一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器及制备方法

1.本发明涉及医疗器械领域，具体涉及一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器及制备方法。


背景技术：

2.椎间融合器是临床脊柱修复常用的植入器械，其能够帮助恢复脊柱椎间隙高度，改善神经压迫，提升稳定性。当前主流融合器材料有聚芳醚酮、钛及其合金等，但这些材料是生物惰性材料，植入体内后会与宿主骨组织之间形成纤维包囊，易引发融合器失稳。同时，作为非降解的永久性植入体，这些器械植入人体后还可能存在因失稳而进行二次手术的问题。近些年来，以镁及其合金为典型代表的可降解金属材料因其良好的生物相容性和可降解特性已吸引了大量研究者关注，开始逐步应用于脊柱修复领域。
3.但在具体应用实践中，镁及其合金材料过快的降解速率与周边骨再生速度不匹配，导致其难以通过新骨替换来保证植入体的初期稳定性。因此，有必要对镁基材料进行改性处理以提升其促骨再生能力，实现降解与成骨性能的动态匹配。此外，鉴于近年来逐渐增加的植入体细菌感染案例及其治疗难度，除了提升镁基融合器的促骨再生能力外，还需赋予其高抗菌活性，以防治可能出现的相关感染问题。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的问题提供一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器及制备方法。
5.本发明采用的技术方案是：
6.一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤1：在打印成型的镁基融合器表面构筑氢氧化镁涂层；
8.步骤2：通过电泳沉积法在步骤1得到的融合器表面构筑氧化石墨烯涂层；
9.步骤3：通过脉冲电化学沉积法在步骤2得到的融合器表面沉积锶羟基磷灰石涂层。
10.进一步的，所述步骤1过程如下：
11.将镁基融合器置于ph为11～12的氢氧化钠溶液中，120℃～150℃条件下充分反应，清洗、烘干。
12.进一步的，所述步骤2过程如下：
13.采用恒流直压法对步骤1得到的融合器进行电泳沉积；镁合金做阴极、石墨电极圈做阳极，氧化石墨烯分散液作为沉积液进行沉积；工作电压60～110v，电流0.5～2.5a，时间2～12min。
14.进一步的，所述步骤3过程如下：
15.沉积过程中，融合器作为负极，石墨电极圈做正极；硝酸钙、硝酸锶和磷酸氢二铵
构成的混合溶液作为沉积溶液；沉积电压为10～20v，采用20v：0v的通断比，沉积100～200个周期；其中硝酸钙、硝酸锶和磷酸氢二铵的摩尔比为4～10:5～25:3～7。
16.进一步的，所述镁基融合器的打印方式为激光粉末床熔融打印。
17.进一步的，所述氧化石墨烯分散液中采用九水硝酸铝作为电介质，异丙醇做为分散剂；石墨烯分散液中，九水硝酸铝的浓度为0.5～7mg/ml，氧化石墨烯的浓度为0.015～0.25mg/ml。
18.进一步的，所述打印参数如下：
19.激光功率65～142w，扫描速度340～810mm/s，扫描间距0.03～0.10mm，层厚为0.01～0.04mm。
20.进一步的，所述步骤1中融合器打印成型后首先进行预处理，过程如下：
21.将磷酸、硫酸和去离子水按1:1：100的体积比混合配置成处理溶液，将融合器放入处理液中，置入超声装置内进行超声处理。
22.本发明的有益效果是：
23.(1)本发明在容器表面构建氢氧化镁/氧化石墨烯/掺锶羟基磷灰石涂层，具有多重功能；
24.(2)本发明中氢氧化镁涂层具有高抗蚀性，并且可通过物理接触作用使细菌胞膜破损，杀伤细菌；氧化石墨烯涂层可介导物理化学和激活氧化应激途径抑制细菌生长；掺锶羟基磷灰石涂层具有复杂纳米结构，可阻止细菌在融合器表面的粘附，防止其定植生长；
25.(3)本发明中氧化石墨烯、掺锶羟基磷灰石涂层均可提升细胞在融合器表面的增殖和分化能力，促进骨组织再生。
附图说明
26.图1为本发明实施例1不同处理过程后得到的融合器表面形貌示意图。
27.图2为本发明实施例1不同处理过程后得到的融合器对金黄色葡萄球菌增殖的抑制率。
28.图3为本发明实施例1不同处理过程后得到的融合器对成骨细胞增殖性能的影响作用示意图。
29.图4为本发明实施例1不同处理过程后得到的融合器对成骨细胞分化能力的影响作用示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
