一种在圆柱形钛钉表面的近红外响应功能涂层的制备方法及应用技术

一种在圆柱形钛钉表面的近红外响应功能涂层的制备方法，包括以下步骤：钛钉预处理；钛钉上生长二氧化钛纳米管：将处理好的钛钉放入电解液中并接在阳极上，阴极接定制的管状石墨电极，反应电压为40V，常温下反应3h，乙醇超声后干燥，450℃煅烧2h，得到钛钉/TNT；合成金纳米粒子和碳量子点；将金纳米粒子和碳量子点负载至钛钉表面二氧化钛纳米管上，得到钛钉/TNT/AU/CQDS。采用本发明专利技术的方法可制备在圆柱形钛钉表面负载金纳米粒子和碳量子点的二氧化钛纳米管，所得具备功能涂层的钛钉在红外线808nm照射15min后具备良好的光热效应并且产生活性氧，对于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌都有着更加优良的抗菌效果，同时还有很好的细胞相容性和成骨性能。

Preparation and application of a near infrared response functional coating on the surface of cylindrical titanium nails

A preparation method of near infrared response functional coating on the surface of cylindrical titanium nail includes the following steps: pretreatment of titanium nail; growth of titanium dioxide nanotubes on titanium nail: put the treated titanium nail into the electrolyte and connect it to the anode, connect the cathode to the customized tubular graphite electrode, the reaction voltage is 40V, react at room temperature for 3h, dry it after ultrasonic ethanol, calcine it at 450 \u2103 for 2h, and obtain titanium nail /TNT; synthesis of gold nanoparticles and carbon quantum dots; loading gold nanoparticles and carbon quantum dots onto titanium dioxide nanotubes on the surface of titanium nails to obtain titanium nails / TNT / Au / CQDS. The method of the invention can be used to prepare titanium dioxide nanotubes loaded with gold nanoparticles and carbon quantum dots on the surface of cylindrical titanium nails. The titanium nails with functional coating have good photothermal effect and produce living oxygen after being irradiated at 808nm for 15min. It has better antibacterial effect on Staphylococcus aureus and Escherichia coli, as well as good cell compatibility Sexual and osteogenic properties.

