一种兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层及其制备方法和应用与流程

2021-01-08 10:01:48|

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本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

钛及其合金由于其良好的力学性能和生物相容性被广泛应用于骨、牙、关节等硬组织替代材料，然而研究表明其植入后失效率仍显较高，究其原因：(1)缺乏抗氧化能力：在手术植入钛基植入体过程中，由钻孔诱发过量的活性氧自由基(reactiveoxygenspeciesros，包含超氧阴离子o^2-，羟基自由基oh·，过氧化氢h2o2等)将破坏植入体周围骨内微环境，诱发组织内过度炎性，导致植入体骨整合失效；(2)缺乏免疫调变能力：无法有效、快速调控巨噬细胞向抑制炎性、促进组织修复与再生的m2表型极化，导致钛基植入体骨整合形成速度慢；(3)缺乏骨诱导能力：无法显著促进成骨相关细胞(骨髓基质干细胞、成骨细胞等)的粘附、增殖及分化等成骨行为。上述问题可通过构建及优化钛基表面涂层的方式加以解决。

研究表明，仿骨基质和组分构建的羟基磷灰石(ha)纳米棒阵列构形化表层能够显著促进成骨相关细胞的成骨行为，然而该阵列化涂层仍不具备抗氧化功能且缺乏免疫调变能力。在免疫调变功能增强方面，已有研究显示，通过热刺激可使巨噬细胞向m2表型极化，即“热控免疫”，相比于药物负载、化学接枝等方式，热控免疫具有安全性、简便性及经济性等特点，然而研究中的产热一般是通过直接加热产生，此种方式不适用于临床应用。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列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光热的双重功效；作为植入体的涂层材料能够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：

本发明公开了一种兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层的制备方法，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二氧化钛涂层；

步骤2：采用水热处理法在步骤1得到的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阵列，得到兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层。

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，在温度为300～310k的含有磷离子和钙离子的电解液中进行微弧氧化，经清洗、干燥后使钛基基体表面形成二氧化钛涂层。

进一步优选地，微弧氧化的参数为：电弧频率80～110hz，电压为正压300～500v，占空比为5％～10％。

进一步优选地，电解液包括：0.001～0.01mol/l的氢氧化钠，0.1～0.3mol/l的乙酸钙，0.01～0.03mol/l的β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物。

优选地，步骤2具体包括：

步骤2.1：将步骤1得到的涂覆有二氧化钛涂层的钛基基体放入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1～5mg/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，搅拌后经清洗、干燥后，得到兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层。

进一步优选地，搅拌的转速为400～800r/min，搅拌的时间为10～15h。

本发明还公开了采用上述制备方法制得的兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层。

本发明还公开了上述兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列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：

本发明的兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层的制备方法，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(pda@ha)，最终得到兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层。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，构建同时具有抗氧化和光热调控免疫双重功能的pda@ha纳米棒阵列表层。且聚多巴胺的氧化自聚合能力强，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。

进一步地，采用浓度为1～5mg/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。

更进一步地，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。

采用上述制备方法制得的兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层，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抗氧化和光热双重功效，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。

上述兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层作为植入体涂层材料时，表层能够显著促进成骨相关细胞功能，且同时拥有抗氧化和光热双重功效，能有效清除由手术诱发的ros且能利用近红外光诱发的光热效性调控免疫响应，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中经过微弧氧化-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、截面形貌sem照片及横截面线扫能谱谱线；

图2为实施例1中制备的具备pda@ha/tio2涂层的钛种植体的表面形貌sem照片、横截面形貌sem照片及横截面线扫能谱谱线；

图3为实施例2中制备的具备pda@ha/tio2涂层的钛种植体的表面形貌sem照片、截面形貌sem照片及截面形貌线扫能谱谱线；

图4为实施例3中制备的具备pda@ha/tio2涂层的钛种植体的表面形貌sem照片；

图5为实施例4中制备的具备pda@ha/tio2涂层的钛种植体的表面形貌sem照片；

图6为具有ha/tio2涂层的钛种植体和实例1、2、3和4中具备pda@ha/tio2涂层的钛种植体的xrd表征图；

图7为具备ha/tio2涂层的钛种植体和实例1、2和3中具备pda@ha/tio2涂层的钛种植体的拉曼表征图。

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

一种兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、进行微弧氧化，微弧氧化参数设定为：设置微弧氧化电弧频率为100hz，电源为正压400v，占空比为7.5％。在微弧氧化过程中，将钛或其合金圆片作为阳极，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)0.22mol/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为303k。微弧氧化后得到涂覆有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、在含磷和钙的多孔二氧化钛涂层上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，用矿泉水来配制浓度为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

