專(zhuān)利名稱(chēng)：逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料，特別涉及一種逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材 料，還涉及該修飾的鈦或鈦合金材料的制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前，由創(chuàng)傷、骨折及骨質(zhì)疏松癥等疾病引起的骨缺損是臨床面臨的普遍 問(wèn)題，每年全球有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的硬組織植入體用于骨固定或功能性組織全置換。 鈦及鈦合金因其優(yōu)良的生物相容性和綜合力學(xué)性能成為目前臨床應(yīng)用最廣泛的 硬組織植入材料，用于制作人工關(guān)節(jié)、骨內(nèi)固定器材及骨重建材料等。但是， 鈦及鈦合金材料本身缺乏生物活性，無(wú)誘導(dǎo)骨整合性能，用其制成的植入體植 入體內(nèi)后不能與周?chē)墙M織形成牢固的、長(zhǎng)期穩(wěn)定的結(jié)合，常發(fā)生松動(dòng)和脫位
現(xiàn)象。因此，鈦及鈦合金植入體與骨組織間的整合性及長(zhǎng)期穩(wěn)定性是目前臨床 面臨的重大挑戰(zhàn)。理想的骨組織植入體應(yīng)具有"主動(dòng)"而非"被動(dòng)"地與宿主 周邊組織作用的能力，如促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化等。
針對(duì)鈦及鈥合金材料存在的不足，采用表面工程的方法對(duì)其進(jìn)行表面改性， 有望大幅度提高其綜合性能，從而更適合于醫(yī)學(xué)應(yīng)用的要求。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外 學(xué)者就鈦及鈦合金材料的表面改性開(kāi)展了大量的工作，其總體思路是在鈦及鈦 合金表面生成有機(jī)(如蛋白質(zhì)、酶等)或無(wú)機(jī)(如羥基磷灰石、二氧化鈦等)
生物活性涂層。表面改性方法大致分為三大類(lèi)物理改性法、化學(xué)改性法以及 生物化學(xué)方法。物理改性法如等離子噴涂法等生產(chǎn)成本高，制得的羥基磷灰石 涂層與鈦及鈦合金材料之間為物理結(jié)合，存在結(jié)合力較弱、穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)， 且絕大部分噴涂為直線(xiàn)噴涂，對(duì)復(fù)雜形貌的鈦及鈦合金材料容易造成涂層厚度 不均勻等問(wèn)題。化學(xué)改性法如酸堿處理法等對(duì)鈦及鈦合金材料的腐燭性大，而且制得的二氧化鈦涂層結(jié)構(gòu)疏松，結(jié)合牢固性有待提高。生物化學(xué)方法是將蛋 白質(zhì)或酶等有機(jī)高分子物質(zhì)通過(guò)物理吸附、化學(xué)鍵合以及載體附著等方法結(jié)合 到鈦及鈦合金材料表面，其優(yōu)勢(shì)在于能夠直接、有效地提高鈦及鈦合金材料的 生物活性，但在如何保證反應(yīng)后蛋白質(zhì)或酶等的生物活性方面還需要進(jìn)行大量 的研究。迄今為止，還沒(méi)有一種表面改性的鈦及鈦合金材料成功應(yīng)用于臨床。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種逐層 自組裝修飾的鈦或鈦合金材料，具有良好的成骨細(xì)胞相容性，可促進(jìn)成骨細(xì)胞 的增殖和骨架重塑。
為達(dá)到此目的，本發(fā)明的逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料，在鈦或鈦合
金材料的表面自組裝有生物活性涂層，所述生物活性涂層由至少5層的殼聚糖-明膠雙層組成。
進(jìn)一步，所述生物活性涂層由5 ~ 10層的殼聚糖-明膠雙層組成；
進(jìn)一步，所述生物活性涂層由6層的殼聚糖-明膠雙層組成。
本發(fā)明的目的之二在于提供一種制備所述逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材
