钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层及其制备方法和应用 (Nanorod array-configured coating with anti-oxidation and self-oxygen generation functions on titanium-based surface and preparation method and application thereof ) 是由 李博 刘福立 憨勇 于 2021-02-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层及其制备方法和应用。首先采用微弧氧化在钛或其合金表层制备含磷和钙的多孔二氧化钛涂层,然后用水热处理法原位生长出羟基磷灰石纳米棒构形化涂层,再用氧化自聚合法制备聚多巴胺包覆的羟基磷灰石纳米棒阵列,最后通过聚多巴胺吸附金属离子、水热法最终得到兼具抗氧化及自生氧涂层的生物医用材料。本发明工艺稳定、可控性强；制得的涂层表层同时具有抗氧化和自生氧的双重功效；作为植入体能够调控RA病况下不良的骨微环境、促进骨组织愈合及再生能力,避免由于不良的骨微环境所导致的植入体失效和膜/基结合力差诱发的涂层剥落及由其诱发的骨溶解或过度炎性等副反应的发生。(The invention discloses a nanorod array formation coating with antioxidant and self-oxygen generation functions on a titanium-based surface, and a preparation method and application thereof. Firstly, preparing a porous titanium dioxide coating containing phosphorus and calcium on the surface layer of titanium or an alloy thereof by adopting micro-arc oxidation, then growing a hydroxyapatite nanorod-structured coating in situ by using a hydrothermal treatment method, preparing a poly-dopamine-coated hydroxyapatite nanorod array by using an oxidation auto-polymerization method, and finally obtaining the biomedical material with the oxidation resistance and the self-oxygen generation coating by using a poly-dopamine adsorption metal ion and hydrothermal method. The invention has stable process and strong controllability; the surface layer of the prepared coating has double effects of oxidation resistance and self-generated oxygen; the implant can regulate and control the poor bone microenvironment in the RA condition, promote the healing and regeneration capacity of bone tissues, and avoid the occurrence of side reactions such as implant failure caused by the poor bone microenvironment, coating spalling induced by poor membrane/base binding force, osteolysis or excessive inflammation induced by the coating spalling, and the like.)
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层及其制备方法和应用。
背景技术
