一种钛金属植入物药物释放系统及其制备方法和应用

1.本公开涉及材料领域，尤其涉及一种钛金属植入物药物释放系统及其制备方法和应用。


背景技术：

2.钛及钛合金在可以制造骨头、髋关节、以及血管扩张器、夹板、假体、紧固螺钉等上百种金属植入物。由于钛及钛合金本身不具有免疫性、抗癌性和促成骨等生物功能性，在植入后仍然需要面对可能引起局部细菌感染、癌细胞转移、无菌松动等问题。
3.现有技术中，通过使用聚合物与药物聚合，再接枝到钛合金表面从而形成载药系统。此类通过化学修饰载药的改性方法，反应效率有限，改性的面积有限，药物负载量有限，且无法有效控制其释药行为。目前还有一类载药系统，通过物理吸附和聚合物的粘性载药，然而其稳定性较差，缓释效果无法根据周围组织的微环境发生相应地改变。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种钛金属植入物药物释放系统及其制备方法和应用，以解决载药系统制备复杂，无法根据微环境有效控制缓释效果的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.本发明实施例提供一种钛金属植入物药物释放系统的制备方法，所述药物释放系统同时具有酶及ph值的响应性，所述钛金属包括纯钛或钛合金，所述制备方法包括：
7.采用电化学氧化方法在钛金属表面形成纳米管阵列；
8.将具有纳米管阵列的钛金属浸泡在药物溶液中，得到载药的钛金属；
9.将透明质酸与甲基丙烯酸酐反应生成改性的透明质酸，所述改性的透明质酸中，甲基丙烯酸酐的双键在透明质酸的取代度为10％～35％，所述透明质酸的分子量为10kda～1000kda；
10.将载药的钛金属在具有光引发剂的所述改性的透明质酸的水溶液中浸润；
11.采用光固化法在所述载药的钛金属表面形成透明质酸涂层。
12.根据本公开的至少一个实施方式，所述将载药的钛金属在具有光引发剂的所述改性的透明质酸溶液中浸润的步骤中，所述改性的透明质酸溶液的浓度为1wt％～10wt％，所述光引发剂的添加量为0.5wt％～2wt％。
13.根据本公开的至少一个实施方式，所述光引发剂为自由基光引发剂。
14.根据本公开的至少一个实施方式，所述将透明质酸与甲基丙烯酸酐反应生成改性的透明质酸的步骤中，反应条件为ph值为8～9，温度为1℃～10℃，时间为24h～72h。
15.根据本公开的至少一个实施方式，所述采用光固化法在所述载药的钛金属表面形成透明质酸涂层的步骤中，在紫外光光照下的时间为3min～10min。
16.根据本公开的至少一个实施方式，所述采用电化学氧化方法在钛金属表面形成纳米管阵列，以钛金属为阳极，电解液的电解质为hf、nh4f、naf、kf中的一种，电解液的有机溶
剂为乙二醇、甘油和二甲基亚砜中的一种，阳极氧化的电压为30v～60v，时间为30min～120min，温度为25℃～30℃；和/或，
17.所述电解液中还包括hcl、h2so4、h3po4、(nh4)2so4、(nh4)h2po4中的一种或多种。
18.根据本公开的至少一个实施方式，所述将透明质酸与甲基丙烯酸酐反应生成改性的透明质酸的步骤中，所述改性的透明质酸的水溶液浓度为2mg/ml～10mg/ml。
19.根据本公开的至少一个实施方式，所述将具有纳米管阵列的钛金属浸泡在药物溶液中，得到载药的钛金属的步骤中，所述药物溶液的浓度为1mg/ml～10mg/ml，在浸泡步骤之后还包括干燥，干燥温度为30℃～50℃，干燥时间为2h～6h。
20.相对于现有技术，本发明的钛金属植入物药物释放系统的制备方法，采用电化学氧化方法在钛金属表面形成纳米管阵列，以及载药过程和涂膜过程，制备时间缩短，加工效率高，成本低，可适用范围广，通过在钛金属植入物表面的纳米管阵列中通过浸渍载药，高效且快速。本公开首次提出利用天然高分子聚合物涂层和钛合金金属表面的纳米管载药结合起来制备药物释放系统。
