3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系及制备方法，结构包括PDA修饰的阳极氧化所得的双管径纳米管膜层，上层为小管径层，用作与细胞相互作用的界面及药物释放的“阀门”；下层为大管径层，用于装载药物。首先将3D打印多孔钛双管径纳米管电解得到双管径纳米管膜层，在加入锌离子的负载和抗菌肽的负载。本发明专利技术可以在多孔钛基表面构建以双管径二氧化钛纳米管为基础的可控释药体系，极大地提高了钛及其合金在硬组织植入及药物载体等方面的实际应用。

3D printing porous titanium surface antibacterial and bone promoting controlled release system and preparation method

【技术实现步骤摘要】
3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系及制备方法
本专利技术属于多孔钛表面处理技术应用于生物种植体领域，涉及一种3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系及制备方法，尤其是一种双管径二氧化钛纳米管层和聚多巴胺修饰相结合的载药体系的制备方法，该方法可获得以多孔钛植入体为基体的对药物可控释放的载药体系，以实现感染微环境下的高效抗菌与骨整合的平衡。
技术介绍
钛及其合金具有良好的耐腐蚀、力学性能、生物相容性等，广泛应用于硬组织修复及替换领域。然而，致密钛植入体与周围骨组织弹性模量不匹配而产生的应力屏蔽效应，是致使正常骨组织萎缩及植入体松动的主要原因。而在宿主防御能力薄弱区域很易发生细菌入侵。相比之下，多孔钛及其合金可具有与自然骨更接近的弹性模量、更大的表面积及孔-孔的连通性，为骨的长入提供可能。然而，钛及其合金生物活性差，需要进行表面生物功能化改性。相较于同种材料的致密形态，纳米管状的拓扑形态更能促进成骨细胞的黏附、繁殖及分化；植入动物体内后，能与骨形成骨性结合，并促进新骨的形成。此外，纳米管独特的纳米管状结构是抗/杀菌药物负载和释放的理想平台。如纳米管负载如Ag、Zn、庆大霉素等抗菌剂，可预防细菌感染，防止骨组织坏疽；负载Sr、Mg、骨形成蛋白、RGD肽等生物活性因子，可为成骨相关细胞的黏附、增殖、分化提供良好界面。因此，纳米管在种植体、填置式给药系统、组织工程等生物应用领域具有很好的应用潜力。在碱性溶液等温和条件下，多巴胺(DA)不需要预处理便可牢固地粘附在各种基材表面，并自氧化原位聚合形成PDA层。可贵的是，PDA能够牢固粘附在TiO2纳米管内表面而不掩盖其管状结构，且PDA分子间强π-π键堆积能保证其在正常生理体液中的牢固粘附。此外，PDA的电荷性具有随pH而变化的特点：在碱性和中性下带负电、酸性下带正电，可通过静电引力或静电斥力来减缓或加速药物释放。而局部生理体液pH降低是感染等生理环境恶化的最直接的物理化学信号。通过pH等胞外刺激而进行“按需”释药，无感染刺激时则药物低量释放，可有效降低药物的副作用、提高利用率。Yang等人[ACSAppl.Mater.Inter.,2017,10,7649-7660]利用PDA对单管径二氧化钛纳米管进行修饰后，虽能对药物进行有效缓控释，但未考虑纳米管管径与载药量及细胞行为的相互关系。从纳米管对细胞行为的影响来说，二氧化钛纳米管的管径对细胞的黏附、增殖、分化起决定作用。研究表明：管径15～30纳米的二氧化钛纳米管有利于成骨相关细胞的黏附、增殖和分化；管径大于50纳米后，成骨相关细胞黏附受到抑制，甚至发生凋亡。从纳米管对药物负载来说，小管径(如15～30纳米)的纳米管没有足够的空间用于抗菌剂的高量负载，也就无法提供长期药释。因此，细胞成骨分化及抗菌剂长期释放与其高量负载对二氧化钛纳米管的相反管径需求存在矛盾。前期研究工作中[ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,9449-9461]，利用双管径二氧化钛纳米管可实现对药物的高量负载和长期控释抗菌。然而，这种利用纳米管结构进行药物控释，并不能及时“感知”感染微环境，从而根据抗感染的需要释放抗菌药剂(即“按需”释药)。在植入早期，组织未发生感染情况下，仍可能出现大量药剂的迅速释放，造成细胞毒性，且无法维持长期缓控释抗菌，最终导致抗菌与细胞成骨分化难以兼顾。此外，前期工作是对平板钛进行表面改性，在多孔钛表面因电流密度的分布不同，阳极氧化的工艺参数需要进一步调整。鉴于以上考虑，多孔钛表面所得药物控释载药体系的开发，已成为其能否实际应用于感染微环境下骨整合的关键。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系及制备方法，提供能兼顾高效抗菌与骨整合的表面改性方法，能够在多孔钛或多孔钛合金表面生成结合牢固、有一定厚度的、pH控制释放的载药体系层。技术方案一种3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系，其特征在于包括PDA修饰的阳极氧化所得的双管径纳米管膜层，膜层厚度为8～25微米：上层为细胞相互作用的界面及药物释放的“阀门”的小管径层，管径为20～60纳米，用作与细胞相互作用的界面及药物释放的“阀门”；下层为装载药物的大管径层，管径大小为80～140纳米；PDA层在纳米管内壁沉积，厚度为5～25纳米；所述药物为：抗菌肽LL37和锌离子。