类风湿性关节炎(RA)是一种慢性全身性免疫疾病，在发病的关节区域内，滑膜液中巨噬细胞多呈M1促炎表型，从而该区域内活性氧自由基团(ROS)及炎性因子的表达显著升高且随血液循环运送至全身；血清中ROS及炎性因子的高表达将诱发骨内缺氧状态并通过激活NF-κb通路促进破骨细胞成熟和分化，导致RA病患全身性骨质流失，增加骨折风险。更为担忧的是，一旦RA病患发生骨折，其血清中高的ROS含量及骨内缺氧微环境将导致骨折部位的巨噬细胞向M1表型过度极化，诱发强的炎性反应，即使在正常骨内具有高骨整合性的人工材料种植体在该骨折部位无法实现骨整合。
据此，亟需针对性的设计、构建骨内种植体以缓解RA病况下骨内高ROS及低氧微环境，继而调控巨噬细胞向M2表型极化，即赋予植入体在RA病况下的免疫调变能力，以在该病况下呈现高骨整合性。
发明内容
针对RA病况下的骨折，为了解决钛基植入体表面改性存在的问题，本发明的目的在于提供一种钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层及其制备方法和应用，工艺稳定、可控性强；制得的生物医用材料表层同时拥有具有抗氧化和自生氧的双重功效；而且作为植入体能够在调控RA病况下ROS和缺氧的骨微环境后及时促进骨组织愈合及再生能力，避免由于膜/基结合力差诱发的涂层剥落以及由其诱发的骨溶解或过度炎性等副反应的发生。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在含有磷离子和钙离子的电解液中对纯钛或钛合金基体进行微弧氧化，使钛基基体表面形成微孔二氧化钛涂层；
步骤2：采用水热处理法在步骤1得到的微孔二氧化钛涂层上制备羟基磷灰石纳米棒构形化涂层；
步骤3：采用氧化自聚合法在步骤2得到的羟基磷灰石纳米棒构形化涂层上制备聚多巴胺包覆的羟基磷灰石纳米棒构形化涂层；
步骤4：常温下将步骤3制得的聚多巴胺包覆的羟基磷灰石纳米棒构形化涂层置入乙酸铁和乙酸锰的混合盐溶液中，搅拌并加热至60℃，然后将产物置入氢氧化钠溶液中，在90～100℃下水热处理1～2h，得到钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层。
优选地，步骤1具体为：
将纯钛或钛合金基体作为阳极，不锈钢电解槽作为阴极，在300～310K的温度下进行微弧氧化，经酒精和去离子水清洗、干燥后使钛基基体表面形成微孔二氧化钛涂层；微弧氧化的参数为：电弧频率90～110Hz，正压300～400V，占空比0～10％；电解液包括：氢氧化钠0.005～0.01mol/L，乙酸钙0.2～0.3mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物0.02～0.03mol/L。
优选地，步骤2具体包括：
步骤2.1：将步骤1得到的微孔二氧化钛涂层放入12～15mL浓度为0.01～0.03mol/L的氢氧化钠水溶液中，密封进行一次水热处理1～2h；
步骤2.2：将乙二胺四乙酸钙钠、β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物和氢氧化钠加入水中，搅拌均匀后对步骤2.1的产物密封进行二次水热处理，其中，乙二胺四乙酸钙钠的浓度为0.05～0.1mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物的浓度为0.01～0.03mol/L，氢氧化钠的浓度为0.1～0.2mol/L；将产物清洗、干燥后备用。
进一步优选地，一次水热处理的温度为360～380K，时间为1～2h；二次水热处理的温度为380～400K，时间为18～22h。
优选地，步骤3具体为：将步骤2的产物浸没在浓度为1～3mg/mL的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中，多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中三羟甲基氨基甲烷浓度为10mmol/L，在常温避光下搅拌，搅拌的转速为400～800r/min，搅拌的时间为10～15h，搅拌后经清洗、干燥。
优选地，步骤4中，混合盐溶液中乙酸铁的浓度为0.5～1.5mmol/L，乙酸锰的浓度为0.25～0.75mmol/L；氢氧化钠溶液的浓度为0.01～0.03mmol/L。
进一步优选地，混合盐溶液中乙酸铁的浓度为1.0mmol/L，乙酸锰的浓度为0.5mmol/L。
优选地，步骤4中，搅拌并加热至60℃后，在0～45min内将产物置入氢氧化钠溶液中。
本发明还公开了采用上述制备方法制得的钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层。