首先用矿泉水配制二次水热反应的溶液，此溶液含0.125mol/l的氢氧化钠、0.02mol/l的β-gp、0.09mol/ledta-ca，将溶液搅拌均匀后，吸出并弃掉每个反应釜中一次水热的溶液，之后加入15ml二次水热水溶液,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385k，时间设置为20h。两次水热处理后得到涂敷tio2涂层/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。得到含磷、钙和氧的ha纳米棒状构型涂层，其表面sem照片参阅图1，从图1中可以看出在二氧化钛涂层上会形成规则且致密的ha六棱柱状纳米棒构形化涂层。其截面sem照片和能谱谱线参阅图1。

步骤3、制备聚多巴胺(pda)包覆的羟基磷灰石(ha)纳米棒阵列(pda@ha)

首先，配置弱碱环境下的多巴胺溶液：配制浓度为1mg/ml的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中(其中三羟甲基氨基甲烷浓度为10mmol/l)，然后将涂敷ha涂层的钛片放入溶液底部，常温避光状态下以600r/min的速度搅拌12h。搅拌结束后得到具有pda@ha/tio2涂层的钛合金样品。最后取出试样，用去离子水冲洗，放入烘箱中烘干。得到具有pda@ha/tio2涂层的钛合金样品，其表面和横截面sem照片、能谱参阅图2。

实施例2

一种兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤2、在含磷和钙的多孔二氧化钛涂层上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

用矿泉水来配制浓度为0.01mol/l的氢氧化钠水溶液，将微弧氧化后涂敷有tio2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

首先用矿泉水配制二次水热反应的溶液，此溶液含0.125mol/l的氢氧化钠、0.02mol/l的β-gp、0.09mol/ledta-ca，将溶液搅拌均匀后，吸出并弃掉每个反应釜中一次水热的溶液，之后加入15ml二次水热水溶液,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。得到含磷、钙和氧的ha纳米棒状构型涂层。

步骤3、制备聚多巴胺(pda)包覆的羟基磷灰石(ha)纳米棒阵列(pda@ha)

首先，配置弱碱环境下的多巴胺溶液：配制浓度为2mg/ml的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中(其中三羟甲基氨基甲烷浓度为10mmol/l)，然后将涂敷ha涂层的钛片放入溶液底部，常温避光状态下以600r/min的速度搅拌12h。搅拌结束后得到具有pda@ha/tio2涂层的钛合金样品。最后取出试样，用去离子水冲洗，放入烘箱中烘干。得到具有pda@ha/tio2涂层的钛合金样品，其表面和横截面sem照片、能谱参阅图3。

实施例3

一种兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤2、在含磷和钙的多孔二氧化钛涂层上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

用矿泉水来配制浓度为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

首先用矿泉水配制二次水热反应的溶液，此溶液含0.125mol/l的氢氧化钠、0.02mol/l的β-gp、0.09mol/ledta-ca，将溶液搅拌均匀后，吸出并弃掉每个反应釜中一次水热的溶液，之后加入15ml二次水热水溶液,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。得到含磷、钙和氧的二氧化钛/ha纳米棒状构型涂层。

步骤3、制备聚多巴胺(pda)包覆的羟基磷灰石(ha)纳米棒阵列(pda@ha)

首先，配置弱碱环境下的多巴胺溶液：配制浓度为3mg/ml的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中(其中三羟甲基氨基甲烷浓度为10mmol/l)，然后将涂敷ha涂层的钛片放入溶液底部，常温避光状态下以600r/min的速度搅拌12h。搅拌结束后得到具有pda@ha/tio2涂层的钛合金样品。最后取出试样，用去离子水冲洗，放入烘箱中烘干。得到具有pda@ha/tio2涂层的钛合金样品，其表面sem照片参阅图4。

