專利名稱：具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)用材料領(lǐng)域，涉及一種功能化鈦材的制備方法。
背景技術(shù)：
鈦及鈦合金是常用的醫(yī)用金屬材料，由于其具有與人骨近似的彈性模量、優(yōu)良的耐蝕性、良好的生物相容性和加工性能，自70年代起就在牙科植入體、牙齒植入支架、骨種植體及人工關(guān)節(jié)等方面得到廣泛應(yīng)用。臨床上治療骨癌的方法通常是用骨種植體替代癌變的骨頭。由于手術(shù)后植入的骨種植體附近可能仍然存在未被完全移除的癌細(xì)胞，而且細(xì)菌引起的炎癥反應(yīng)容易導(dǎo)致植入后松動，因此，開發(fā)一種具有良好的抗癌和抗菌性能的骨植入材料相當(dāng)重要。既往研究結(jié)果顯示，合適的納米管管徑和管長可以促進細(xì)胞功能；二氧化鈦納米管可以用作藥物載體，通過冷凍真空干燥法使二氧化鈦納米管加載抗生素后表現(xiàn)出了良好的抗菌性能，但由于抗生素的快速釋放，不能達(dá)到持久的抗菌效果。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材及其制備方法，操作簡單，無需特殊設(shè)備，成本低，所得產(chǎn)品可以在較長時間內(nèi)抑制骨腫瘤細(xì)胞的生長，同時促進正常成骨細(xì)胞的生長，還具有良好的抗菌性能。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案
1.具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備方法，包括以下步驟
a.將鈦材清洗得到潔凈的金屬表面；
b.采用陽極氧化法在步驟a所得鈦材表面形成規(guī)則有序的二氧化鈦納米管陣列；
c.采用電化學(xué)沉積法在步驟b所得鈦材表面的二氧化鈦納米管內(nèi)原位生成硒納米顆
粒；
d.采用旋涂法在步驟C所得鈦材表面修飾5 15層殼聚糖，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材。優(yōu)選的，所述步驟a是將鈦材依次用丙酮、異丙醇和甲醇超聲清洗1(Γ20分鐘，再用水清洗2、次，干燥備用。優(yōu)選的，所述步驟b是以步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，用濃度為 0.25、.30 mol/L、以體積比為1 1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液， 在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)3(Γ60分鐘；處理后的鈦材清洗、干燥備用。更優(yōu)選的，所述步驟b是用濃度為0. 27mol/L、以體積比為1 1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)30分鐘。優(yōu)選的，所述步驟c是以步驟b得到的鈦材作為陰極，鉬作為陽極，以濃度為廣3mmol/L的亞硒酸水溶液作為電解液，在恒電壓廣2V條件下電沉積0. 5 2小時；處理后的鈦材清洗、干燥備用。
更優(yōu)選的，所述步驟c是以濃度為lmmol/L的亞硒酸水溶液作為電解液，在恒電壓 1.5V條件下電沉積1小時。優(yōu)選的，所述步驟d是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4^0. 6%的殼聚糖溶液通過旋涂的方式處理步驟c得到的鈦材，旋涂次數(shù)為5 15次，每次以400飛00轉(zhuǎn)/分鐘旋涂1(Γ20秒。更優(yōu)選的，所述步驟d是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的殼聚糖溶液通過旋涂的方式處理步驟c得到的鈦材，旋涂次數(shù)為10次，每次以500轉(zhuǎn)/分鐘旋涂15秒，使鈦材表面修飾上10
層殼聚糖。2.采用上述制備方法制得的產(chǎn)品即為具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材。在上述制備方法中，步驟b采用陽極氧化法制備二氧化鈦納米管陣列。在陽極氧化過程中，諸多因素可以影響納米管陣列的形成，例如電解液體系、氧化電壓等，不同制備條件可能得到具有不同形貌特征的納米管陣列。本發(fā)明對電解液體系進行了考察，包括氟化銨丙三醇體系，氫氟酸水體系和氟化銨丙三醇/水(體積比為1:1)體系。結(jié)果顯示，用氟化銨丙三醇體系制備相同管徑管長的二氧化鈦納米管陣列，需要較長時間和較高電壓； 用氫氟酸水體系制備二氧化鈦納米管陣列，納米管陣列的形貌難以控制；而用氟化銨丙三醇/水(體積比為1:1)制備二氧化鈦納米管陣列，通過改變氧化電壓等途徑可以較容易地控制納米管的管徑管長；因此，本發(fā)明的電解液體系優(yōu)選氟化銨丙三醇/水(體積比為 1:1)體系。氟化銨的濃度會影響所生成的二氧化鈦納米管的形態(tài)，研究表明，采用濃度為 0. 25、. 30特別是0. 27 mol/L的氟化銨電解液，所制得的二氧化鈦納米管具有良好的形態(tài)。本發(fā)明還對氧化電壓進行了考察，分別為5、10、15、20、25、30、40V。