材料表面水接触角检测图，即证实钛表面抗菌修饰并提高其生物活性的方法能够增加材料表面的亲水性，提高材料的生物活性。
图5为 Ti-POC能抑制材料表面金黄色葡萄球菌生物膜代谢活性图。
图6，图7 为Ti-POC能促进材料表面人骨髓间充质干细胞细胞黏附及生长代谢活性图。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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