本发明还公开了上述钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层作为植入体涂层材料的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层的制备方法，首先采用微弧氧化工艺在钛或其合金表层制备含磷和钙的多孔二氧化钛涂层，然后用水热处理法在含磷和钙的多孔二氧化钛涂层原位生长出羟基磷灰石(HA)纳米棒构形化涂层，最后再用氧化自聚合法制备聚多巴胺(PDA)包覆的羟基磷灰石纳米棒阵列([email protected])，最后通过聚多巴胺吸附金属离子、水热法，得到具有纳米棒阵列化的抗氧化及自生氧涂层的生物医用材料。利用微弧氧化方式原位制备多微孔TiO2层，使涂层与基体具有强界面结合；且微弧氧化电解液及水热溶液成分简单，不含易分解成分，工艺稳定、可控，重复性强。选择具有还原性邻苯二酚基团的多巴胺作为抗氧化剂及光敏剂，利用其在弱碱性环境下的氧化自聚合行为在HA纳米棒表面包覆PDA膜层。最后我们利用聚多巴胺中的邻苯二酚基团吸附金属离子能力，及进一步在碱性溶液下的水热结晶处理得到铁酸锰和聚多巴胺共修饰的羟基磷灰石纳米棒涂层。其中铁酸锰以纳米颗粒的形式点缀分布在纳米棒表面上，它能够在低氧、富含ROS(H2O2)的情况下利用芬顿反应产生氧气。构建同时具有抗氧化及自生氧双重功效的[email protected]纳米棒阵列表层。
该制备方法中，微弧氧化电解液及水热溶液成分简单，不含易分解成分，工艺稳定、可控，重复性强；聚多巴胺的氧化自聚合能力强且能利用自身的官能团有效吸附金属离子，其浸渍涂覆方式极为简便且工艺稳定，使得该工艺可用于大规模生产制备。制备本涂层所用的原料，如NaOH，β-GP，EDTA-Ca和盐酸多巴胺等均无毒安全，对人体无副作用，且原料均可直接在市场购买，易获得，从而保证该技术的推广应用。
进一步地，采用浓度为1～3mg/mL的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液，浓度过大会导致HA纳米棒阵列涂层被聚多巴胺完全覆盖；浓度过小会导致无法在HA纳米棒上形成结合牢固且致密均匀的聚多巴胺。搅拌的速度为400～800r/min，速度过快会导致多巴胺在HA纳米棒上的氧化自聚合反应不彻底且HA纳米棒上形成的聚多巴胺结合不够牢固；速度过慢会导致多巴胺在HA纳米棒上的聚合涂敷的不均匀。
进一步地，混合盐溶液中乙酸铁的浓度为0.5～1.5mmol/L，乙酸锰的浓度为0.25～0.75mmol/L，氢氧化钠溶液的浓度为0.01～0.03mmol/L，在该浓度下能够形成均匀涂敷的铁酸锰和聚多巴胺共修饰的羟基磷灰石纳米棒。若浓度过小，则水热结晶不充分，无法充分地将铁、锰转化为铁酸锰；若浓度过大，则大量铁酸锰产物产生完全覆盖纳米棒表面上，无法达到促成骨和抗氧化的作用。
更进一步地，当混合盐溶液中乙酸铁的浓度为1.0mmol/L，乙酸锰的浓度为0.5mmol/L时，涂层在保有HA、PDA、MnFe2O4物相的基础上纳米棒构形变为了纳米管构形，因此在此条件下我们可以在实现抗氧化和自生氧双层功能的作用下进一步进行载药，更有利于RA病理的治疗。浓度过小，铁、锰含量低，水热结晶反应过程中不足以腐蚀纳米棒；浓度过大，将产生过量的铁酸锰，在水热结晶成管后进一步填充到管内。
进一步地，步骤4中，搅拌并加热至60℃后，在0～45min内将产物置入氢氧化钠溶液中，时间过长，聚多巴胺表面上会吸附过量的铁、锰离子，进一步水热结晶处理后将产生大量的铁酸锰纳米颗粒，会将聚多巴胺包覆的羟基磷灰石纳米棒完全包裹。
采用上述制备方法制得的钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层，具有双层结构，表层为仿骨基质构形的纳米棒阵列，内层(与基体毗邻)为含有磷和钙的多微孔TiO2涂层。经过PDA涂覆的HA纳米棒阵列表层同时拥有促成骨和抗氧化功效。而经过铁酸锰和聚多巴胺共修饰后的羟基磷灰石纳米棒在有效清除自由基并促成骨的作用基础上，能够通过芬顿反应产生氧气，从而缓解RA病理下骨折处缺氧的微环境。而且涂层与钛基基体紧密结合。所采用的原材料均无毒安全，对人体无副作用，且原料易得，易于推广和应用。
上述钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层作为植入体涂层材料时，内层(与基体毗邻)为含有磷和钙的多微孔TiO2涂层，该构形化表层能够显著促进成骨相关细胞功能，此外，经过MnFe2O4-PDA共修饰的HA纳米棒阵列表层同时拥有抗氧化和自生氧双重功效，能有效清除RA病况下骨微环境中过量的ROS及利用ROS中的过氧化氢催化产生氧气缓解缺氧的骨微环境。进而大幅提升钛基植入体促进骨组织愈合及再生能力。此外，该涂层能够与钛基体紧密结合，避免由于膜/基结合力差诱发的涂层剥落以及由其诱发的骨溶解或过度炎性等副反应的发生。
附图说明
图1为实施例1经过微弧氧化-水热处理所制备的HA纳米棒构形化涂层的表面形貌SEM照片；
图2为实施例1制备的具备MnFe2O4[email protected]涂层的钛种植体的表面形貌SEM照片；
图3为实施例2中制备的具备MnFe2O4[email protected]涂层的钛种植体的表面形貌SEM照片；
