一种UV辅助静电雾化成型系统及二氧化钛涂层的制备方法与流程

本发明涉及骨组织工程涂层材料，具体是指一种uv辅助静电雾化成型系统及(人工关节假体表面的)二氧化钛涂层的制备方法。

背景技术：

在过去的半个世纪里，由于生物合成新材料的不断涌现和外科手术技术的不断进步，显著助推了各类新材料在外科领域中的应用，并伴随各类人工关节假体的显著增长。与此同时，伴随于关节假体的高感染率，以及由此产生的假体松动等并发症也日益突出。以往的研究已经证实，导致关节假体周围感染的机制是，首先由漂浮细菌粘附到假体的表面，随后形成生物膜。因此，如何及时抑制漂浮细菌在置入假体表面的定置，如何有效提高假体周围的有效抗生素浓度，从而有效阻止细菌生物膜的形成，是当前该领域的重要课题。因此，具有生物活性和抗菌性能的人工植入体表面的涂层材料具有广阔的应用前景。

微弧氧化(microarcoxidation，mao)技术在保留钛类合金所具有的低密度、无磁性、高强度、耐腐蚀性强、性能稳定、弹性模量佳等优良力学性能以及优良生物相容性的基础上，在钛金属表面制备具有独特表面特性和高表面能的纳米级陶瓷涂层，并可掺入生长因子(骨形态发生蛋白、转化生长因子-β、胰岛素样生长因子等)、金属元素(银、铜等)或非金属元素(氮、硅等)等形成复合陶瓷涂层。采用微弧氧化技术制备的涂层具有纳米级表面形貌特征和高表面积，可为蛋白质的吸附提供额外的位点，从而促进了表面材质与细胞的相互作用。高压静电雾化具有雾滴粒径细小、粒径尺度单一、空间弥散程度广等优点，广泛应用于农牧林业病虫害防治、工业喷涂及材料薄膜制备等领域。高压静电减小了液体的表面张力和粘滞阻力，使液体容易破碎成更为细小的液滴，使雾滴尺寸分布更均匀。雾滴荷电后，带电雾滴在高压静电场的作用下容易发生二次雾化，进一步减小雾滴粒径；同时带电雾滴在电荷之间斥力作用下，弥散程度加大，且能在目标物感应出与本身电荷极性相反的电荷，从而在极化力、引力等作用下更容易被目标物所捕获。

目前所研究的植入物表面抗菌涂料包括万古霉素、庆大霉素、一氧化氮释放凝胶、碘和银(ag)等。在掺入钛基质复合涂层的活性因子中，以金属元素具有与基质钛元素产生键性结合，使表面改性更为持久而备受重视。银作为广谱的抗菌剂已经使用多年，是研究最为热门的无机抗菌剂。文献报道，银对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌及厌氧菌均有较强的杀菌能力。在目前所知的金属离子中，其抗菌性能仅次于汞排在所有无机金属的第二位(汞由于毒性巨大,不用于抗菌剂)。研究表明，银对于原核细胞毒性远远大于其对于真核细胞的毒性，因此可在保证良好抗菌效能的同时，维持相对较低的细胞毒性。然而，传统银系抑菌剂存在银离子释放速度过快，抗菌持久性较差的缺点。随着纳米材料研究的迅速发展，人们开始将目光转向纳米银抗菌材料。纳米级银粒子的抗菌效果是微米级银粒子的200倍以上，银离子的释放动力学明显减缓。相对于传统银粒子，纳米尺度的银粒子由于其高比表面积，表面原子数增多，和细菌的接触概率随之大幅增加。纳米银粒子具有很强的化学活性，其表面的原子易与其他化学基团发生键合反应，从而可制备稳定结构的纳米银复合材料。因此，具有生物活性和抗菌性能的人工植入体表面的载银纳米颗粒二氧化钛结构涂层具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种uv辅助静电雾化成型系统及二氧化钛涂层的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种uv辅助静电雾化成型系统，包括箱体，所述箱体下端面开口，顶面安装有静电喷头；所述箱体的四个侧面均水平安装有紫外灯。

一种具有生物相容性和抗菌性能的(人工假体表面的)二氧化钛涂层的制备方法，包括以下步骤：

1)以无水硅酸钠和氢氧化钠混合作为电解液(其中，na2sio3的浓度为0.5mol/l，naoh的浓度为0.05mol/l)，以钛片为阳极，铂片为阴极，钛片在220v，1min；235v，1min的分段电压下微弧氧化2分钟；

