一种具有仿生电活性涂层钛植入体及其制备方法
阅读说明：本技术 一种具有仿生电活性涂层钛植入体及其制备方法 (Titanium implant with bionic electroactive coating and preparation method thereof ) 是由 张学慧 邓旭亮 白云洋 孙晓雯 王博 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种具有仿生电活性涂层钛植入体及制备方法,其解决了现有钛植入体涂层的生物活性不足或对人体有害的技术问题,本发明提供的具有仿生电活性涂层的钛植入体,其设有涂层,涂层含有填料和高分子基体,填料为压电陶瓷纳米颗粒,基体为铁电高分子聚合物,压电陶瓷颗粒均匀分散在铁电聚合物中,本发明同时提供了其制备方法,使得仿生电活性涂层可与钛表面牢固结合。本发明可用于钛植入体材料表面功能化设计与制备领域。(The invention relates to a titanium implant with a bionic electroactive coating and a preparation method thereof, which solve the technical problems of insufficient bioactivity of the coating of the conventional titanium implant or harm to human bodies. The method can be used in the field of surface functional design and preparation of titanium implant materials.)
技术领域
本发明涉及一种生物医用植入材料，尤其涉及一种具有仿生电活性涂层钛植入体及制备方法。
背景技术
医用金属钛(Ti)及其合金由于其良好的化学稳定性以及优异的生物相容性而被广泛用在医用植入领域。然而钛种植体表面缺乏生物活性，与骨组织只是单纯的机械嵌合，容易导致骨结合效果不理想进而引起植入体的松动、感染与脱落。
研究表明改善钛及其合金表面活性可以促进骨结合，国内外学者尝试了许多物理及化学方法来提高金属钛及其合金表面活性，包括表面改性和活化涂层。喷砂、酸蚀、微弧氧化以及等离子喷涂等表面改性类方法缺乏与天然骨组织相似的生物活性，骨结合效果不够理想。而理想的医用植入材料表面应为新骨形成提供一个良好的骨诱导微环境，提高新骨生成和骨结合效果，同时具备良好的骨结合稳定性。现今，电活性材料受到研究者的广泛关注，这类材料可以通过设计加工实现仿生电活性，为细胞功能分化和新骨生成提供适宜的电学微环境。因此，研究一种能够仿生天然骨组织压电特性，涂层与钛基体结合力强，同时稳定性高的仿生电活性涂层就成为医用植入材料领域需要亟待解决和探索的问题。
公开号CN109179356A的中国专利申请公开了一种钛或钛合金表面制备羟基磷灰石涂层的方法，其先将植入体浸入到含有钙离子的水溶液中，利用磷裂化器提供磷元素蒸气，在真空条件下，提供磷元素蒸气和臭氧与基体表面进行碰撞，通过控制磷元素和氧元素成分的沉积速率，使得成分元素的反应仅发生在基材上，促使植入体表面生成低结晶的、具有生物活性的羟基磷灰石涂层。该涂层主要依靠羟基磷灰石诱导新骨生成来提高钛或钛合金表面的生物活性，但是羟基磷灰石长时间植入人体后会逐渐降解，涂层脱落，生物活性随之降低。
公开号为CN1785439A中国专利申请公开了活性生物压电陶瓷涂层及在钛基体表面制备该涂层的方法，其主要通过微弧氧化技术形成多孔的氧化物膜层，然后通过电泳沉积技术，在样品表面制备氟羟基磷灰石和钛酸钡(FHABT)复合涂层来提高其生物相容性和生物活性。但随着涂层中氟羟基磷灰石的降解，钛酸钡颗粒会释放到人体内，由于钛酸钡颗粒在体内无法降解，可能对人体造成潜在的危害。
