一种可促进抗菌与成骨钛植入物材料及其制备方法和应用

本发明属于生物材料，具体涉及一种可促进抗菌与成骨钛植入物材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、钛是一种重要的结构金属，钛及其合金弹性模量接近人骨，比强度高，易加工，具有良好的生物相容性且耐腐蚀，在口腔科、骨科、整形科等领域得到广泛应用。

2、近年来3d打印技术(增材制造技术)迅速发展，为医用钛合金在骨组织修复领域提供了一种新思路。3d打印技术是以数字模型为基础，运用粉末状金属或塑料等材料，通过逐层熔化和堆积的方式来构造物体的技术。目前3d打印钛合金植入物主要方法以电子束熔化成型(electron beam melting,ebm)和选择性激光熔化(selective laser melting,slm)为主。电子束熔化成型是在真空环境下进行，通过计算机对零件进行三维模型构建并进行切片分层处理,将获得的各层轮廓数据转化为电子束扫描路径,控制电子束沿扫描路径逐层进行金属粉末选区熔化，层层加工直至整个零件完成；选择性激光熔化技术与电子束熔化技术成型原理类似，不同的是选择性激光熔化技术在惰性气体气氛保护下进行，且以激光束作为热源。与电子束熔化成型相比，选择性激光熔化激光斑点小，成型精度高，表面质量好，更利于加工复杂结构零件。

3、虽然钛骨种植体的成功率高达95％，但由于钛合金属于生物惰性材料，作为种植体植入人体后可能会出现骨结合作用差和细菌感染等问题，故也会出现种植体寿命短甚至种植失败的情况。为了加速种植体植入后骨结合、减少细菌感染进而缩短种植周期并提高临床种植成功率，各种表面改性手段常被用来提高种植体的生物学性能，常见的钛合金表面处理方法主要有喷砂处理、离子注入、等离子喷涂等。喷砂处理利用高速气体将不同粒径的喷料如sio2、sic以及金刚石等，高速轰击材料表面，使得材料表面形成不同的微结构，导致粗糙度增大，有利于植入物与人骨组织结合，但易于在基体表面引入杂质，表面微结构不规则且不均匀；离子注入法是利用几十至几百千伏的电压将所需元素发生电离，在真空下使生物元素能够形成离子束而注入植入物表层,从而提高植入物表面生物性能，但在长时间处理下会导致基材自身性能下降；等离子喷涂技术利用等离子体作为热源，将所需喷涂材料通过等离子体产生的高温环境加热熔化并喷涂到钛合金植入物表面形成膜层，但该涂层结合力较弱，且易于出现裂纹，增加了涂层脱落的可能。

4、等离子体电解氧化(plasma electrolytic oxidation,peo)是一种由阳极氧化发展而来的表面改性技术，能够利用电解液与基体界面处产生的微小火花放电，在热化学、电化学、等离子体化学的共同作用下，在钛、铝、镁等金属及其合金基体表面直接原位生成氧化陶瓷膜。采用peo技术获得的膜层具有膜层厚度、硬度高，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘的特性且与金属基体结合良好等许多优异的特性。与其他表面处理技术相比，peo技术具有许多优势：(1)peo技术所采用的电解液一般为弱碱或碱性电解液体系，如硅酸盐，磷酸盐、铝酸盐和硼酸盐等对环境友好的化学物质；(2)基体预处理简单，效率高。膜层性能可控性强，可通过调节工艺参数，调控膜层厚度、粗糙度等，可重复性强；(3)可处理多种金属或合金材料，peo过程对基体损伤小，利用peo技术共沉积特性可实现膜层原位掺杂(化学元素或胶体微粒等)，进而实现膜层功能设计。前述采用slm成型的钛合金中存在的微观缺陷(孪晶、位错等)较多，能为peo过程提供大量的放电通道，促进peo膜层生长速率增加，进而获得更厚且致密的peo膜层。

5、在peo改进表面形貌方面，peo膜层具备多孔、粗糙的表面结构，有利于新骨的形成和骨结合；peo膜表面直径50-400μm的大孔可改善种植体与组织之间的固定和互锁，微米级和微纳结构可调节血管生长因子的产生，调节成骨细胞和成骨样细胞的增殖、分化和基因表达，这使得其具有良好的生物活性和骨诱导能力，有助于新骨的生长，并缩短骨结合时间；peo膜表面的多孔大多相互连通，这种多孔表面的三维结构有利于为骨免疫微环境细胞提供充足的营养物质。在peo负载生物活性物质方面，各种生物活性元素对机体生命活动具有重要的意义，通过表面改性技术将生物活性元素载入种植体材料，是赋予材料更高生物活性的有效策略。无机元素稳定、有利于合成，并且通常在非常低的剂量下发挥作用。适当负载一定含量的无机元素并且控制其释放速率可以为种植体提供各种必要的生物活性。在微弧氧化过程中，放电产生的熔融氧化物可与电解液中的离子发生共沉积，从而改变陶瓷膜表面的化学性质。