图4为实施例2中制备的具备MnFe2O4[email protected]涂层的钛种植体的HRTEM照片；
图5为实施例1，2中制备的具备MnFe2O4[email protected]涂层的钛种植体的傅里叶红外光谱曲线图；
图6为具备HA涂层和[email protected]涂层的钛种植体和实例2，4中具备MnFe2O4[email protected]涂层的钛种植体的XRD表征图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
钛基表面一种具有纳米棒阵列化的热控免疫及抗氧化涂层的生物医用材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、钛及其合金的微弧氧化：
微弧氧化参数设定为：微弧氧化电弧频率为110Hz，电源为正压400V，占空比为7.5％。在微弧氧化过程中，将纯钛或者钛合金作为阳极，不锈钢电解槽为阴极，电解液成分和浓度为：氢氧化钠(NaOH)0.005mol/L，乙酸钙(Ca(CH3COO)2)0.2mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物(β-GP)0.02mol/L。制备过程中采用冷却系统控制微弧氧化电解液的温度在300K。微弧氧化后得到涂覆有微孔二氧化钛涂层的试样，将制备好的试样经酒精和去离子水清洗后，放入干燥箱中备用。
步骤2、将含磷和钙的多孔TiO2涂层进行水热处理以获得HA纳米棒构形化涂层：
步骤2.1、一次水热处理
首先配制一次水热所需溶液，其溶液是浓度为0.01mol/L的氢氧化钠水溶液，将微弧氧化后涂敷有二氧化钛涂层的钛片放入反应釜中，然后每个反应釜中加入15mL氢氧化钠水溶液,拧紧反应釜并放入烘箱中，最后设置温度与时间参数。温度调节至360K，时间设置为2h。
步骤2.2、二次水热处理
将乙二胺四乙酸钙钠、β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物和氢氧化钠加入水中，搅拌均匀后对步骤2.1的产物密封进行二次水热处理，其中，乙二胺四乙酸钙钠的浓度为0.02mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物的浓度为0.02mol/L，氢氧化钠的浓度为0.125mol/L；二次水热温度设置为385K，时间设置为20h。两次水热处理后得到涂敷HA纳米棒构形化涂层的钛片，将样品从反应釜中取出，用去离子水冲洗后放入干燥箱中备用。
步骤3、制备聚多巴胺(PDA)包覆的羟基磷灰石(HA)纳米棒阵列([email protected])
将步骤2的产物浸没在浓度为2mg/mL的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中，多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中三羟甲基氨基甲烷浓度为10mmol/L，在常温避光下搅拌12h，搅拌的转速为600r/min。最后取出试样，用去离子水冲洗，放入烘箱中烘干备用。
步骤4、制备锰铁氧体(MnFe2O4)-聚多巴胺(PDA)共修饰的羟基磷灰石(HA)纳米棒阵列(MnFe2O4[email protected])
常温下将步骤3的产物放置于乙酸铁和乙酸锰混合盐溶液中，温和搅拌并逐渐加热至60℃，其中乙酸铁浓度为0.5mmol/L、乙酸锰浓度为0.25mmol/L；随后取出样品进行水热，水热溶液为浓度为0.01mol/L的氢氧化钠水溶液，水热温度设置为98℃,时间为2h。水热结束后取出试样清洗干燥即可得到钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层。
实施例2
钛基表面一种具有纳米棒阵列化的热控免疫及抗氧化涂层的生物医用材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、钛及其合金的微弧氧化：
微弧氧化参数设定为：微弧氧化电弧频率为110Hz，电源为正压400V，占空比为7.5％。在微弧氧化过程中，将纯钛或者钛合金作为阳极，不锈钢电解槽为阴极，电解液成分和浓度为：氢氧化钠(NaOH)0.005mol/L，乙酸钙(Ca(CH3COO)2)0.2mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物(β-GP)0.02mol/L。制备过程中采用冷却系统控制微弧氧化电解液的温度在300K。微弧氧化后得到涂覆有微孔二氧化钛涂层的试样，将制备好的试样经酒精和去离子水清洗后，放入干燥箱中备用。
步骤2、将含磷和钙的多孔TiO2涂层进行水热处理以获得HA纳米棒构形化涂层：
步骤2.1、一次水热处理