結(jié)果顯示，氧化電壓小則生成的二氧化鈦納米管的管徑小，不利于硒納米顆粒的加載，隨著氧化電壓的升高，二氧化鈦納米管的管徑增大，當(dāng)氧化電壓大于40V時，二氧化鈦納米管被破壞，因此，本發(fā)明優(yōu)選氧化電壓為30V。步驟d通過旋涂法在鈦材表面修飾多層殼聚糖。殼聚糖溶液濃度太低，會使鈦材表面不能被殼聚糖完全覆蓋，進而影響納米管的封堵和抗菌效果；殼聚糖溶液濃度過高，會影響初期納米管內(nèi)抗癌物質(zhì)硒的釋放，進而影響抗癌效果。本發(fā)明研究顯示，殼聚糖溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選為0. 4^0. 6%，更優(yōu)選為0. 5%。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明首先通過陽極氧化法在鈦材表面生成高度規(guī)則有序的二氧化鈦納米管陣列，然后通過電化學(xué)沉積法在二氧化鈦納米管內(nèi)原位生成硒納米顆粒，最后通過旋涂法在鈦材表面修飾多層殼聚糖，制得了一種具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材，操作簡單，無需特殊設(shè)備，成本低，所得產(chǎn)品經(jīng)試驗證實可以在較長時間內(nèi)抑制骨腫瘤細(xì)胞的生長，同時促進正常成骨細(xì)胞的生長，還具有良好的抗菌性能。


圖1為經(jīng)過不同處理的鈦材表面的場發(fā)射掃描電鏡圖，其中A為未處理鈦材，B為 “二氧化鈦納米管”俯視圖，C為“二氧化鈦納米管”截面圖，D為“二氧化鈦納米管@硒”俯視圖，E為“二氧化鈦納米管@硒”截面圖(箭頭指出了在二氧化鈦納米管內(nèi)的硒納米顆粒)， F為“二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖”俯視圖。圖2為骨腫瘤細(xì)胞在經(jīng)過不同處理的鈦材表面的活性，其中**表示與未處理鈦材比較p<0.01，***表示與未處理鈦材比較p<0. 001，&&表示與“二氧化鈦納米管@銀”比較ρ<0· 01。圖3為大鼠成骨細(xì)胞在經(jīng)過不同處理的鈦材表面的活性，其中**表示與未處理鈦材比較Ρ<0. 01。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細(xì)的描述。實施例1.具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備
a.鈦材的預(yù)處理將鈦材依次用丙酮、異丙醇及甲醇超聲清洗20分鐘，再用去離子水清洗3次，40°C干燥，備用；
b.二氧化鈦納米管陣列的構(gòu)建將氟化銨用體積比為1:1的丙三醇-水混合液溶解制成濃度為0. 27mol/L的溶液，作為電解液；將步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，置上述氟化銨電解液中，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)30分鐘；處理后的鈦材用去離子水清洗5次，40°C干燥，備用；所得鈦材簡稱為“二氧化鈦納米管”；
c.硒納米顆粒的加載將亞硒酸用去離子水溶解制成濃度為1.Ommol/L的水溶液，作為電解液；將步驟b得到的鈦材作為陰極，鉬作為陽極，置上述亞硒酸電解液中，在恒電壓 1. 5V的條件下電沉積1小時；處理后的鈦材用去離子水清洗5次，40°C干燥，備用；所得鈦材簡稱為“二氧化鈦納米管@硒”；
d.殼聚糖的修飾將粘度為20cP、脫乙?；笥?5%的殼聚糖(購于sigma公司)用體積分?jǐn)?shù)為m的乙酸溶液溶解制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5%的溶液；將步驟c得到的鈦材固定在旋涂機(spin-coater)上，每次滴加上述殼聚糖溶液40 μ L，以500轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)15秒，重復(fù)旋涂10次，使鈦材表面修飾上10層殼聚糖；處理后的鈦材干燥，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材，簡稱為“二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖”。上述各步驟處理后所得鈦材表面的場發(fā)射掃描電鏡圖見圖1，可見經(jīng)步驟b處理后，在鈦材表面形成了豎直排列、規(guī)則有序的二氧化鈦納米管陣列，其中二氧化鈦納米管的管徑約llOnm，管長約900nm ；經(jīng)步驟c處理后，加載的硒納米顆粒有小部分存在于納米管的表面和管與管之間，大部分存在于二氧化鈦納米管內(nèi)部；經(jīng)步驟d處理后，二氧化鈦納米管被殼聚糖完全覆蓋。實施例2.具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備
a.鈦材的預(yù)處理將鈦材依次用丙酮、異丙醇及甲醇超聲清洗20分鐘，再用去離子水清洗3次，40°C干燥，備用；