6、钛合金植入物表peo处理过程中会产生高温热效应，同时熔融氧化物快速冷却使得涂层表面存在大量非晶态物质，因此往往需要对膜层进行后处理，使得膜层中非晶态物质转化为对骨结合有利的晶态物质。水热处理(hydrothermal treatment,ht)能够在peo膜层表面制备羟基磷灰石或类羟基磷灰石，是指peo处理后的样品在水热条件下与溶液发生反应，使得膜层中无定形钙磷盐转变为具有晶体结构的羟基磷灰石。水热处理后的peo膜层具有更优的粗糙度和亲水性，且表面具有不同形式的纳米结构，更有利于无机元素的控释，赋予了膜层更佳的生物活性，具备进一步优化peo膜层的巨大潜力。尽管如此，如何有效地调整peo与水热处理的工艺参数，以良好调控膜层的表面形貌、元素含量等物化性能，并改进植入物材料的生物相容性、抗菌能力、成骨能力以改善植入物的生物学性能，仍需进一步探究、开发。

7、因此，提供一种钛植入物材料的制备方法，采用该方法制备的钛植入物材料，具有良好生物相容性、抗菌能力和成骨能力，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于，提供一种钛植入物材料的制备方法，采用该方法制备的钛植入物材料，具有良好生物相容性、抗菌能力和成骨能力，并且其表面膜面具有适宜的钙磷比。

2、本发明的目的之二在于，提供采用上述方法制得的钛植入物材料。

3、本发明的目的之三在于，提供上述钛植入物材料的应用。

4、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

5、本发明公开的一种可促进抗菌与成骨钛植入物材料的制备方法，包括如下步骤：

6、s1.制备钛合金基底：以钛合金粉末为基材，采用3d打印中的slm法制备钛合金基底；

7、s2.等离子电解氧化：采用等离子电解氧化方法，在钛合金基底表面形成含ca、p、sr、si、zn的等离子电解氧化膜；

8、s3.水热处理：将经步骤s2处理后的钛合金材料置于碱性溶液中进行水热反应，使得等离子电解氧化膜层中的无定形钙磷盐转变为具有晶体结构的羟基磷灰石和类羟基磷灰石。

9、本发明的部分实施方案中，所述钛合金粉末包括ti6al4v、ti-6al-7nb、ti-5al-2.5fe、ti-5a1-3mo-4zr、ti-15sn-4nb-2ta-0.2pd、ti-15zr-4nb-2ta-0.2pd、ti-13nb-13zr、ti-12mo-6zr-2fe、ti-15mo、ti-16nb-10hf、ti-15mo-5zr-3al、ti-15mo-3nb、ti-35.3nb-5.1ta-7.1zr、ti-29nb-13ta-4.6zr中的至少一种。本发明的部分实施方案中，所述钛合金粉末为ti6al4v。

10、本发明的部分实施方案中，步骤s1中，采用slm法制备钛合金基底时，铺粉厚度为20-60μm，优选为30μm；光斑直径为50-200μm，优选为90μm；线间距为50-200μm，优选为130μm；点间距为50-200μm，优选为110μm；扫描速度为50-500mm/s，优选为350mm/s；曝光时间为50-500μs，优选为160μs；激光功率为100-500w，优选为200w；

11、优选地，在保护气氛下采用slm法制备钛合金基底，更优选地，保护气体为惰性气体。

12、本发明的部分实施方案中，将slm法制备钛合金基底用砂纸打磨平整光亮，再依次用丙酮和无水乙醇超声清洗，以去除试样表面油污和磨屑等杂质，烘干备用。

13、本发明的部分实施方案中，步骤s2中等离子电解氧化采用的电解液包括：

14、c4h6o4ca 0.03～0.1mol/l，优选为0.05mol/l；

15、nah2po4 0.01～0.05mol/l，优选为0.03mol/l；

16、edta-2na 0.03～0.1mol/l，优选为0.05mol/l；

17、naoh 0.05～0.25mol/l，优选为0.125mol/l；

18、na2sio3 0.01～0.05mol/l，优选为0.04mol/l；

19、(c2h3o2)2sr 0.025～0.075mol/l，优选为0.025mol/l；

20、(c2h3o2)2zn 0.025～0.075mol/l，优选为0.075mol/l；

21、优选地，所述电解液为碱性；更优选地，电解液的ph值为8～10；进一步优选为9。

22、本发明通过在peo电解液中引入sio32-离子可以使peo膜层表面裂纹少、孔洞均匀且内层致密，且与基体结合强度好，并能使peo膜层亲水性能提高，进一步改进peo膜层。