首先配制一次水热所需溶液，其溶液是浓度为0.01mol/L的氢氧化钠水溶液，将微弧氧化后涂敷有二氧化钛涂层的钛片放入反应釜中，然后每个反应釜中加入15mL氢氧化钠水溶液,拧紧反应釜并放入烘箱中，最后设置温度与时间参数。温度调节至360K，时间设置为2h。
步骤2.2、二次水热处理
将乙二胺四乙酸钙钠、β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物和氢氧化钠加入水中，搅拌均匀后对步骤2.1的产物密封进行二次水热处理，其中，乙二胺四乙酸钙钠的浓度为0.02mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物的浓度为0.02mol/L，氢氧化钠的浓度为0.125mol/L；二次水热温度设置为385K，时间设置为20h。两次水热处理后得到涂敷HA纳米棒构形化涂层的钛片，将样品从反应釜中取出，用去离子水冲洗后放入干燥箱中备用。
步骤3、制备聚多巴胺(PDA)包覆的羟基磷灰石(HA)纳米棒阵列([email protected])
将步骤2的产物浸没在浓度为2mg/mL的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中，多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中三羟甲基氨基甲烷浓度为10mmol/L，在常温避光下搅拌12h，搅拌的转速为600r/min。最后取出试样，用去离子水冲洗，放入烘箱中烘干备用。
步骤4、制备锰铁氧体(MnFe2O4)-聚多巴胺(PDA)共修饰的羟基磷灰石(HA)纳米棒阵列(MnFe2O4[email protected])
常温下将步骤3的产物放置于乙酸铁和乙酸锰混合盐溶液中，温和搅拌并逐渐加热至60℃，其中乙酸铁浓度为1mmol/L、乙酸锰浓度为0.5mmol/L；随后取出样品进行水热，水热溶液为浓度为0.01mol/L的氢氧化钠水溶液，水热温度设置为98℃,时间为2h。水热结束后取出试样清洗干燥即可得到钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层。
实施例3
钛基表面一种具有纳米棒阵列化的热控免疫及抗氧化涂层的生物医用材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、钛及其合金的微弧氧化：
微弧氧化参数设定为：微弧氧化电弧频率为110Hz，电源为正压400V，占空比为7.5％。在微弧氧化过程中，将纯钛或者钛合金作为阳极，不锈钢电解槽为阴极，电解液成分和浓度为：氢氧化钠(NaOH)0.005mol/L，乙酸钙(Ca(CH3COO)2)0.2mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物(β-GP)0.02mol/L。制备过程中采用冷却系统控制微弧氧化电解液的温度在300K。微弧氧化后得到涂覆有微孔二氧化钛涂层的试样，将制备好的试样经酒精和去离子水清洗后，放入干燥箱中备用。
步骤2、将含磷和钙的多孔TiO2涂层进行水热处理以获得HA纳米棒构形化涂层：
步骤2.1、一次水热处理
首先配制一次水热所需溶液，其溶液是浓度为0.01mol/L的氢氧化钠水溶液，将微弧氧化后涂敷有二氧化钛涂层的钛片放入反应釜中，然后每个反应釜中加入15mL氢氧化钠水溶液,拧紧反应釜并放入烘箱中，最后设置温度与时间参数。温度调节至360K，时间设置为2h。
步骤2.2、二次水热处理
将乙二胺四乙酸钙钠、β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物和氢氧化钠加入水中，搅拌均匀后对步骤2.1的产物密封进行二次水热处理，其中，乙二胺四乙酸钙钠的浓度为0.02mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物的浓度为0.02mol/L，氢氧化钠的浓度为0.125mol/L；二次水热温度设置为385K，时间设置为20h。两次水热处理后得到涂敷HA纳米棒构形化涂层的钛片，将样品从反应釜中取出，用去离子水冲洗后放入干燥箱中备用。
步骤3、制备聚多巴胺(PDA)包覆的羟基磷灰石(HA)纳米棒阵列([email protected])
将步骤2的产物浸没在浓度为2mg/mL的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中，多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中三羟甲基氨基甲烷浓度为10mmol/L，在常温避光下搅拌12h，搅拌的转速为600r/min。最后取出试样，用去离子水冲洗，放入烘箱中烘干备用。
步骤4、制备锰铁氧体(MnFe2O4)-聚多巴胺(PDA)共修饰的羟基磷灰石(HA)纳米棒阵列(MnFe2O4[email protected])