21.天然高分子聚合物涂层采用改性的透明质酸，具体地为甲基丙烯酸酐改性透明质酸，其中透明质酸的分子量设置为10kda～1000kda，采用此分子量之外的透明质酸不利于改性，改性后也不利于光固化。通过甲基丙烯酸酐改性透明质酸，甲基丙烯酸酐的双键在透明质酸的取代度为10％～35％，取代度过低会导致光固化时间过长，造成药物损失；取代度过高的改性透明质酸在水溶液中无法完全溶解，无法均匀涂膜，进而无法有效控制释药时间。
22.相对于透明质酸，甲基丙烯酸酐改性透明质酸才可在钛金属植入物表面形成均匀涂层，进而在光照下尽快固化，使药物封装在纳米管内，减少药物损失。采用改性的透明质酸的钛金属植入物，在有透明质酸酶的条件下可以维持3天缓慢释药，在ph＝5的酸性条件下维持5天缓慢释药，在无酶中性条件下，基本没有药物释放。因此，本公开的钛金属植入物药物释放系统，同时具有透明质酸酶和ph值的响应性，可以根据微环境的变化，响应性的缓慢释放药物，减少药物损失，减少全身的毒副作用。
23.本发明的另一目的在于还提供一种钛金属植入物药物释放系统，采用上述的药物释放系统的制备方法制备而成。
24.相对于现有技术，本发明所述的钛金属植入物药物释放系统具有以下优势：
25.所述钛金属植入物药物释放系统与上述钛金属植入物药物释放系统的制备方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
26.本发明的另一目的在于还提供一种钛金属植入物药物释放系统在基于微环境变化响应性释放药物的应用。
27.相对于现有技术，本发明的上述应用具有以下优势：
28.钛金属植入物药物释放系统在基于微环境变化响应性释放药物的应用与上述制备方法相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
29.附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本
说明书的一部分。
30.图1是根据本公开实施方式的钛合金植入物表面智能释药系统构建的流程示意图。
31.图2是根据实施例1透明质酸改性前后的核磁图。
32.图3是根据实施例1的钛合金植入物表面智能释药系统的截面扫描电镜图。
33.图4是根据实施例1的钛合金植入物表面智能释药系统在有无透明质酸酶下累积释药统计图。
34.图5是根据实施例1的钛合金植入物表面智能释药系统不同ph条件下累积释药统计图。
35.图6是根据实施例1的钛合金植入物表面智能释药系统释放药物对骨肉瘤细胞毒性的统计图。
具体实施方式
36.下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
38.本发明提供的钛金属植入物药物释放系统的制备方法，通过在钛合金植入物表面阳极氧化改性，得到有序的纳米管阵列，在纳米管的中空管腔内负载药物。再用甲基丙烯酸酐改性的透明质酸涂覆在纳米管表面，改性后的透明质酸在紫外光光照下快速固化，在纳米管表面迅速成膜，将药物封装在纳米管管内，减缓药物释放速率和减少药物损失。透明质酸是人体细胞增长、软组织生长的主要原料，在癌细胞的周围分布大量的透明质酸酶，可以快速降解植入物表面的透明质酸涂层，按需释放纳米管内的药物，起到杀死残留癌细胞的目的。同时在弱酸性的炎症环境中，透明质酸的降解速率也要快于中性环境，所以在植入的前期可以快速释放药物，后期炎症消失，药物停止释放。
39.请参阅图1所示，本公开的钛金属植入物药物释放系统的制备方法步骤包括：准备钛合金植入物和改性透明质酸
→
在植入物表面制备二氧化钛阵列
→
纳米管内载药
→
将载药后的样品放入改性后的透明质酸溶液中浸润取出
→
