[发明专利]兼具骨修复功能和抗菌性能的医用钛基复合涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及兼具骨修复功能和抗菌性能的医用钛基复合涂层及其制备方法，所述医用钛基复合涂层为在医用钛基材料表面注入锌/铜二元离子形成的铜锌离子注入层，其中在所述医用钛基复合涂层中，锌元素以锌化合物和/或金属锌和/或锌合金的形式存在，铜元素以铜化合物和/或金属铜和/或铜合金的形式存在。细胞相容和分子生物学实验结果表明，经过本发明改性处理得到的钛基材料对成骨相关细胞的增殖有明显的促进作用，并能显著上调成骨和成血管相关基因的表达。

技术领域

本发明属于医用材料技术领域，具体涉及一种采用锌/铜二元离子注入医用钛材料的表面改性方法。

背景技术

钛(Ti)及其合金具有弹性模量低、机械性能强、耐腐蚀性和生物相容性好等特点，是硬组织植入体(如人工关节、骨创伤产品、脊柱矫形内固定系统和牙种植体等)的首选材料。然而，现阶段钛合金植入体的平均寿命为10-15年，仍远不能满足患者的要求。长期临床跟踪及研究发现：(1)骨再生能力差，与周围组织结合不佳；(2)表面无持久抗菌性易导致术后细菌感染是影响植入体移植成功率和使用寿命的两大关键问题(Progress inMaterials Science,2009,54:397-425)。

近年来，抗生素滥用导致耐药性问题日益凸显，人们呼吁能够减少对抗生素的依赖。大量研究表明，无机抗菌元素如银、铜和锌，可赋予其抗菌性且这种抗菌性具有广谱和不易产生耐药等优点(Nature Reviews Microbiology,2013,11:371-384)。由于适量锌、铜对维持人体正常免疫功能具有重要作用，有利于减少炎症反应，促进创伤愈合，因此是更为理想的抗菌型试剂(American Journal of Clinical Nutrition,1998,68:447S-463S)。

研究表明，微量元素如锌摄入不足会阻碍骨骼生长，延缓骨骼发育，降低骨密度，容易引起骨质疏松等疾病(Bone,2010,46(3):732-741)，而适量的锌补给对于骨稳态的调节具有非常积极的作用，不但能够加速成骨细胞的成熟和分化，促进新骨的形成和重建，还能够抑制破骨细胞坑的形成，降低破骨细胞的骨吸收活性(Journal of NutritionalBiochemistry,2010,21(4):297-303)。目前，国内外主要通过膳食锌补充、锌注射来讨论锌元素对成骨相关性能的影响。

最近有研究报道，骨组织中血管生成与骨的形成作用是相互联系的。中南大学湘雅二医院的廖二元教授和约翰霍普金斯大学医学院的曹旭教授合作研究发现破骨前体细胞分泌的血小板衍生因子(PDGF-BB)可通过内皮祖细胞的募集促进血管生成，在偶联血管和骨形成过程中发挥了重要作用，最终提出了血管生成-成骨细胞-破骨细胞的“三元调控理论”，首次解释了骨生成的新机制(Nature Medicine,2014,20:1270-1278)。现阶段研究表明，铜离子可促进血管内皮生长因子的上调表达和血管生成(American Journal ofPathology 1988,130(1):173-178)。

除此之外，现阶段锌和铜的抗菌性研究还主要集中于游离纳米颗粒产生自由基对细菌起到杀菌作用(ACS Nano,2012,6(6):5164-5173)。然而到目前为止，游离纳米颗粒的安全性问题还未有定论，对细胞及生物系统具有潜在的危险性(ACS Nano,2008,2(10):2121-2134)。

发明内容

本发明针对目前临床使用钛基种植体骨修复能力不足导致种植体与周围组织整合性和血管形成有限，以及抗菌性差带来的二次手术等技术问题，本发明的目的是提供一种钛表面改性方法以满足医用钛材料所需的骨修复性能和抗菌性能的要求。

为了解决上述问题，本发明提供了一种医用钛基复合涂层，所述医用钛基复合涂层为在医用钛基材料表面注入锌/铜二元离子形成的铜锌离子注入层，其中在所述医用钛基复合涂层中，锌元素以锌化合物和/或单质锌和/或锌合金的形式存在，铜元素以铜化合物和/或单质铜和/或铜合金的形式存在。