常温下将步骤3的产物放置于乙酸铁和乙酸锰混合盐溶液中，温和搅拌并逐渐加热至60℃，其中乙酸铁浓度为1.5mmol/L、乙酸锰浓度为0.75mmol/L；随后取出样品进行水热，水热溶液为浓度为0.01mol/L的氢氧化钠水溶液，水热温度设置为98℃,时间为2h。水热结束后取出试样清洗干燥即可得到钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层。
实施例4
钛基表面一种具有纳米棒阵列化的热控免疫及抗氧化涂层的生物医用材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、钛及其合金的微弧氧化：
微弧氧化参数设定为：微弧氧化电弧频率为90Hz，电源为正压300V，占空比为0％。在微弧氧化过程中，将纯钛或者钛合金作为阳极，不锈钢电解槽为阴极，电解液成分和浓度为：氢氧化钠(NaOH)0.01mol/L，乙酸钙(Ca(CH3COO)2)0.3mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物(β-GP)0.03mol/L。制备过程中采用冷却系统控制微弧氧化电解液的温度在310K。微弧氧化后得到涂覆有微孔二氧化钛涂层的试样，将制备好的试样经酒精和去离子水清洗后，放入干燥箱中备用。
步骤2、将含磷和钙的多孔TiO2涂层进行水热处理以获得HA纳米棒构形化涂层：
步骤2.1、一次水热处理
首先配制一次水热所需溶液，其溶液是浓度为0.03mol/L的氢氧化钠水溶液，将微弧氧化后涂敷有二氧化钛涂层的钛片放入反应釜中，然后每个反应釜中加入12mL氢氧化钠水溶液,拧紧反应釜并放入烘箱中，最后设置温度与时间参数。温度调节至380K，时间设置为1h。
步骤2.2、二次水热处理
将乙二胺四乙酸钙钠、β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物和氢氧化钠加入水中，搅拌均匀后对步骤2.1的产物密封进行二次水热处理，其中，乙二胺四乙酸钙钠的浓度为0.05mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物的浓度为0.03mol/L，氢氧化钠的浓度为0.2mol/L；二次水热温度设置为380K，时间设置为22h。两次水热处理后得到涂敷HA纳米棒构形化涂层的钛片，将样品从反应釜中取出，用去离子水冲洗后放入干燥箱中备用。
步骤3、制备聚多巴胺(PDA)包覆的羟基磷灰石(HA)纳米棒阵列([email protected])
将步骤2的产物浸没在浓度为3mg/mL的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中，多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中三羟甲基氨基甲烷浓度为10mmol/L，在常温避光下搅拌15h，搅拌的转速为800r/min。最后取出试样，用去离子水冲洗，放入烘箱中烘干备用。
步骤4、制备锰铁氧体(MnFe2O4)-聚多巴胺(PDA)共修饰的羟基磷灰石(HA)纳米棒阵列(MnFe2O4[email protected])
常温下将步骤3的产物放置于乙酸铁和乙酸锰混合盐溶液中，温和搅拌并逐渐加热至60℃，其中乙酸铁浓度为1mmol/L、乙酸锰浓度为0.5mmol/L；随后取出样品进行水热，水热溶液为浓度为0.02mol/L的氢氧化钠水溶液，水热温度设置为90℃,时间为2h。水热结束后取出试样清洗干燥即可得到钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层。
实施例5
钛基表面一种具有纳米棒阵列化的热控免疫及抗氧化涂层的生物医用材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、钛及其合金的微弧氧化：
微弧氧化参数设定为：微弧氧化电弧频率为100Hz，电源为正压350V，占空比为10％。在微弧氧化过程中，将纯钛或者钛合金作为阳极，不锈钢电解槽为阴极，电解液成分和浓度为：氢氧化钠(NaOH)0.008mol/L，乙酸钙(Ca(CH3COO)2)0.25mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物(β-GP)0.025mol/L。制备过程中采用冷却系统控制微弧氧化电解液的温度在300K。微弧氧化后得到涂覆有微孔二氧化钛涂层的试样，将制备好的试样经酒精和去离子水清洗后，放入干燥箱中备用。
步骤2、将含磷和钙的多孔TiO2涂层进行水热处理以获得HA纳米棒构形化涂层：
步骤2.1、一次水热处理
首先配制一次水热所需溶液，其溶液是浓度为0.02mol/L的氢氧化钠水溶液，将微弧氧化后涂敷有二氧化钛涂层的钛片放入反应釜中，然后每个反应釜中加入14mL氢氧化钠水溶液,拧紧反应釜并放入烘箱中，最后设置温度与时间参数。温度调节至370K，时间设置为1.5h。