紫外光照后在钛合金植入物表面得到智能释药平台。具体地：将钛合金样品放入阳极氧化电解液中，连接正极，铂片连接负极，调整电压，在样品表面获得纳米管阵列；将表面制备出纳米管阵列的钛合金植入物完全浸泡在合适浓度的药物溶液中真空干燥；然后将载药后的钛合金植入物放入改性后的透明质酸溶液中浸润取出，使其表面附着一层透明质酸水膜，紫外光照后水膜固化即可在钛合金植入物表面得到智能释药系统。
40.在一些实施方式中，采用电化学氧化方法之前，还需对钛金属表面进行预处理：将钛合金试样进行机械研磨、抛光，然后依次浸入丙酮、酒精和去离子水中分别进行超声清洗各5～10min，然后吹干。其中钛金属为纯钛或钛合金，研磨面为平面，钛金属尺寸可根据需
要调节。
41.示例性地，采用电化学氧化方法在钛金属表面形成纳米管阵列的步骤中，将钛合金试样放入电解液中，连接阳极氧化电源，将样品接在正极，铂片接在负极，反应一段时间后，在钛合金样品的表面获得有序的纳米管阵列，电解液可以是含氟电解质如hf、nh4f、naf、kf等，溶剂可选择乙二醇、丙三醇、二甲基亚砜等。而为了调节电解液的ph值和导电性，在电解液中可加入适量的hcl、h2so4、h3po4、(nh4)2so4、(nh4)h2po4等。阳极氧化的时间可以是0.5～1h，电压为30～60v，温度为25～30℃。可选地阳极氧化的时间可以是0.6～0.8h，电压为40～50v，温度为26～28℃。上述阳极氧化步骤中，电解液、电压和时间的选择可根据纳米管长度、管径大小调节。
42.在一些实施方式中，将具有纳米管阵列的钛金属浸泡在药物溶液中，得到载药的钛金属的步骤中，将制备好纳米管表面的钛合金样品浸泡在合适浓度的药物溶液中，置于真空干燥箱中干燥一段时间获得载药钛合金样品。药物浓度可根据载药量以及药物溶解度调节，范围在1～10mg/ml，可选地为3～7mg/ml。可以载任意药物，水溶性药物或脂溶性药物。当需要载药量大时，反复浸泡多次载药。在浸泡步骤之后还包括干燥，干燥温度为30℃～50℃，可选地为干燥温度为35℃～45℃，干燥时间为2h～6h，可选地干燥时间为3h～5h。
43.在一些实施方式中，透明质酸改性步骤中，透明质酸分子量要在10～1000kda，可选地为100～800kda，还可选地为300～500kda，透明质酸与甲基丙烯酸酐反应条件为ph8～9，1℃～10℃条件下，反应时间为24～72h，可选地为ph值为8.5，反应温度为4℃～8℃，可选地时间为36～48h。改性的透明质酸的水溶液浓度为2mg/ml～10mg/ml，可选地为4mg/ml～8mg/ml，还可选地为5mg/ml～7mg/ml。
44.在一些实施方式中，将改性后的透明质酸溶液中放入适量光引发剂，再将载药后的钛合金样品置于溶液中浸润，取出放于紫外光光照，光照后样品表面的透明质酸涂层固化成凝胶涂层保存的步骤中，改性的透明质酸溶液的浓度为1wt％～10wt％，可选地为3wt％～7wt％，所述光引发剂的添加量为0.5wt％～2wt％，可选地为0.7wt％～1.5wt％。紫外光光照下的时间为3～10min，可根据透明质酸涂层的固化程度调节光照时间，过长的光固化时间会损失载药量。涂覆药物和透明质酸涂层的样品要真空干燥，置于2℃～6℃环境中保存，可选地为4℃。上述采用的光固化剂为自由基光固化剂，示例性地为2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮，1-羟基-环己基-苯基甲酮，2-羟基-2-甲基-1-苯基甲酮。
[0045]
下面给出几种钛金属植入物药物释放系统的制备方法的示例，并选择有代表性的钛金属植入物药物释放系统性能分析。
[0046]
实施例1
[0047]
本实施例提供的钛金属植入物药物释放系统的制备方法具体包括：
[0048]
s1、预处理：将长