【技术实现步骤摘要】
一种在圆柱形钛钉表面的近红外响应功能涂层的制备方法及应用
本专利技术涉及一种功能复合材料的制备方法，更具体地，涉及一种在圆柱形钛钉表面的近红外响应功能涂层的制备方法及应用。
技术介绍
生物医用材料是用来临床诊断、治疗病损、修复或替换组织器官修复或者对现有组织和器官进行功能增进，而且不会对生物体产生其他的负面影响的材料。生物医用材料可以被划分为医用金属材料，医用高分子材料，医用陶瓷以及医用复合材料。在医用金属材料中钛金属因为具有良好的的力学性能，抗腐蚀性强，弹性模量接近于人体骨骼，生物惰性等优良特性，是目前骨科常用的植入体材料，尤其在骨科内固定手术中的负载部位得到了广泛的应用。但是因为医用植入体所造成的细菌感染已经被越来越多内社会所重视,这种感染的发生不仅会给患者带来更多的痛苦和经济负担,甚至还会威胁到患者的生命。医用钛基植入体的植入过程中也会有被细菌感染的情况发生，而且一般的钛植入体材料的形状并不是平面状的，例如钛钉是圆柱体的，传统工艺很难在形状不平的表面做出完美的二氧化钛纳米管薄膜。为了解决细菌感染和对材料加工工艺的问题，我们希望在保留植入体优良性能的前提下对其进行改性和工艺的升级，让我们的涂层可以做到圆柱体的钛钉上使植入体有抗菌性能，同时还也可以达到促进成骨细胞的增值分化。传统的常用抗菌材料包括无机的金属离子和有机的抗生素，但是金属离子往往伴随着比较严重的毒性，有机抗生素的滥用则会使得细菌产生耐药性。近红外光因为它的深穿透性被广泛的应用于光动力治疗和光热治疗当中，所以说光动力和光热治疗可以被应用在抗菌领域，可以通过光响应达到快速杀菌的作用，把这种快速杀菌的功能应用在钛植入体上，可以解决细菌感染这个问题。传统的阳极氧化二氧化钛涂层由于工艺的限制基本上只能在平面的钛金属上进行制作，这就限制了在常规的圆柱形钛钉上进行二氧化钛涂层的生长。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种在圆柱形钛钉表面的近红外响应功能涂层的制备方法及应用，采用本专利技术的方法可制备在圆柱形钛钉表面负载金纳米粒子和碳量子点的二氧化钛纳米管，所得具备功能涂层的钛钉在红外线808nm照射15min后具备良好的光热效应并且产生活性氧，对于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌都有着更加优良的抗菌效果，同时还有很好的细胞相容性和成骨性能。本专利技术，一种在圆柱形钛钉表面的近红外响应功能涂层的制备方法，包括以下步骤：S1、钛钉预处理；S2、钛钉上生长二氧化钛纳米管：将步骤S1中处理好的钛钉放入电解液中并接在阳极上，阴极接定制的管状石墨电极，所述钛钉正好置于所述管状石墨电极的中间，阳极氧化反应电压为35～45V，常温下反应170～190min，经过超声、干燥和煅烧后得到钛钉/二氧化钛纳米管；S3、合成金纳米粒子和碳量子点；S4、将步骤S3中所述金纳米粒子和碳量子点负载至钛钉表面二氧化钛纳米管上，得到钛钉/二氧化钛纳米管/金纳米粒子/碳量子点。进一步地，步骤S4中所述负载方法：步骤S3中所述金纳米粒子和碳量子点的溶液按照体积比1：2的比例混合得到混合溶液，并将步骤S2中得到的钛钉/二氧化钛纳米管垂直放置在所述混合溶液中，在真空环境中负载24h，之后在50℃下干燥24h。再进一步地，步骤S2中所述电解液的制备方法：称取0.34g的氟化铵，将其溶解到5mL水中配制成氟化铵溶液，量取95mL的去离子水，将去离子水和配好的氟化铵溶液混合作为电解液；在所述阳极氧化反应后将钛钉在乙醇中超声后干燥，除去钛钉上面的硅胶和铜丝，在450℃下煅烧2个小时。还进一步地，步骤S1中所述钛钉预处理方法为：将直径为1mm、长度为6mm的钛钉用砂纸表面打磨后，次用丙酮、乙醇和去离子水清洗，将所述钛钉干燥之后用刻蚀液刻蚀2分钟，再用铜丝把所述钛钉的一端缠绕一圈，用硅胶把所述铜丝缠绕钛钉的一端包裹住，常温下干燥6小时；所述刻蚀液为硝酸、氢氟酸和去离子水的体积比为4:1:5的混合溶液。更进一步地，步骤S3中所述金纳米粒子的制备方法：将0.01wt.％的氯金酸溶液油浴锅中加热并搅拌，在温度达到100℃时加入3mL的1wt.％的柠檬酸钠溶液，保持温度搅拌20min，停止加热冷却到室温，加入400mg的PVP后搅拌24h，以13000rpm离心30min，收集沉淀并用去离子水清洗3次，最后把金纳米粒子浓缩在8mL的去离子水中避光保存；步骤S3中所述碳量子点的制备方法：将2g乙二胺和2g柠檬酸溶解到20mL的乙醇放入反应釜中，180℃反应3h，以3000rpm离心15min除去反应液中的大颗粒沉淀，并用1000Da的透析膜透析48h除去离子和小分子杂质，避光4℃保存。采用上述方法制备的一种在圆柱形钛钉表面的近红外响应功能涂层在医用植入钛钉的应用，其特征在于：以808nm激光照射表面具有所述近红外相应功能涂层的钛钉15min。本专利技术的有益效果是：(1)通过定制的石墨电极对圆柱形钛钉进行阳极氧化，使得二氧化钛纳米管涂层可以均匀的生长在钛钉表面，此方法设备投入少，简单易行，成本地，并且对环境无影响；(2)通过用金纳米粒子和碳量子点对二氧化钛纳米管进行修饰，使得二氧化钛可以近红外808纳米的光下被激发产生活性氧和热量；(3)本专利技术技术制备的功能涂层具有很好的光催化性能和光热性能，可以在15分钟杀死细菌，并且该涂层还有很好的细胞相容性和成骨性能，有利于成骨细胞的增值和分化。附图说明图1为采用本专利技术方法制备的圆柱形钛钉表面的阳极氧化生成的二氧化钛纳米管SEM图。图2为采用本专利技术方法制备的圆柱形钛钉表面负载了金纳米粒子和碳量子点之后的二氧化钛纳米管SEM图。图3为采用本专利技术方法制备的负载了金纳米粒子和碳量子点的二氧化钛涂层的截面SEM图，其中a是低倍图，b是高倍图。图4为采用本专利技术方法制备的具有近红外响应功能涂层钛钉的XPS图。图5a为采用本专利技术方法制备的具有近红外响应功能涂层钛钉对DCFH染料讲解情况。图5b为采用本专利技术方法制备的具有近红外响应功能涂层钛钉在808纳米的激光照射下样品的升温情况。图6a为采用本专利技术方法制备的具有近红外响应功能涂层钛钉对金黄色葡萄球菌15min的抗菌率。图6b为采用本专利技术方法制备的具有近红外响应功能涂层钛钉对大肠杆菌15min抗菌率。图7a为采用本专利技术方法制备的具有近红外响应功能涂层钛钉的成骨细胞的细胞相容性检测。图7b为采用本专利技术方法制备的具有近红外响应功能涂层钛钉的成骨性能检测。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。实施例1(1)将直径1mm、长度6mm的金属圆柱体钛钉分别用240目，400目，600目，800目和1200目的砂纸打磨直至表面光滑，之后放入烧杯依次加入丙酮，乙醇和去离子水进行超声清洗，除去钛钉表面的杂质，之后50℃在真空环境下干燥12小时。(2)将1mL氢氟酸，4mL硝酸和5mL去离子水混合配制成刻蚀液，把打磨好的钛钉浸入刻蚀液2分钟，取出钛钉用去离子水清洗，之后浸泡在乙醇中。10mg/mL的聚苯乙烯乙醇(3)钛钉表面二氧化钛纳米管的制备：将0.3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在圆柱形钛钉表面的近红外响应功能涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、钛钉预处理；S2、钛钉上生长二氧化钛纳米管：将步骤S1中处理好的钛钉放入电解液中并接在阳极上，阴极接管状石墨电极，所述钛钉正好置于所述管状石墨电极的中间，阳极氧化反应电压为35～45V，常温下反应170～190min，经过超声、干燥和煅烧后得到钛钉/二氧化钛纳米管；S3、合成金纳米粒子和碳量子点；S4、将步骤S3中所述金纳米粒子和碳量子点负载至钛钉表面二氧化钛纳米管上，得到钛钉/二氧化钛纳米管/金纳米粒子/碳量子点。