公开号为CN108079381A的中国专利申请公开了一种医用钛合金表面生物压电复合涂层的制备方法，其首先采用微弧氧化技术在钛合金基体表面原位生成内层致密、表层多孔的二氧化钛涂层，然后采用水热化学法在二氧化钛涂层原位反应生成钛酸钡涂层，最后填充极化后的涂层表面的孔洞，即在医用钛合金表面形成具有生物压电特性的复合涂层。本发明制得的涂层内层致密，与基体结合良好，稳定性高，同时可以有效阻止有害金属离子向体液溶出；表层多孔的钛酸钡涂层能够产生压电效应，促进局部血液循环，进一步加快骨的修复；孔洞中填充有利于早期骨组织的生长的物质或抗菌类药物，同时粗糙的表面利于细胞的粘附与增值，使得金属材料具有良好的生物相容性和生物活性。虽然此发明制得的涂层内层致密，与基体结合良好，稳定性高，但是该涂层制备方法复杂，工艺繁琐，不易于推广。
发明内容
本发明针对在现有钛植入体涂层的生物活性不足或对人体有害的技术问题，提供一种具有牢固结合仿生电活性涂层且涂层对人体无害的钛植入体及其制备方法。
为此，本发明提供一种具有仿生电活性涂层的钛植入体，其设有涂层，所述涂层含有填料和基体，所述填料为压电陶瓷颗粒，所述基体为铁电高分子聚合物，所述压电陶瓷颗粒均匀分散在所述铁电高分子聚合物中；所述压电陶瓷颗粒占所述基体的体积分数为5％～15％；所述压电陶瓷颗粒的直径为50nm～500nm。
优选的，所述铁电高分子聚合物为PVDF、P(VDF-TrFE)以及PVDF衍生物中的一种或多种。
优选的，所述压电陶瓷颗粒包括钛酸钡、钛酸锶钡、铁酸铋、铌酸钾钠、铌酸锂中的一种或多种。
本发明同时提供一种具有仿生电活性涂层的钛植入体的制备方法，其包括如下步骤：(1)在医用钛植入材料需要进行采用激光、微弧氧化，机械加工、喷砂、酸蚀处理中的一种或多种，在医用钛材料表面生成粗糙多孔结构；(2)取压电陶瓷颗粒超声振荡分散在有机溶剂中，采用超声振荡结合搅拌，得到陶瓷颗粒分散液；(3)称取铁电高分子聚合物，加入到有机溶剂中，得到聚合物溶液；(4)将所述步骤(2)中所得悬浮液加入到所述步骤(3)所得聚合物溶液中，搅拌，使得陶瓷颗粒填料均匀分散在聚合物基体中，得到混合液；(5)将所述步骤(4)中得到的混合液均匀涂覆在所述步骤(1)得到的医用钛材料表面并与钛材料表层粗糙多孔结构牢固结合，烘干，得到具有铁电复合物涂层的钛材料；(6)把所述步骤(5)得到的烘干后的具有涂层的钛材料进行电晕极化处理，即可得到具有仿生电活性涂层的钛植入体。
优选的，其特征在于，所述步骤(6)中，极化场强0.1kV/mm～10kV/mm、极化时间1min～60min，极化介质为空气、甲基硅油两种中的一种，极化温度25℃～100℃。
本发明具有以下有益效果：
发明人经研究表明，钛表面粗糙多孔结构是决定涂层结合效果的关键因素，为了实现电活性涂层与钛表面牢固结合，以避免涂层结合不够以及增强仿生电活性涂层钛植入体的长期稳定性，本发明对钛表面进行了粗化处理。
发明人经研究表明，钛表面涂层中压电相钛酸钡含量低会导致复合材料压电性能差，进而引起其生物活性不足。为了使复合涂层的医用钛植入材料能够获得更好的生物活性，并达到仿生量级的电活性，发明人采用聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物如聚偏氟乙烯三氟乙烯P(VDF-TrFE)掺杂钛酸钡(BaTiO3，BTO)纳米颗粒来制备混合液，并通过优化纳米钛酸钡颗粒的体积分数以期达到仿生量级的电活性。
最终使用了最优体积分数的纳米钛酸钡颗粒的混合液用于钛植入材料的表面涂层改性。通过比较仿生电活性涂层和聚乳酸PLLA涂层植入体内后的涂层结合稳定性及促进兔骨结合作用的差异，来验证仿生电活性BaTiO3/P(VDF-TrFE)纳米复合材料作为种植体涂层材料的可行性和有效性。
(1)本发明首先采用激光、机械加工、微弧氧化、喷砂、酸蚀等一种或多种技术在医用钛植入材料表面形成粗糙多孔样结构，在此基础上，采用浇铸法复合了仿生电活性纳米涂层，后经极化处理，使涂层具有仿生量级的电学特性，在医用钛植入材料表面形成了结合稳定性优良、促进骨整合的仿生电活性的涂层结构。
(2)本发明所复合的仿生电活性涂层属于不可降解材料，植入体内后材料具有优异的涂层稳定性，能够保持长期稳定的电学特性，同时可以避免材料降解引起的离子析出并被人体吸收的问题。
(3)仿生电活性的涂层由于其内在的铁电特性，并通过极化处理后可使达到仿生量级，既定的仿生电学微环境可以实现可控的骨整合效果。
(4)本发明所制得的仿生电活性涂层的医用钛植入材料具有优异的骨整合效果。
(5)本发明的制备工艺简单，可以工业化批量生产及推广应用。