料的方法，不受材料大小和形狀的影響，操作簡(jiǎn)單，條件溫和，無(wú)需特殊設(shè)備，
生產(chǎn)成本低。
為達(dá)到此目的，本發(fā)明的制備所述逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料的方 法，包括以下步驟
a、 稱(chēng)取殼聚糖，加入濃度為10~30 fflL/L的乙酸溶液，攪拌使溶解，制成 質(zhì)量百分濃度為1°/。~4%的殼聚糖溶液；
b、 稱(chēng)取明膠，加入去離子水，調(diào)節(jié)pH值至10-12，加熱使溶解，制成質(zhì) 量百分濃度為2% ~ 10%的明膠溶液；
c、 將鈦或鈦合金材料置步驟a制得的殼聚糖溶液中，浸泡10 20分鐘， 取出；
d、 將經(jīng)過(guò)步驟c處理的鈦或鈦合金材料用去離子水充分洗滌；e、 將經(jīng)過(guò)步驟d清洗的鈦或鈦合金材料置步驟b制得的明膠溶液中，浸泡 10~20分鐘，取出；
f、 將經(jīng)過(guò)步驟e處理的鈦或鈦合金材料用去離子水充分洗滌；
g、 重復(fù)步驟c至f至少4次，使鈦或鈦合金材料的表面逐層自組裝上至少 5層的殼聚糖-明膠雙層，即制得逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料。
進(jìn)一步，所述步驟a中殼聚糖溶液的質(zhì)量百分濃度為2%,所述步驟c中浸 泡時(shí)間為20分鐘；
進(jìn)一步，所述步驟b中明膠溶液的質(zhì)量百分濃度為8%，所述步驟e中浸泡 時(shí)間為10分鐘；
進(jìn)一步，所述步驟g為重復(fù)步驟c至f 4 - 9次，使鈦或鈦合金材料的表面 逐層自組裝上5-10層的殼聚糖-明膠雙層；
進(jìn)一步，所述步驟g為重復(fù)步驟c至f 5次，使鈦或鈦合金材料的表面逐 層自組裝上6層的殼聚糖-明膠雙層。
本發(fā)明的目的之三在于提供所述逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料在制備 醫(yī)用硬組織植入材料中的應(yīng)用。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明公開(kāi)了一種逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金 材料，在材料表面自組裝有由至少5層的殼聚糖-明膠雙層組成的生物活性涂層， 該材料具有良好的成骨細(xì)胞相容性，可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和骨架重塑，顯示 了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成為新型醫(yī)用硬組織植入材料的潛力，具有良好的臨床應(yīng)用前景；
作用將聚陽(yáng)離子電解質(zhì)殼聚糖和聚陰離子電解質(zhì)明膠交替層疊組裝在鈦或鈦合 金材料的表面，制備方法簡(jiǎn)單，涂層厚度可控，不受材料大小和形狀的影響， 適用于復(fù)雜形貌的材料，且制備條件溫和，無(wú)需特殊設(shè)備，生產(chǎn)成本低，實(shí)用 性強(qiáng)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)
明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中
圖1為殼聚糖-明膠-殼聚糖逐層自組裝修飾的鈦膜的原子力顯微鏡(AFM)
圖2為殼聚糖-明膠-殼聚糖-明膠逐層自組裝修飾的鈦膜的AFM圖3為成骨細(xì)胞在本發(fā)明的逐層自組裝修飾的鈦膜上隨時(shí)間的增殖示意圖。
具體實(shí)施例方式