所述双管径纳米管采用多孔钛或多孔钛合金利用3D打印技术获得。一种所述3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系的制备方法，其特征在于步骤如下：步骤1：采用多孔钛或多孔钛合金利用3D打印技术获得双管径纳米管；步骤2：以多孔钛或多孔钛合金的双管径纳米管为阳极，石墨棒为阴极，电解液为氟盐、乙二醇和去离子水；电解时采用直流电源；所述电解液的比例为每份0.08M氟盐、250mL乙二醇(含50mL二乙二醇)和2wt.％去离子水；对阳极的双管径纳米管氧化，得到双管径二氧化钛纳米管，过程为三个阶段：第一阶段在如5V～30V电压下，阳极氧化处理1～8小时，形成小管径结构的纳米管；第二阶段，将电压以每分钟10～60伏特的速率升至80～140伏特，并在该电压下维持15～60分钟；第三阶段，以每秒5～50毫升的速率向电解液中添加镁盐溶液，每升电解液中添加镁盐的量为0.06摩尔，处理时间为30～120分钟；步骤3：将双管径二氧化钛纳米管浸于pH为8.5的含DA的Tris-HCl缓冲液之中，在磁力搅拌下，DA发生氧化自聚合反应；搅拌速率为300～700转每分钟，反应时间为1～24小时；采用去离子水充分清洗后，真空干燥；所述DA的浓度为1～8毫克每毫升；所述Tris-HCl浓度为10毫摩尔每升；步骤4：锌离子的负载：将纳米管浸入硝酸锌的水溶液中，震荡1～24小时；采用去离子水充分清洗后，室温真空干燥；所述硝酸锌溶液的浓度为0.5M；抗菌肽的负载：用移液器移取80微升的抗菌肽LL37的磷酸盐缓冲液均匀涂覆在纳米管表面，并使溶液充分浸润多孔内表面，室温静置30～60分钟后，将样品转移至真空干燥箱，室温真空干燥1～2小时，重复此步骤，使得抗菌肽的总理论负载量为200～400微克，最后一次负载干燥后，用PBS快速清洗样品表面，除去残留在纳米管表面的、多余的抗菌肽，清洗的溶液收集；并4摄氏度保存；所述抗菌肽LL37的浓度为5毫克每毫升。所述阴阳极之间的距离为5厘米。所述镁盐溶液的浓度为0.06M。有益效果本专利技术提出的一种3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系及制备方法，结构包括PDA修饰的阳极氧化所得的双管径纳米管膜层，上层为小管径层，用作与细胞相互作用的界面及药物释放的“阀门”；下层为大管径层，用于装载药物。首先将3D打印多孔钛双管径纳米管电解得到双管径纳米管膜层，在加入锌离子的负载和抗菌肽的负载。本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术载药体系的制备方法及药剂的负载方法简本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系，其特征在于包括PDA修饰的阳极氧化所得的双管径纳米管膜层，膜层厚度为8～25微米：上层为细胞相互作用的界面及药物释放的“阀门”的小管径层，管径为20～60纳米，用作与细胞相互作用的界面及药物释放的“阀门”；下层为装载药物的大管径层，管径大小为80～140纳米；PDA层在纳米管内壁沉积，厚度为5～25纳米；所述药物为：抗菌肽LL37和锌离子。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系，其特征在于包括PDA修饰的阳极氧化所得的双管径纳米管膜层，膜层厚度为8～25微米：上层为细胞相互作用的界面及药物释放的“阀门”的小管径层，管径为20～60纳米，用作与细胞相互作用的界面及药物释放的“阀门”；下层为装载药物的大管径层，管径大小为80～140纳米；PDA层在纳米管内壁沉积，厚度为5～25纳米；所述药物为：抗菌肽LL37和锌离子。


2.根据权利要求1所述3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系，其特征在于：所述双管径纳米管采用多孔钛或多孔钛合金利用3D打印技术获得。


3.一种权利要求1或2所述3D打印多孔钛表面抗菌及促成骨的可控释药体系的制备方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用多孔钛或多孔钛合金利用3D打印技术获得双管径纳米管；
步骤2：以多孔钛或多孔钛合金的双管径纳米管为阳极，石墨棒为阴极，电解液为氟盐、乙二醇和去离子水；电解时采用直流电源；所述电解液的比例为每份0.08M氟盐、250mL乙二醇(含50mL二乙二醇)和2wt.％去离子水；
对阳极的双管径纳米管氧化，得到双管径二氧化钛纳米管，过程为三个阶段：
第一阶段在如5V～30V电压下，阳极氧化处理1～8小时，形成小管径结构的纳米管；
第二阶段，将电压以每分钟10～60伏特的速率升至80～140伏特，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：张妍妮，王坤，卢婷利，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61