综上所述，本发明所提供的一种仿生电活性涂层的医用钛植入材料在基础实验效果和临床应用推广上性能优异并且可操作性强，在骨整合过程中，不仅与钛基体牢固结合并具有优异的稳定性，与宿主形成良好的生物相容性，并且可为新骨生成提供适宜的仿生量级的电学微环境，呈现良好的骨整合效果，同时能够保持长期稳定的电学特性，实现了骨整合效果的精确可控，在诱导成骨适配性和临床操作、预后等方面得到了改善。
附图说明
图1为本发明实施例1所述仿生电活性涂层的医用钛植入材料实物照片；
图2A、图2B、图2C、图2D、图2E、图2F、图2G、图2H、图2I、图2J、图2K、图2L分别为本发明实施例1所述纯钛表面形貌(45倍)、纯钛表面(200倍)、纯钛表面(5000倍)、纯钛表面EDS能谱分析、PLLA涂层表面形貌(45倍)、PLLA涂层表面(200倍)、PLLA涂层表面(5000倍)、PLLA涂层表面EDS能谱分析、电活性涂层表面形貌(45倍)、电活性涂层表面(200倍)、电活性涂层表面(5000倍)、电活性涂层表面EDS能谱分析结果。
图3A、图3B、图3C分别为本发明实施例1所述钛植入体表面仿生电活性涂层的表面粗糙度(A)、亲疏水性(B)、压电常数及其电学稳定性(C)测试结果；
图4A、图4B、图4C、图4D、图4E分别为本发明实施例1所述PLLA涂层钛植入材料植入兔胫骨缺损术4周后的硬组织切片低倍图、局部放大图、仿生电活性涂层钛植入材料植入兔胫骨缺损术4周后的硬组织切片低倍图、局部放大图、以及骨结合率检测结果。
图5A和图5B分别为本发明实施例1所述PLLA涂层钛植入材料植入兔胫骨缺损术12周后的硬组织切片检测结果和仿生电活性涂层钛植入材料植入兔胫骨缺损术12周后的硬组织切片检测结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
(1)首先将常规医用纯钛圆柱用SiO2颗粒在0.4MPa压力条件下进行喷砂处理，然后用10％H2SO4与10％HCl混合液在60℃恒温条件下酸蚀30min；
(2)将纳米钛酸钡颗粒放入多巴胺水溶液中，60度水浴加热搅拌12h，离心干燥后得到钛酸钡纳米颗粒填料；
(3)取适量步骤(2)制备的钛酸钡纳米颗粒填料(BaTiO3)分散于3ml有机溶剂(如DMF)中，采用搅拌结合超声震荡搅拌3h，得到钛酸钡颗粒填料分散液；
(4)取1g的聚合物(如P(VDF-TrFE))粉末分散于7ml有机溶剂(如DMF)中，搅拌3h使其完全溶解，形成聚合物(如P(VDF-TrFE))溶液；
(5)将步骤(3)中形成的钛酸钡颗粒填料分散液和步骤(4)形成聚合物(如P(VDF-TrFE))溶液混合后，搅拌24h得到颗粒填料(BaTiO3)均匀分散的混合液；
(6)取适量聚乳酸及其共聚物(PLLA)加入10ml三氟乙醇，搅拌24h得到聚乳酸及其共聚物填料(PLLA)均匀分散的混合液；
(7)分别取步骤(5)和步骤(6)所得的混合液均匀涂覆在喷砂-酸蚀处理后的钛柱表面，在80℃温度下烘干2h，使溶剂完全挥发，并得到复合在钛柱表面的均匀涂层；
(8)将步骤(7)中制备的复合均匀涂层的钛柱置于电晕极化装置样品台上，极化介质为空气，施加电压15kV，设置极化极头与样品间距离为15mm，极化温度25℃，极化30min，得到一种具有仿生电活性BaTiO3/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛植入材料。
通过以上步骤所得的复合仿生电活性BaTiO3/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛植入材料中涂层的主要成分为钛酸钡纳米颗粒和铁电高分子聚合物，膜厚为50μm，钛酸钡纳米颗粒填料在铁电高分子聚合物基体中的体积含量为5vol％。材料的电学性能参数如下：压电常数d33为6.58pC/N。