实施例4

一种兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、进行微弧氧化，微弧氧化参数设定为：设置微弧氧化电弧频率为80hz，电源为正压300v，占空比为5％。在微弧氧化过程中，将钛或其合金圆片作为阳极，不锈钢电解槽为阴极，电解液成分和浓度为：氢氧化钠(naoh)0.001mol/l，乙酸钙(ca(ch3coo)2)0.1mol/l，β-磷酸甘油酯二钠盐五水化合物(β-gp)0.01mol/l。制备过程中采用冷却系统控制微弧氧化电解液的温度为300k。微弧氧化后得到涂覆有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、在含磷和钙的多孔二氧化钛涂层上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

用矿泉水来配制浓度为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370k，时间设置为1h。

步骤2.2、二次水热处理

首先用矿泉水配制二次水热反应的溶液，此溶液含0.1mol/l的氢氧化钠、0.01mol/l的β-gp、0.05mol/ledta-ca，将溶液搅拌均匀后，吸出并弃掉每个反应釜中一次水热的溶液，之后加入15ml二次水热水溶液,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。得到含磷、钙和氧的ha纳米棒状构型涂层。

步骤3、制备聚多巴胺(pda)包覆的羟基磷灰石(ha)纳米棒阵列(pda@ha)

首先，配置弱碱环境下的多巴胺溶液：配制浓度为4mg/ml的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中(其中三羟甲基氨基甲烷浓度为10mmol/l)，然后将涂敷ha涂层的钛片放入溶液底部，常温避光状态下以400r/min的速度搅拌10h。搅拌结束后得到具有pda@ha/tio2涂层的钛合金样品。最后取出试样，用去离子水冲洗，放入烘箱中烘干。得到具有pda@ha/tio2涂层的钛合金样品，其表面sem照片参阅图5。

实施例5

一种兼具热控免疫及抗氧化功能的纳米棒阵列化涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、进行微弧氧化，微弧氧化参数设定为：设置微弧氧化电弧频率为110hz，电源为正压500v，占空比为10％。在微弧氧化过程中，将钛或其合金圆片作为阳极，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为310k。微弧氧化后得到涂覆有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、在含磷和钙的多孔二氧化钛涂层上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

用去离子水来配制浓度为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380k，时间设置为1h。

步骤2.2、二次水热处理

首先用去离子水配制二次水热反应的溶液，此溶液含0.2mol/l的氢氧化钠、0.03mol/l的β-gp、0.1mol/ledta-ca，将溶液搅拌均匀后，吸出并弃掉每个反应釜中一次水热的溶液，之后加入15ml二次水热水溶液,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400k，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(pda@ha)

首先，配置弱碱环境下的多巴胺溶液：配制浓度为5mg/ml的多巴胺的三羟甲基氨基甲烷溶液中(其中三羟甲基氨基甲烷浓度为10mmol/l)，然后将涂敷ha涂层的钛片放入溶液底部，常温避光状态下以800r/min的速度搅拌15h。搅拌结束后得到具有pda@ha/tio2涂层的钛合金样品。最后取出试样，用去离子水冲洗，放入烘箱中烘干。得到具有pda@ha/tio2涂层的钛合金样品。

步骤2中配置一次水热反应溶液和二次水热反应溶液时，优选使用矿泉水或去离子水。

实施例制得的具有pda@ha/tio2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、pda@ha涂层，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，可以看出随着多巴胺碱液浓度的增加，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。如图7，拉曼表征图中也有相似的规律，不同的是多巴胺氧化自聚合沉积后，可以得到聚多巴胺的相关特征峰，分别对应于其邻苯二酚基团的拉伸和形变，而且随着其浓度的增加pda特征峰的强度越来越强。结合表面sem和截面sem照片，可以说明具备pda@ha/tio2生物活性涂层的钛合金种植体成功制备。

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