【技术特征摘要】
1.一种在圆柱形钛钉表面的近红外响应功能涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、钛钉预处理；S2、钛钉上生长二氧化钛纳米管：将步骤S1中处理好的钛钉放入电解液中并接在阳极上，阴极接管状石墨电极，所述钛钉正好置于所述管状石墨电极的中间，阳极氧化反应电压为35～45V，常温下反应170～190min，经过超声、干燥和煅烧后得到钛钉/二氧化钛纳米管；S3、合成金纳米粒子和碳量子点；S4、将步骤S3中所述金纳米粒子和碳量子点负载至钛钉表面二氧化钛纳米管上，得到钛钉/二氧化钛纳米管/金纳米粒子/碳量子点。2.根据权利要求1所述的一种在圆柱形钛钉表面的近红外响应功能涂层的制备方法，其特征在于：步骤S4中所述负载方法：步骤S3中所述金纳米粒子和碳量子点的溶液按照体积比1：2的比例混合得到混合溶液，并将步骤S2中得到的钛钉/二氧化钛纳米管垂直放置在所述混合溶液中，在真空环境中负载24h，之后在50℃下干燥24h。3.根据权利要求1所述的一种在圆柱形钛钉表面的近红外响应功能涂层的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述电解液的制备方法：称取0.34g的氟化铵，将其溶解到5mL水中配制成氟化铵溶液，量取95mL的去离子水，将去离子水和配好的氟化铵溶液混合作为电解液；在所述阳极氧化反应后将钛钉在乙醇中超声后干燥，除去钛钉上面的硅胶和铜丝，在450℃下煅烧2个小时。4.根据权利要求1所述的一种在圆柱形钛钉表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴水林，金晨，刘想梅，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42