(9)将上述所得的复合仿生电活性BaTiO3/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛材料植入兔胫骨内，以PLLA涂层作为对照组，术后4周和12周分别取材进行硬组织切片染色，重点观察涂层结合稳定性和新骨结合情况，并分析新骨结合率。如附图所示为本实施例检测结果，动物实验结果显示，术后4周，仿生电活性涂层材料表面和新骨结合紧密，涂层材料稳定无降解(图4B和4D)，而PLLA涂层材料表面由于材料有部分降解导致新骨结合较差(图4A和4C)，电活性涂层的骨结合率明显高于PLLA涂层(图4E)。术后12周，两组的新骨成熟程度均增加，骨陷窝明显，仿生电活性涂层仍然保持稳定状态(图5B)，而PLLA涂层进一步发生降解，和新骨结合程度弱于电活性涂层组(图5A)。
实施例2
(1)首先将常规医用纯钛圆柱用SiO2颗粒在0.4MPa压力条件下进行喷砂处理，然后用10％H2SO4与10％HCl混合液在60℃恒温条件下酸蚀60min；
(2)将纳米钛酸锶(SrTiO3)颗粒放入多巴胺水溶液中，60度水浴加热搅拌12h，离心干燥后得到钛酸钡纳米颗粒填料；
(3)取适量步骤(2)制备的钛酸锶纳米颗粒填料分散于3ml有机溶剂(如DMF)中，采用搅拌结合超声震荡搅拌6h，得到钛酸钡颗粒填料分散液；
(4)取1g的聚合物(如P(VDF-TrFE))粉末分散于7ml有机溶剂(如DMF)中，搅拌6h使其完全溶解，形成聚合物(如P(VDF-TrFE))溶液；
(5)将步骤(3)中形成的钛酸锶颗粒填料分散液和步骤(4)形成聚合物(如P(VDF-TrFE))溶液混合后，搅拌48h得到颗粒填料(BaTiO3)均匀分散的混合液；
(6)取适量聚乳酸及其共聚物(PLLA)加入10ml三氟乙醇，搅拌48h得到聚乳酸及其共聚物填料(PLLA)均匀分散的混合液；
(7)分别取步骤(5)和步骤(6)所得的混合液均匀涂覆在喷砂-酸蚀处理后的钛柱表面，在60℃温度下烘干4h，使溶剂完全挥发，并得到复合在钛柱表面的均匀涂层；
(8)将步骤(7)中制备的复合均匀涂层的钛柱置于电晕极化装置样品台上，极化介质为空气，施加电压15kV，设置极化极头与样品间距离为20mm，极化温度25℃，极化20min，得到一种具有仿生电活性SrTiO3/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛植入材料。
通过以上步骤所得的复合仿生电活性SrTiO3/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛植入材料中涂层的主要成分为钛酸锶纳米颗粒和铁电高分子聚合物，膜厚为30μm，钛酸锶纳米颗粒填料在铁电高分子聚合物基体中的体积含量为7vol％。材料的电学性能参数如下：压电常数d33为6.47pC/N。
(9)将上述所得的复合仿生电活性SrTiO3/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛材料植入兔胫骨内，以PLLA涂层作为对照组，术后4周和12周分别取材进行硬组织切片染色，重点观察涂层结合稳定性和新骨结合情况，并分析新骨结合率。
实施例3
(1)首先将常规医用纯钛圆柱用SiO2颗粒在0.4MPa压力条件下进行喷砂处理，然后用10％H2SO4与10％HCl混合液在60℃恒温条件下酸蚀10min；
(2)将纳米铌酸钾钠(KNN)颗粒放入多巴胺水溶液中，60度水浴加热搅拌12h，离心干燥后得到钛酸钡纳米颗粒填料；
(3)取适量步骤(2)制备的铌酸钾钠纳米颗粒填料(KNN)分散于3ml有机溶剂(如DMF)中，采用搅拌结合超声震荡搅拌3h，得到钛酸钡颗粒填料分散液；
(4)取1g的聚合物(如P(VDF-TrFE))粉末分散于7ml有机溶剂(如DMF)中，搅拌3h使其完全溶解，形成聚合物(如P(VDF-TrFE))溶液；
(5)将步骤(3)中形成的钛酸钡颗粒填料分散液和步骤(4)形成聚合物(如P(VDF-TrFE))溶液混合后，搅拌12h得到颗粒填料(BaTiO3)均匀分散的混合液；
(6)取适量聚乳酸及其共聚物(PLLA)加入10ml三氟乙醇，搅拌12h得到聚乳酸及其共聚物填料(PLLA)均匀分散的混合液；
(7)分别取步骤(5)和步骤(6)所得的混合液均匀涂覆在喷砂-酸蚀处理后的钛柱表面，在100℃温度下烘干1h，使溶剂完全挥发，并得到复合在钛柱表面的均匀涂层；
(8)将步骤(7)中制备的复合均匀涂层的钛柱置于电晕极化装置样品台上，极化介质为空气，施加电压10kV，设置极化极头与样品间距离为15mm，极化温度25℃，极化40min，得到一种具有仿生电活性KNN/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛植入材料。