2)将步骤1微弧氧化得到的钛片放在80℃烘箱中干燥,干燥后取出，放入烧结炉热处理，以5℃/min升温速率到450℃，保温3～4h。

3)步骤2处理后的钛片浸入盐酸多巴胺tris-hcl缓冲液(10mm，ph＝8.5)中，放入37℃的恒温摇床在黑暗条件下振荡24小时。

4)将载有0.1m硝酸银溶液的溶液槽与静电喷头相连，将钛片置于箱体内，使得静电喷头正对钛片，同时打开箱体内紫外灯，对步骤3处理的钛片进行雾化还原处理30分钟：其中，静电喷头与钛片之间的雾化电压值为5-6kv，硝酸银溶液的雾化流速为6-8μl/min。

本发明的有益效果在于：

本发明通过材料表面改性和uv辅助静电喷雾的方法实现了银纳米颗粒在二氧化钛涂层表面的均匀稳定负载，使得银纳米颗粒在体液中缓慢持续释放，在保证长时间的抗菌性能的同时，保证了材料的生物相容性，丰富了生物活性二氧化钛纳米结构涂层在骨组织工程领域的应用。

附图说明

图1uv辅助静电雾化成型系统示意图。

图2实施例1～3二氧化钛涂层的sem照片。

图3制备出的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层的eds能谱图片。

图4制备出的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层的xrd图谱。

图5实施例1～3制备出的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层的ag⁺释放曲线图

图6制备出的纳米ag颗粒掺杂微弧氧化二氧化钛涂层的抑菌环照片。

图7制备出的纳米ag颗粒掺杂微弧氧化二氧化钛涂层的细胞相容性mtt实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来详细说明本发明的技术方案，但本发明不局限于实施例，本领域技术人员可以根据实际情况进行调整。

实例1

1)将0.5mol/lna2sio3和0.05mol/lnaoh的混合溶液作为电解液；

2)以清洗后的钛片为阳极，铂片为阴极，钛片在220v，1min；235v，1min的分段电压下微弧氧化2分钟；

3)将步骤2微弧氧化得到的无定型二氧化钛涂层材料放在80℃烘箱中干燥,干燥后取出，放入烧结炉热处理，以5℃/min升温速率到450℃，保温3～4h去除有机成分。

4)在黑暗条件下，将步骤3热处理后的微弧氧化二氧化钛涂层材料浸入0.1m硝酸银溶液4小时。

5)将步骤4处理后的钛片洗涤干燥后，用紫外光(波长为～250nm)照射30分钟，在钛片表面得到具有生物相容性和抗菌性能的二氧化钛纳米结构涂层。

实施例1得到的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层结构如图2(a)所示。

实例2

考虑到采用实施例1方法得到的微弧氧化二氧化钛涂层上的纳米ag颗粒负载的不够均匀稳定。故对方法进行改进，对材料进行表面改性后制备得到纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层。

1)将0.5mol/lna2sio3和0.05mol/lnaoh的混合溶液作为电解液；

2)以清洗后的钛片为阳极，铂片为阴极，钛片在220v，1min；235v，1min的分段电压下微弧氧化2分钟；

3)将步骤2微弧氧化得到的无定型二氧化钛涂层材料放在80℃烘箱中干燥,干燥后取出，放入烧结炉热处理，以5℃/min升温速率到450℃，保温3～4h去除有机成分。

4)步骤3处理后的二氧化钛涂层浸入盐酸多巴胺tris-hcl缓冲液(10mm，ph＝8.5)中，放入37℃的恒温摇床在黑暗条件下振荡24小时。取出、洗涤、干燥。

5)在黑暗条件下，将步骤4热处理后的微弧氧化二氧化钛涂层材料浸入0.1m硝酸银溶液4小时。

6)将步骤5处理后的钛片洗涤干燥后，用紫外光(波长为～250nm)照射30分钟，在钛片表面得到具有生物相容性和抗菌性能的二氧化钛纳米结构涂层。

实施例2得到的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层结构如图2(b)所示。

实例3

由于实施例2制备得到的微弧氧化二氧化钛涂层上的纳米ag颗粒团聚现象严重，故采用一种uv辅助静电雾化成型系统制备含ag纳米颗粒(人工假体表面的)二氧化钛涂层，包括以下步骤：