殼聚糖為甲殼類(lèi)動(dòng)物、昆蟲(chóng)和其它無(wú)脊推動(dòng)物外殼中的曱殼素脫乙酰化后 的產(chǎn)物，是一種天然聚陽(yáng)離子多糖(pKa-6. 3),具有良好的成膜性、生物相容 性和生物可降解性，以及多種生物活性如廣諮抑菌、促進(jìn)上皮細(xì)胞增長(zhǎng)、抑制 平滑肌增生等，廣泛應(yīng)用于組織工程、藥物釋放等領(lǐng)域。明膠是動(dòng)物皮、骨、 腱與韌帶中的膠原部分水解后的產(chǎn)物，是一種無(wú)脂肪的高分子蛋白質(zhì)，含有18 種氨基酸，其中7種為人體必需氨基酸，具有優(yōu)良的物理性質(zhì)、生物相容性和 生物可降解性，在醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本發(fā)明選擇殼聚糖和明膠分別作為聚陽(yáng) 離子和聚陰離子電解質(zhì)，利用聚陽(yáng)/陰離子間的靜電相互作用，采用逐層自組裝 的方法進(jìn)行鈦或鈦合金材料的表面修飾，并對(duì)制得的表面修飾的鈦或鈦合金材 料進(jìn)行了形貌結(jié)構(gòu)和生物活性鑒定。
以下將參照附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。 原料殼聚糖(脫乙酰度95%，分子量20萬(wàn)，青島海匯生物制品有限公司)， 明膠(A型，pI-7. 8，美國(guó)Sigma公司)，平整鈦膜(通過(guò)電子束蒸發(fā)沉積，表 面粗糙度約2. 5 nm )和Ti-6A1-4V鈦合金(西北有色金屬研究院)。
實(shí)施例一
本實(shí)施例為逐層自組裝修飾的鈦膜，其制備方法包括以下步驟a、 稱(chēng)取殼聚糖0. 5 g，加入濃度為10 mL/L的乙酸溶液50 mL,磁力攪拌 20分鐘使溶解，制成質(zhì)量百分濃度為1%的殼聚糖溶液；
b、 稱(chēng)取明膠0. 5 g,加入用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值至10的去離子水25 mL， 在溫度4(TC條件下使溶解，制成質(zhì)量百分濃度為2°/。的明膠溶液；
c、 將鈥膜置步驟a制得的殼聚糖溶液中，浸泡10分鐘，取出；
d、 將經(jīng)過(guò)步驟c處理的鈦膜用去離子水清洗2次，每次浸泡2分鐘；
e、 將經(jīng)過(guò)步驟d清洗的鈦膜置步驟b制得的明膠溶液中，浸泡20分鐘， 取出；
f、 將經(jīng)過(guò)步驟e處理的鈦膜用去離子水清洗2次，每次浸泡2分鐘；
g、 重復(fù)步驟c至f 4次，使鈥膜表面逐層自組裝上5層的殼聚糖-明膠雙 層，即制得逐層自組裝修飾的鈦膜。
實(shí)施例二
本實(shí)施例為逐層自組裝修飾的鈦膜，其制備方法包括以下步驟
a、 稱(chēng)取殼聚糖1. G g,加入濃度為10 mL/L的乙酸溶液50 mL,磁力攪拌 20分鐘使溶解，制成質(zhì)量百分濃度為2°/。的殼聚糖溶液；
b、 稱(chēng)取明膠2. 0 g，加入用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值至11的去離子水25 mL, 在溫度45。C條件下使溶解，制成質(zhì)量百分濃度為8%的明膠溶液；
c、 將鈦膜置步驟a制得的殼聚糖溶液中，浸泡20分鐘，取出；
d、 將經(jīng)過(guò)步驟c處理的鈦膜用去離子水清洗3次，每次浸泡l分鐘；
e、 將經(jīng)過(guò)步驟d清洗的鈦膜置步驟b制得的明膠溶液中，浸泡10分鐘， 取出；
f、 將經(jīng)過(guò)步驟e處理的鈦膜用去離子水清洗3次，每次浸泡1分鐘；
g、 重復(fù)步驟c至f 5次，使鈦膜表面逐層自組裝上6層的殼聚糖-明膠雙 層，即制得逐層自組裝修飾的鈦膜。
實(shí)施例三本實(shí)施例為逐層自組裝修飾的Ti-6A1-4V鈦合金，其制備方法包括以下步
驟
a、 稱(chēng)取殼聚糖1. 5 g,加入濃度為20 mL/L的乙酸溶液50 mL,磁力攪拌 20分鐘使溶解，制成質(zhì)量百分濃度為3%的殼聚糖溶液；
b、 稱(chēng)取明膠1. 5 g,加入用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值至11的去離子水25 mL, 在溫度45。C條件下使溶解，制成質(zhì)量百分濃度為6%的明膠溶液；
c、 將鈦合金置步驟a制得的殼聚糖溶液中，浸泡15分鐘，取出；
d、 將經(jīng)過(guò)步驟c處理的鈦合金用去離子水清洗3次，每次浸泡l分鐘；
e、 將經(jīng)過(guò)步驟d清洗的鈦合金置步驟b制得的明膠溶液中，浸泡15分鐘， 取出；