b.二氧化鈦納米管陣列的構(gòu)建將氟化銨用體積比為1:1的丙三醇-水混合液溶解制成濃度為0. 25mol/L的溶液，作為電解液；將步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，置上述氟化銨電解液中，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)45分鐘；處理后的鈦材用去離子水清洗5次，40°C干燥，備用；所得鈦材簡稱為“二氧化鈦納米管”；
c.硒納米顆粒的加載將亞硒酸用去離子水溶解制成濃度為2mmol/L的水溶液，作為電解液；將步驟b得到的鈦材作為陰極，鉬作為陽極，置上述亞硒酸電解液中，在恒電壓IV 的條件下電沉積2小時；處理后的鈦材用去離子水清洗5次，40°C干燥，備用；所得鈦材簡稱為“二氧化鈦納米管@硒”；d.殼聚糖的修飾將粘度為20cP、脫乙?；笥?5%的殼聚糖(購于sigma公司)用體積分?jǐn)?shù)為m的乙酸溶液溶解制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4%的溶液；將步驟c得到的鈦材固定在旋涂機(spin-coater)上，每次滴加上述殼聚糖溶液40 μ L，以400轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)10秒，重復(fù)旋涂15次，使鈦材表面修飾上15層殼聚糖；處理后的鈦材干燥，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材，簡稱為“二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖”。實施例3.具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備
a.鈦材的預(yù)處理將鈦材依次用丙酮、異丙醇及甲醇超聲清洗20分鐘，再用去離子水清洗3次，40°C干燥，備用；
b.二氧化鈦納米管陣列的構(gòu)建將氟化銨用體積比為1:1的丙三醇-水混合液溶解制成濃度為0. 30mol/L的溶液，作為電解液；將步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，置上述氟化銨電解液中，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)60分鐘；處理后的鈦材用去離子水清洗5次，40°C干燥，備用；所得鈦材簡稱為“二氧化鈦納米管”；
c.硒納米顆粒的加載將亞硒酸用去離子水溶解制成濃度為3mmol/L的水溶液，作為電解液；將步驟b得到的鈦材作為陰極，鉬作為陽極，置上述亞硒酸電解液中，在恒電壓2V 的條件下電沉積0. 5小時；處理后的鈦材用去離子水清洗5次，40°C干燥，備用；所得鈦材簡稱為“二氧化鈦納米管@硒”；
d.殼聚糖的修飾將粘度為20cP、脫乙?；笥?5%的殼聚糖(購于sigma公司)用體積分?jǐn)?shù)為m的乙酸溶液溶解制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 6%的溶液；將步驟c得到的鈦材固定在旋涂機(spin-coater)上，每次滴加上述殼聚糖溶液40 μ L，以600轉(zhuǎn)/分鐘旋轉(zhuǎn)20秒，重復(fù)旋涂5次，使鈦材表面修飾上5層殼聚糖；處理后的鈦材干燥，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材，簡稱為“二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖”。實驗例1.具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材對大腸桿菌的抑制能力
取實施例1經(jīng)過不同處理后得到的“二氧化鈦納米管”、“二氧化鈦納米管@硒”和“二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖”材料，用紫外光照射2小時殺菌，在材料表面滴加大腸桿菌懸液40 μ L，分別于37°C培養(yǎng)過夜，然后用無菌水4mL強烈振蕩洗滌5分鐘，洗下粘附在材料表面的細(xì)菌，取洗滌液100 μ L涂抹平板，37°C培養(yǎng)M小時，計數(shù)菌落并計算抗菌效率。結(jié)果顯示，“二氧化鈦納米管”的抗菌效率為20. 5% ；加載硒納米顆粒后，“二氧化鈦納米管@硒” 的抗菌效率為22. 2%，有小幅度提高；而經(jīng)殼聚糖修飾后，“二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖” 的抗菌效率大于99. 9%，大幅度提高，具有良好的抗菌能力。實驗例2.具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材對骨腫瘤細(xì)胞和正常成骨細(xì)胞活性的影響