1)以无水硅酸钠和氢氧化钠混合作为电解液(其中，na2sio3的浓度为0.5mol/l，naoh的浓度为0.05mol/l)，以钛片为阳极，铂片为阴极，钛片在220v，1min；235v，1min的分段电压下微弧氧化2分钟；

2)将步骤1微弧氧化得到的钛片放在80℃烘箱中干燥,干燥后取出，放入烧结炉热处理，以5℃/min升温速率到450℃，保温3～4h去除有机成分。

3)步骤2处理后的钛片浸入盐酸多巴胺tris-hcl缓冲液(10mm，ph＝8.5)中，放入37℃的恒温摇床在黑暗条件下振荡24小时。

4)采用uv辅助静电雾化成型系统对钛片进行雾化处理，其中uv辅助静电雾化成型系统包括箱体，所述箱体下端面开口，顶面安装有静电喷头；所述箱体的四个侧面均水平安装有紫外灯，如图1所示。将载有0.1m硝酸银溶液的溶液槽与静电喷头相连，将钛片置于箱体内，使得静电喷头正对钛片，同时打开箱体内紫外灯，对步骤3处理的钛片进行雾化还原处理30分钟：其中，静电喷头与钛片之间的雾化电压值为5-6kv，硝酸银溶液的雾化流速为6-8μl/min。

实施例3得到的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层结构如图2(c)所示。相比实施例1，得到的纳米ag颗粒在二氧化钛涂层上的分布更为均匀致密，降低了银颗粒的团聚。相比实施例2，降低了纳米ag颗粒在二氧化钛涂层上的团聚。

将实施例3制备出的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层用eds对二氧化钛涂层材料的微观区域的元素分布进行定性定量分析。如图3所示，微弧氧化二氧化钛涂层中元素ti,o,ag三种元素都有，(a)为银元素、(b)为氧元素、(c)为ti元素，(d)为电子图像；表明ag元素顺利掺入微弧氧化二氧化钛涂层。

x射线衍射图(图4)表明实施例3制备出的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层中含有银单质，表明ag元素是以银纳米粒子的形式顺利掺入阳极氧化二氧化钛纳米管结构涂层。

实施例1～3的ag⁺释放曲线图如图5所示，相比实例1(example1)和实例2(example2)，明显可以看出实施例3(example3)银离子在pbs中的释放更为缓慢持久。

图6为实施例3制备得到的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层的抑菌环照片。将微弧氧化制备出的二氧化钛涂层，盐酸多巴胺处理后的微弧氧化二氧化钛涂层，纳米ag颗粒掺杂后的微弧氧化二氧化钛涂层以及对照样品纯钛片进行抑菌环实验。活化的时候用的是山梨醇麦康凯琼脂基础(培养基)，养菌的时候用的是brainheartinfusion(bhi)培养基。步骤如下：

(1)从-80℃取1ml菌液加入到9mlbhi培养基中，摇床震荡20h活化；

(2)根据经验逐步稀释至浓度为10^9，10^8，10^7，10^6，10^5，10^4，取10^5浓度菌液100μl，均匀涂布到平板表面，轻轻将ti片贴在培养基表面；

(3)37℃恒温培养箱培养观察。

抑菌环实验可对纳米ag颗粒掺杂后的二氧化钛涂层进行有无抑菌性能的分析。如图6所示，有纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层样品周边出现抑菌环(d)，对照组纯钛片(a)、无纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层样品(b)、盐酸多巴胺处理后的微弧氧化二氧化钛涂层样品(c)周边没有出现抑菌环。实验表明实施例3制备的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层具有抗菌性能。

图7为实施例3制备得到的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层的细胞相容性mtt实验结果。具体步骤如下：(1)取mg-63细胞，消化配制细胞悬液并调浓度为4x10⁴/ml。(2)将ti、mao、mao/pd、mao/pd/ag试样置于24孔板内，每孔加入上述浓度细胞悬液1ml并吹匀。(3)培养箱内培养24小时终止培养并使用pbs清洗3次，每孔加入200μlmtt液(5mg/ml)和800μl无酚红dmem培养液继续培养4h。(4)每孔加入1mldmso室温微量震荡溶解所形成的甲臜结晶(避光操作)，每孔取200μl该混合液加入96孔板中，490nm波长下使用酶标仪测定od值并设调零孔。由此可以看出，实施例3制备出的纳米ag颗粒掺杂的微弧氧化二氧化钛涂层在具有较为稳定的抗菌性能的同时，也具有较好的生物相容性。