通过以上步骤所得的复合仿生电活性KNN/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛植入材料中涂层的主要成分为铌酸钾钠纳米颗粒和铁电高分子聚合物，膜厚为80μm，铌酸钾钠纳米颗粒填料在铁电高分子聚合物基体中的体积含量为10vol％。材料的电学性能参数如下：压电常数d33为5.76pC/N。
(9)将上述所得的复合仿生电活性KNN/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛材料植入兔胫骨内，以PLLA涂层作为对照组，术后4周和12周分别取材进行硬组织切片染色，重点观察涂层结合稳定性和新骨结合情况，并分析新骨结合率。
实施例4
(1)首先将常规医用纯钛圆柱用SiO2颗粒在0.4MPa压力条件下进行喷砂处理，然后用10％H2SO4与10％HCl混合液在60℃恒温条件下酸蚀5min；
(2)将纳米铌酸锂(LN)颗粒放入多巴胺水溶液中，60度水浴加热搅拌12h，离心干燥后得到钛酸钡纳米颗粒填料；
(3)取适量步骤(2)制备的铌酸锂纳米颗粒填料分散于3ml有机溶剂(如DMF)中，采用搅拌结合超声震荡搅拌6h，得到钛酸钡颗粒填料分散液；
(4)取1g的聚合物(如P(VDF-TrFE))粉末分散于7ml有机溶剂(如DMF)中，搅拌6h使其完全溶解，形成聚合物(如P(VDF-TrFE))溶液；
(5)将步骤(3)中形成的铌酸锂颗粒填料分散液和步骤(4)形成聚合物(如P(VDF-TrFE))溶液混合后，搅拌48h得到颗粒填料(BaTiO3)均匀分散的混合液；
(6)取适量聚乳酸及其共聚物(PLLA)加入10ml三氟乙醇，搅拌48h得到聚乳酸及其共聚物填料(PLLA)均匀分散的混合液；
(7)分别取步骤(5)和步骤(6)所得的混合液均匀涂覆在喷砂-酸蚀处理后的钛柱表面，在80℃温度下烘干2h，使溶剂完全挥发，并得到复合在钛柱表面的均匀涂层；
(8)将步骤(7)中制备的复合均匀涂层的钛柱置于电晕极化装置样品台上，极化介质为空气，施加电压30kV，设置极化极头与样品间距离为20mm，极化温度25℃，极化20min，得到一种具有仿生电活性LN/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛植入材料。
通过以上步骤所得的复合仿生电活性LN/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛植入材料中涂层的主要成分为铌酸锂纳米颗粒和铁电高分子聚合物，膜厚为100μm，铌酸锂纳米颗粒填料在铁电高分子聚合物基体中的体积含量为15vol％。材料的电学性能参数如下：压电常数d33为5.2pC/N。
(9)将上述所得的复合仿生电活性LN/P(VDF-TrFE)涂层的医用钛材料植入兔胫骨内，以PLLA涂层作为对照组，术后4周和12周分别取材进行硬组织切片染色，重点观察涂层结合稳定性和新骨结合情况，并分析新骨结合率。
对比例
(1)首先将常规医用纯钛圆柱用SiO2颗粒在0.4MPa压力条件下进行喷砂处理，然后用10％H2SO4与10％HCl混合液在60℃恒温条件下酸蚀30min；
(2)取1g的聚合物(如P(VDF-TrFE))粉末分散于10ml有机溶剂(如DMF)中，搅拌3h使其完全溶解，形成聚合物(如P(VDF-TrFE))溶液；
(3)取步骤(2)聚合物溶液均匀涂覆在喷砂-酸蚀处理后的钛柱表面，在80℃温度下烘干2h，使溶剂完全挥发，并得到复合在钛柱表面的均匀涂层；
(4)将步骤(3)中制备的复合均匀涂层的钛柱置于电晕极化装置样品台上，极化介质为空气，施加电压15kV，设置极化极头与样品间距离为15mm，极化温度25℃，极化30min，得到一种具有涂层的医用钛植入材料。
通过以上步骤所得的具有涂层的医用钛植入材料中涂层的主要成分为铁电高分子聚合物，涂层厚度为50μm。
材料的电学性能参数如下：压电常数d33为3.68pC/N。
惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。