×
宽
×
厚为10
×
10
×
1mm的钛锆铌铁合金试样进行机械研磨、抛光，然后依次浸入丙酮、酒精和去离子水中分别进行超声清洗各5min，然后吹干待用；
[0049]
s2、纳米管阵列的制备：将钛锆铌铁合金试样放入含有0.5wt％氟化铵的乙二醇电解液中，其中电解液中还含有5wt％的水，连接阳极氧化电源，将样品接在正极，铂片接在负极，反应40min后，在钛合金样品的表面获得有序的纳米管阵列；
[0050]
s3、载药：将制备好纳米管表面的钛锆铌铁合金样品全部浸泡在200μl的10mg/ml
的阿霉素溶液中，置于真空干燥箱中干燥12h获得载药钛锆铌铁样品；
[0051]
s4、透明质酸的改性：将40ml的浓度为10mg/ml分子量为10kda的透明质酸和1ml甲基丙烯酸酐放于4℃、ph值为8条件下反应24h，得到甲基丙烯酸化的透明质酸。请参阅图2所示，根据核磁图谱证明改性是否成功，计算取代度为18.7％。
[0052]
s5、将改性后的透明质酸制备成5wt％的水溶液，溶液中放入1wt％的2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮光引发剂，再将载药后的钛锆铌铁样品置于溶液中浸润，取出放于紫外光光照5min，光照后样品表面的透明质酸涂层固化成凝胶涂层保存。
[0053]
实施例2
[0054]
本实施例提供的钛金属植入物药物释放系统的制备方法具体包括：
[0055]
s1、预处理：将长
×
宽
×
厚为10
×
10
×
1mm的纯钛试样进行机械研磨、抛光，然后依次浸入丙酮、酒精和去离子水中分别进行超声清洗各5min，然后吹干待用；
[0056]
s2、纳米管阵列的制备：将纯钛试样放入含有0.5wt％氟化铵的乙二醇电解液中，其中电解液中还含有5wt％的水，连接阳极氧化电源，将样品接在正极，铂片接在负极，反应40min后，在纯钛的表面获得有序的纳米管阵列；
[0057]
s3、载药：将制备好纳米管表面的纯钛样品全部浸泡在200μl的5mg/ml的阿霉素溶液中，置于真空干燥箱中干燥6h获得载药纯钛样品；
[0058]
s4、透明质酸的改性：将20ml的浓度为10mg/ml分子量为50kda的透明质酸和1ml甲基丙烯酸酐放于4℃、ph值为9条件下反应24h，得到甲基丙烯酸化的透明质酸，根据核磁数据计算取代度为22.3％。
[0059]
s5、将改性后的透明质酸制备成5wt％的水溶液，溶液中放入1wt％的2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮光引发剂，再将载药后的纯钛置于溶液中浸润，取出放于紫外光光照5min，光照后样品表面的透明质酸涂层固化成凝胶涂层保存。
[0060]
实施例3
[0061]
本实施例提供的钛金属植入物药物释放系统的制备方法具体包括：
[0062]
s1、预处理：将长
×
宽
×
厚为10
×
10
×
1mm的纯钛试样进行机械研磨、抛光，然后依次浸入丙酮、酒精和去离子水中分别进行超声清洗各5min，然后吹干待用；
[0063]
s2、纳米管阵列的制备：将纯钛试样放入含有0.5wt％氟化铵的乙二醇电解液中，其中电解液还含有3wt％浓度为80％的磷酸溶液，连接阳极氧化电源，将样品接在正极，铂片接在负极，反应40min后，在纯钛的表面获得有序的纳米管阵列；
[0064]
s3、载药：将制备好纳米管表面的纯钛样品全部浸泡在200μl的10mg/ml的万古霉素溶液中，置于真空干燥箱中干燥12h获得载药纯钛样品；
[0065]
s4、透明质酸的改性：将40ml的浓度为10mg/ml分子量为200kda的透明质酸和2ml甲基丙烯酸酐放于4℃、ph值为8.5条件下反应24h，得到甲基丙烯酸化的透明质酸，根据核磁数据计算取代度为33.7％。