分別取實施例1經(jīng)過不同處理后得到的“二氧化鈦納米管”、“二氧化鈦納米管@硒”和 “二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖”材料以及未處理鈦材(簡稱為“鈦材”)，在材料表面分別接種人骨肉瘤細(xì)胞14 和新生大鼠顱骨成骨細(xì)胞，接種密度均為40000/cm2，用含有體積分?jǐn)?shù)為10%的新生牛血清的DMEM培養(yǎng)基分別培養(yǎng)4天和7天，每2天換液，然后每孔加入MTT 100 μ L，37°C培養(yǎng)4小時，吸棄上清液，再每孔加入DMSO 0. 5mL，用酶標(biāo)儀于波長490nm處測定吸光度。鈦材對骨腫瘤細(xì)胞活性的影響見圖2，可見骨腫瘤細(xì)胞在“二氧化鈦納米管@ 硒”和“二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖”這兩種材料上培養(yǎng)4天和7天的細(xì)胞活性均低于其它對照組，表明這兩種材料均能夠有效抑制骨腫瘤細(xì)胞的生長，而由于“二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖”是在“二氧化鈦納米管@硒”表面進一步覆蓋了多層殼聚糖，使得硒納米顆粒的釋放速率減緩，因此，“二氧化鈦納米管@硒@殼聚糖”材料能夠更持久的抑制骨腫瘤細(xì)胞的生長。鈦材對正常成骨細(xì)胞活性的影響見圖3，可見健康成骨細(xì)胞在“二氧化鈦納米管 @硒@殼聚糖”材料上培養(yǎng)7天的細(xì)胞活性顯著高于其它組，表明這種材料能夠有效促進健康成骨細(xì)胞的生長。 最后說明的是，以上實施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，并不構(gòu)成對本發(fā)明內(nèi)容的限制。盡管通過上述實施例已經(jīng)對本發(fā)明做了較為詳細(xì)的例舉，但本領(lǐng)域技術(shù)人員仍然可以根據(jù)發(fā)明內(nèi)容部分和實施例部分所描述的技術(shù)內(nèi)容，在形式上和細(xì)節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，包括以下步驟a.將鈦材清洗得到潔凈的金屬表面；b.采用陽極氧化法在步驟a所得鈦材表面形成規(guī)則有序的二氧化鈦納米管陣列；c.采用電化學(xué)沉積法在步驟b所得鈦材表面的二氧化鈦納米管內(nèi)原位生成硒納米顆粒；d.采用旋涂法在步驟C所得鈦材表面修飾上5 15層殼聚糖，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟a是將鈦材依次用丙酮、異丙醇和甲醇超聲清洗1(Γ20分鐘，再用水清洗2、 次，干燥備用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟b是以步驟a得到的鈦材作為陽極，鉬作為陰極，用濃度為0. 25、. 30mol/L、以體積比為1:1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)30飛0分鐘；處理后的鈦材清洗、干燥備用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟b是用濃度為0. 27mol/L、以體積比為1 1的丙三醇-水混合液為溶劑的氟化銨溶液作為電解液，在恒電壓30V條件下陽極氧化反應(yīng)30分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟c是以步驟b得到的鈦材作為陰極，鉬作為陽極，以濃度為廣3mmol/L的亞硒酸水溶液作為電解液，在恒電壓廣2V條件下電沉積0. 5 2小時；處理后的鈦材清洗、干燥備用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟c是以濃度為lmmol/L的亞硒酸水溶液作為電解液，在恒電壓1. 5V條件下電沉積1小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟d是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 4^0. 6%的殼聚糖溶液通過旋涂的方式處理步驟c得到的鈦材，旋涂次數(shù)為5 15次，每次以40(Γ600轉(zhuǎn)/分鐘旋涂1(Γ20秒；處理后的鈦材清洗、干燥，即得具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材的制備方法，其特征在于，所述步驟d是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0. 5%的殼聚糖溶液通過旋涂的方式處理步驟c得到的鈦材，旋涂次數(shù)為10次，每次以500轉(zhuǎn)/分鐘旋涂15秒，使鈦材表面修飾上10層殼聚糖。
9.采用權(quán)利要求1至8任一項所述制備方法制得的具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材。
全文摘要
本發(fā)明首先通過陽極氧化法在鈦材表面生成高度規(guī)則有序的二氧化鈦納米管陣列，然后通過電化學(xué)沉積法在二氧化鈦納米管內(nèi)原位生成硒納米顆粒，最后通過旋涂法在鈦材表面修飾多層殼聚糖，制得了一種具有良好抗癌抗菌性能的醫(yī)用鈦材，操作簡單，無需特殊設(shè)備，成本低，所得產(chǎn)品經(jīng)試驗證實可以在較長時間內(nèi)抑制骨腫瘤細(xì)胞的生長，同時促進正常成骨細(xì)胞的生長，還具有良好的抗菌性能。
文檔編號C25D9/08GK102560598SQ201210015430
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者方佳佳, 來敏, 蔡開勇, 陳秀勇 申請人:重慶大學(xué)