f、 將經(jīng)過(guò)步驟e處理的鈦合金用去離子水清洗3次，每次浸泡l分鐘；
g、 重復(fù)步驟c至f 7次，使鈦合金的表面逐層自組裝上8層的殼聚糖-明 膠雙層，即制得逐層自組裝修飾的Ti-6A1-4V鈦合金。
實(shí)施例四
本實(shí)施例為逐層自組裝修飾的Ti-6A1-4V鈦合金，其制備方法包括以下步
驟
a、 稱(chēng)取殼聚糖2. 0 g，加入濃度為30 mL/L的乙酸溶液50 mL,磁力攪拌 20分鐘使溶解，制成質(zhì)量百分濃度為4%的殼聚糖溶液；
b、 稱(chēng)取明膠2. 5 g，加入用氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH值至12的去離子水25 mL， 在溫度5(TC條件下使溶解，制成質(zhì)量百分濃度為10%的明膠溶液；
c、 將鈦合金置步驟a制得的殼聚糖溶液中，浸泡20分鐘，取出；
d、 將經(jīng)過(guò)步驟c處理的鈦合金用去離子水清洗4次，每次浸泡l分鐘；
e、 將經(jīng)過(guò)步驟d清洗的鈦合金置步驟b制得的明膠溶液中，浸泡20分鐘， 取出；
f、 將經(jīng)過(guò)步驟e處理的鈦合金用去離子水清洗4次，每次浸泡l分鐘；
g、 重復(fù)步驟c至f 9次，使鈦合金的表面逐層自組裝上IO層的殼聚糖-明膠雙層，即制得逐層自組裝修飾的Ti-6A1-4V鈦合金。
本發(fā)明的逐層自組裝修飾的鈦或鈥合金材料的鑒定
1、 形貌結(jié)構(gòu)鑒定
方法將具有不同自組裝修飾涂層的鈦膜在室溫下干燥后，采用Dimension 3100型原子力顯微鏡(美國(guó)Digital Instruments 7>司)，在室溫下以輕拍才莫 式(tapping mode)進(jìn)行檢測(cè)；
結(jié)果如圖1所示，殼聚糖-明膠-殼聚糖逐層自組裝修飾的鈦膜的表面粗 糙度為50±4. 8 nm，粒子間有清晰可見(jiàn)的界面；如圖2所示，殼聚糖-明膠-殼 聚糖-明膠逐層自組裝修飾的鈦膜的表面粗糙度為82 ± 7. 6 nm，粒子間無(wú)明顯界 面。
2、 生物活性鑒定
方法將人成骨肉瘤細(xì)胞抹CAL-72分別接種于未修飾的鈦膜表面、本發(fā)明 的逐層自組裝修飾的鈦膜表面和聚笨乙烯細(xì)胞培養(yǎng)孔板(tissue culture polystyrenes, TCPS )內(nèi)，細(xì)胞密度為5000/cm2,用含有濃度為100 mL/L的胎 牛血清的DMEM培養(yǎng)液，在溫度37°C、 C02氣體濃度為50 mL/m'，的條件下培養(yǎng)， 每3天更換培養(yǎng)液；分別于培養(yǎng)第1、 4、 7天，將細(xì)胞用濃度為2. 5 mg/mL的 胰酶溶液消化后，用Zl型庫(kù)爾特計(jì)H器(Coulter Counter,德國(guó)Beckman Coulter GmbH公司)進(jìn)行細(xì)胞計(jì)數(shù)，檢測(cè)細(xì)胞增殖能力；
結(jié)果如圖3所示，與未修飾的鈦膜和TCPS相比，本發(fā)明的逐層自組裝修 飾的鈦膜具有良好的成骨細(xì)胞相容性，可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和骨架重塑。
最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管 通過(guò)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離所 附權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1、逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料，在鈦或鈦合金材料的表面自組裝有生物活性涂層，其特征在于所述生物活性涂層由至少5層的殼聚糖-明膠雙層組成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的逐層自組裝修飾的鈦或鈥合金材料，其特征在于 所述生物活性涂層由5 ~ 10層的殼聚糖-明膠雙層組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料，其特征在于 所述生物活性涂層由6層的殼聚糖-明膠雙層組成。