23、基于上述微弧氧化的共沉积特性，采用微弧氧化技术制备含有ca、p元素的陶瓷膜，有利于陶瓷膜表面羟基磷灰石的形成，促进了植入物的骨诱导和骨结合；含有sr的陶瓷膜可以促进成骨、抑制破骨，增加成骨细胞的增殖、分化和骨基质矿化；含有si的陶瓷膜有利于成骨细胞分化，并具有促血管生成的作用；含有zn的陶瓷膜能够有效抑制各种细菌，同时zn也能够提高成骨细胞的活性。

24、本发明的部分实施方案中，所述步骤s2的具体操作为：将电解液倒入电解槽中，以步骤s1制得的钛合金基底为阳极，以不锈钢材料为阴极，钛合金基底完全浸没在电解液中，设置peo设备为恒流模式，电流密度为5-25a/dm2，优选为8a/dm2，脉冲频率为100-1000hz，优选为500hz，脉冲占空比为10-50％，优选为10％，氧化时间200-600s，优选为400s；

25、优选地，在整个等离子电解氧化过程中，全程开启冷却系统与搅拌器，使电解液混合均匀并保持温度在25℃以下。

26、本发明的部分实施方案中，所述步骤s3中，水热反应温度为80～300℃，优选为100℃；反应时间为1～24h，优选为12h；

27、优选地，所述碱性溶液为naoh溶液，更优选地，naoh溶液的浓度为0.5-2mol/l，进一步优选为1mol/l；

28、优选地，将水热处理后的钛合金材料用去离子水清洗表面杂质，并于50-100℃条件下干燥，优选地，干燥温度为80℃。

29、申请人经过大量试验，付出了创造性的劳动后发现，水热处理条件与钛植入物材料表面膜层形貌和ca/p比密切相关。采用本发明的水热处理条件能得到具有与人体骨组织相接近的ca/p，并且具有良好形貌的钛植入物材料表面膜层。

30、本发明提供的采用上述的制备方法制得的可促进抗菌与成骨钛植入物材料。

31、本发明提供的上述合金植入物复合材料在制备具有抗菌能力或/和成骨性能的植入物中的应用。

32、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

33、本发明将等离子电解氧化与水热处理表面改性技术应用于3d打印(slm)制造的钛合金，创造性地搭载生物活性无机元素ca、p、sr、si、zn，制备具有良好生物相容性、抗菌能力和成骨能力的多功能纳米结构陶瓷膜，能实现早期和长期稳定的骨结合，减少细菌感染，提高种植体成功率及长期存留率。

34、本发明中，采用slm成型的钛合金中存在的微观缺陷(孪晶、位错等)，能为peo过程提供大量的放电通道，促进peo膜层生长速率增加，进而获得更厚且致密的peo膜层。

35、本发明基于微弧氧化的共沉积特性，采用微弧氧化技术制备含有ca、p元素的陶瓷膜，有利于陶瓷膜表面羟基磷灰石的形成，促进了植入物的骨诱导和骨结合；含有sr的陶瓷膜可以促进成骨、抑制破骨，增加成骨细胞的增殖、分化和骨基质矿化；含有si的陶瓷膜有利于成骨细胞分化，并具有促血管生成的作用；含有zn的陶瓷膜能够有效抑制各种细菌，同时zn也能够提高成骨细胞的活性。

36、经水热处理的peo膜层中沉积的ca、p、sr、si、zn等元素分布均匀，本发明通过水热处理后形成具有晶体结构的羟基磷灰石和类羟基磷灰石，并且膜层的ca/p比与人体骨组织ca/p接近。

37、通过水热处理后的膜层具备更优的粗糙度、亲水性，且表面具有不同形式的纳米结构，更有利于无机元素的释放，能够有效促进成骨细胞的粘附、增殖、成骨分化并杀死细菌。同时，不规则纳米形貌特征被认为可以防止细菌粘附并引起细菌溶解。