步骤2.2、二次水热处理
将乙二胺四乙酸钙钠、β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物和氢氧化钠加入水中，搅拌均匀后对步骤2.1的产物密封进行二次水热处理，其中，乙二胺四乙酸钙钠的浓度为0.01mol/L，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物的浓度为0.02mol/L，氢氧化钠的浓度为0.1mol/L；二次水热温度设置为400K，时间设置为18h。两次水热处理后得到涂敷HA纳米棒构形化涂层的钛片，将样品从反应釜中取出，用去离子水冲洗后放入干燥箱中备用。
步骤3、制备聚多巴胺(PDA)包覆的羟基磷灰石(HA)纳米棒阵列([email protected])
将步骤2的产物浸没在浓度为1mg/mL的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中，多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中三羟甲基氨基甲烷浓度为10mmol/L，在常温避光下搅拌10h，搅拌的转速为400r/min。最后取出试样，用去离子水冲洗，放入烘箱中烘干备用。
步骤4、制备锰铁氧体(MnFe2O4)-聚多巴胺(PDA)共修饰的羟基磷灰石(HA)纳米棒阵列(MnFe2O4[email protected])
常温下将步骤3的产物放置于乙酸铁和乙酸锰混合盐溶液中，温和搅拌并逐渐加热至60℃，其中乙酸铁浓度为1.5mmol/L、乙酸锰浓度为0.75mmol/L；随后取出样品进行水热，水热溶液为浓度为0.03mol/L的氢氧化钠水溶液，水热温度设置为100℃,时间为1h。水热结束后取出试样清洗干燥即可得到钛基表面兼具抗氧化及自生氧功能的纳米棒阵列构形化涂层。
制得的具有MnFe2O4[email protected]涂层的钛合金样品，包括自基体表面向外依次设置的TiO2涂层、MnFe2O4[email protected]涂层。如图1，为实施例1、2中经过微弧氧化和水热处理后得到的羟基磷灰石纳米棒涂层的扫描图片。如图2，为实施例1中得到的MnFe2O4[email protected]涂层的扫描图片，我们可以看到纳米棒的构形由规则的六棱柱形变为了圆形。如图3，在实施例2的制备条件下，涂层在保有HA、PDA、MnFe2O4物相的基础上纳米棒构形变为了纳米管构形，因此在此条件下我们可以在实现抗氧化和自生氧双层功能的作用下进一步进行载药，更有利于RA病理的治疗。如图4，为实施例2中得到的MnFe2O4[email protected]涂层的HRTEM图片，我们可以看到代表HA的晶面(210)和代表铁酸锰的晶面(222)。如图5，相关傅里叶红外表征图中，可以直观地看到羟基磷灰石相关特征峰包括磷酸根和碳酸根等、聚多巴胺的碳碳双键和氮氢键特征峰、铁酸锰纳米粒子的铁氧键和锰氧键以及标志MnFe2O4尖晶石结构的特征峰。如图6，从XRD表征图中可以看出微弧氧化和水热处理后得到具备HA涂层的钛合金，由于多巴胺属于非晶物质，可以看出随着聚多巴胺的涂覆，其HA相关特征峰的强度越来越低，在一定程度上说明了PDA成功包裹在HA纳米棒表面上。此外在水热结晶后可以明显看到MnFe2O4的特征峰，也在一定程度上说明MnFe2O4的成功涂敷。结合表面相关SEM照片，可以说明具备MnFe2O4[email protected]涂层生物活性涂层的钛合金种植体成功制备。
实施例可以例举许多，限于篇幅，这里不一一列出，总之，在本发明提供的范围内，利用微弧氧化，水热处理和氧化自聚合沉积以及吸附锰铁离子之后进一步水热的结晶处理后，在钛及其合金表面能够得到双层结构涂层：内层为含有磷和钙的微孔TiO2层，是钛表面原位生长出含有钙磷元素的氧化物薄膜，它可在一定程度上提高钛及其合金种植体的生物相容性；表层为铁锰氧体和聚多巴胺共修饰的纳米棒状羟基磷灰石构形化涂层，其构形化涂层成分较接近人体骨骼成分，而且其独特的六棱柱状纳米棒构形，能够提高与细胞接触的比表面积，在进一步提高生物相容性的同时能够在一定程度上促进骨传导和细胞黏附；此外，经过MnFe2O4-PDA修饰的HA纳米棒阵列表层同时拥有抗氧化和自生氧双重功效，能有效调控RA病理下骨折区域骨充满炎性和缺氧的微环境，进而大幅提升钛基植入体促进骨组织愈合及再生能力。钛及钛合金表面涂敷该双涂层后，具有高的结合强度、良好的生物活性，且由于其在类体液中展现良好的抗氧化能力、产氧能力，从而能够显著提升在RA特定病理条件下钛及钛合金种植体促进骨组织愈合及再生能力。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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