4、 制備權(quán)利要求1所述的逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料的方法，包括 以下步驟a、 稱(chēng)取殼聚糖，加入濃度為10~30 mL/L的乙酸溶液，攪拌使溶解，制成 質(zhì)量百分濃度為1% ~ 4°/。的殼聚糖溶液；b、 稱(chēng)取明膠，加入去離子水，調(diào)節(jié)pH值至10-12,加熱使溶解，制成質(zhì) 量百分濃度為2°/。~10%的明膠溶液；c、 將鈦或鈦合金材料置步驟a制得的殼聚糖溶液中，浸泡10-20分鐘， 取出；d、 將經(jīng)過(guò)步驟c處理的鈦或鈦合金材料用去離子水充分洗滌；e、 將經(jīng)過(guò)步驟d清洗的鈦或鈥合金材料置步驟b制得的明膠溶液中，浸泡 10~20分鐘，取出；f、 將經(jīng)步驟e處理的鈦或鈦合金材料用去離子水充分洗滌；g、 重復(fù)步驟c至f至少4次，使鈦或鈦合金材料的表面逐層自組裝上至少 5層的殼聚糖-明膠雙層，即制得逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料。
5 、根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料的方法， 其特征在于所述步驟a中殼聚糖溶液的質(zhì)量百分濃度為2%,所述步驟c中浸 泡時(shí)間為20分鐘。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料的方法， 其特征在于所述步-驟b中明膠溶液的質(zhì)量百分濃度為8%,所述步驟e中浸泡 時(shí)間為10分^l中。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料的方法， 其特征在于所述步驟g為重復(fù)步驟c至f 4 ~ 9次，使鈦或鈦合金材料的表面 逐層自組裝上5-10層的殼聚糖-明膠雙層。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備逐層自組裝修飾的鈦或鈥合金材料的方法， 其特征在于所述步驟g為重復(fù)步驟c至f 5次，使鈦或鈦合金材料的表面逐 層自組裝上6層的殼聚糖-明膠雙層。
9、 權(quán)利要求1所述的逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料在制備醫(yī)用硬組織 植入材料中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種逐層自組裝修飾的鈦或鈦合金材料，在材料表面自組裝有由至少5層的殼聚糖-明膠雙層組成的生物活性涂層，該材料具有良好的成骨細(xì)胞相容性，可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和骨架重塑，顯示了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成為新型醫(yī)用硬組織植入材料的潛力，具有良好的臨床應(yīng)用前景；本發(fā)明的表面修飾的鈦或鈦合金材料采用逐層自組裝方法制備，通過(guò)靜電吸附作用將聚陽(yáng)離子電解質(zhì)殼聚糖和聚陰離子電解質(zhì)明膠交替層疊組裝在鈦或鈦合金材料的表面，制備方法簡(jiǎn)單，涂層厚度可控，不受材料大小和形狀的影響，適用于復(fù)雜形貌的材料，且制備條件溫和，無(wú)需特殊設(shè)備，生產(chǎn)成本低，實(shí)用性強(qiáng)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)A61L27/00GK101411894SQ20081023308
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2008年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月20日
發(fā)明者蔡開(kāi)勇 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)