[0066]
s5、将改性后的透明质酸制备成5wt％的水溶液，溶液中放入1wt％的2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮光引发剂，再将载药后的纯钛置于溶液中浸润，取出放于紫外光光照5min，光照后样品表面的透明质酸涂层固化成凝胶涂层保存。
[0067]
对比例1
[0068]
本对比例提供的钛金属植入物药物释放系统与实施例1的不同之处在于：
[0069]
步骤s4中，40ml的10mg/ml的透明质酸溶液和0.2ml的甲基丙烯酸酐溶液发生反应，得到取代度9.5％的甲基丙烯化透明质酸。
[0070]
步骤s5中，紫外光光照为15min，光照后样品表面的透明质酸涂层固化成凝胶涂层保存。
[0071]
对比例2
[0072]
本对比例提供的钛金属植入物药物释放系统与实施例1的不同之处在于：
[0073]
步骤s4中，40ml的10mg/ml的透明质酸溶液和4ml的甲基丙烯酸酐溶液发生反应，得到取代度36.8％的甲基丙烯化透明质酸。
[0074]
请参阅图1-图6所示，实施例1使用改性后的透明质酸，才可在样品表面形成均匀透明质酸涂层，才能并在紫外光照下尽快固化，使药物封装在纳米管内，减少药物损失，请参阅图3所示纳米管表面有聚合物封装，载药量计算如下：载药量＝总药量-剩余药量计算1cm2样品载药量为1.46mg，按照包封率％＝载药量/总药量
×
100％公式计算，实施例1中药物包封率为36.5％。而对比例1甲基丙烯酸酐改性后透明质酸取代度不高，导致紫外光固化透明质酸水膜时间延长，使得药物在透明质酸水溶液中少量释放，药物损失量为载药量的3.4％。对比例2的取代度36.8％的甲基丙烯酸化的透明质酸在水溶液中无法完全溶解，即使样品浸润表面也无法均匀涂布。在相同的酶环境和酸性条件下无法测量真实释药情况。因此，实施例1-3的取代度在10％～35％的甲基丙烯酸化的透明质酸的效果最优。
[0075]
实施例1中，请参阅图4所示，在有透明质酸酶的条件下，钛合金植入物的智能释药系统的释药速率相比无酶环境具有明显差异，有酶条件下，药物在3天内缓慢释放，而无酶条件下药物被透明质酸涂层封装在纳米管内，不易释放；请参阅图5所示，在弱酸性条件下，钛合金植入物负载的药物释放更多，缓慢释放至平台期需要5天。请参阅图6所示，在体外细胞实验中，钛合金植入物表面的智能释药平台也起到了长效杀死骨肉瘤细胞的目的。没有透明质酸涂层封装的载药纳米管样品，在前3天药物快速释放，杀死癌细胞的能力要优于有透明质酸涂层封装的载药样品。但是在第5天没有透明质酸涂层的样品的癌细胞又呈现少量增殖的情况，说明药物快速释放完毕无法达到长期释药抗癌的作用。相比没有透明质酸涂层的样品，本发明设计的智能释药平台在第5天仍持续释放药物，起到持续杀死癌细胞的作用。
[0076]
实施例2-3的纯钛载药系统均对透明质酸酶和ph的响应性，可使载药后的植入物根据体内微环境的改变智能释放药物阿霉素或万古霉素，达到控制释放、减少全身毒副作用的目的。在植入物植入后周围组织会呈现微炎症反应，周围微环境的ph值偏弱酸性，纯钛植入物的智能释药系统的释药速率相比中性环境具有明显差异。在弱酸性条件下，钛合金植入物负载的药物释放更多，缓慢释放至平台期需要5天。在体外细胞实验中，钛合金植入物表面的智能释药平台也起到了长效杀死骨肉瘤细胞的目的。
[0077]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或
示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
[0078]
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。