31.一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器的制备方法，包括以下步骤：
32.步骤1：在打印成型的镁基融合器表面构筑氢氧化镁涂层；镁基融合器的打印方式为激光粉末床熔融打印。
33.打印参数如下：
34.激光功率65～142w，扫描速度340～810mm/s，扫描间距0.03～0.10mm，层厚为0.01～0.04mm。
35.其中，融合器基底材料为镁合金，合金成分以mg为主体，可包含ca、zn、ag等元素作
为其他成分。选择ca、zn、ag等其他成分，一方面可通过合金工艺提升镁金属的耐腐蚀、力学等理化性能。另一方面ca、zn已经被广泛证实具有促成骨效果，而ag被证实具有很高的抗菌活性。
36.融合器打印成型后，首先进行预处理，过程如下：
37.将磷酸、硫酸和去离子水按1:1：100的体积比混合配置成处理溶液，将融合器放入处理液中，置入超声装置内进行超声处理。
38.氢氧化镁涂层构筑过程如下：
39.将镁基融合器置于ph为11～12的氢氧化钠溶液中，120℃～150℃条件下反应9～12h，材料取出后先用去离子水冲洗，再用乙醇溶液清洗后置于通风橱内，室温风干。
40.步骤2：通过电泳沉积法在步骤1得到的融合器表面构筑氧化石墨烯涂层；
41.过程如下：
42.采用恒流直压法对步骤1得到的融合器进行电泳沉积；镁合金做阴极、石墨电极圈做阳极，氧化石墨烯分散液作为沉积液进行沉积；工作电压60～110v，电流0.5～2.5a，时间2～12min。沉积完成后用去离子水冲洗样品并干燥。
43.其中氧化石墨烯分散液采用九水硝酸铝作为电介质，异丙醇做为分散剂；石墨烯分散液中，九水硝酸铝的浓度为0.5～7mg/ml，氧化石墨烯的浓度为0.015～0.25mg/ml。氧化石墨烯分散液配置完成后超声12～25min对氧化石墨烯进行分散。然后将融合器置于沉积液中进行电泳沉积。
44.步骤3：通过脉冲电化学沉积法在步骤2得到的融合器表面沉积锶羟基磷灰石涂层。
45.过程如下：
46.沉积过程中，融合器作为负极，石墨电极圈做正极；硝酸钙、硝酸锶和磷酸氢二铵构成的混合溶液作为沉积溶液；沉积电压为10～20v，采用20v：0v的通断比，沉积100～200个周期；其中硝酸钙、硝酸锶和磷酸氢二铵的摩尔比为4～10:5～25:3～7。沉积完成后用去离子水冲洗并干燥。
47.实施例1
48.按照下述步骤制备一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器，包括以下步骤：
49.步骤1：首先进行镁合金打印：在打印成型的镁基融合器表面构筑氢氧化镁涂层；
50.镁合金成分为mg-0.8ca-5zn-2.5ag。打印参数：激光功率，115w；扫描速度，640mm/s；扫描间距，0.07mm；层厚，0.02mm。
51.将融合器置于反应釜中，加入ph为12的氢氧化钠溶液，在120℃反应12h，材料取出后先用去离子水冲洗，再用乙醇溶液清洗后置于通风橱内，室温风干。
52.步骤2：通过电泳沉积法在步骤1得到的融合器表面构筑氧化石墨烯涂层；
53.以260ml异丙醇作分散剂，0.6g九水硝酸铝(al2(oh)3·
9h2o)作电介质，加入11mg/ml的氧化石墨烯溶液1.5ml。超声22mins对氧化石墨烯进行分散。利用恒流直压法对材料进行电泳沉积氧化石墨烯涂层，其中镁合金样品作阴极，石墨电极圈作阳极，工作电压90v，电流2a，时间10min。电泳沉积后用去离子水冲洗样品并干燥。
54.步骤3：通过脉冲电化学沉积法在步骤2得到的融合器表面沉积锶羟基磷灰石涂
层。
55.配置500ml含0.09m的四水硝酸钙(ca(no3)2·
4h2o)、0.01m的硝酸锶(sr(no3)2)和0.06m磷酸氢二铵((nh4)2hpo4)溶液。利用脉冲电化学法沉积掺锶羟基磷灰石涂层，材料为工作电极，石墨电极圈为正电极，电压设置为20v，采用20v:0v＝1:10的通断比，沉积200个周期。
56.对本实施例得到的融合器进行表面形貌的表征，如图1所示，从图中可以看出。未处理融合器表面光滑平整，经碱热处理后，融合器表面均匀沉积了氢氧化镁纳米片涂层。进一步电泳沉积后，融合器表面纳米片被氧化石墨烯絮状沉淀所覆盖。而经电化学沉积后，重新在融合器表面均匀产生了羟基磷灰石纳米片涂层，且平均纳米片尺寸比氢氧化镁纳米片更大。
57.将不同步骤处理后的融合器样品与金黄色葡萄球菌进行共培养8、16和24h后，通过分光光度计分别测定各培养液中细菌的吸光度值，与空白组对照进行比较分析得到不同时间点样品对细菌增殖的抑制率如图2所示。结果显示经碱热处理、电泳沉积和电化学沉积后的融合器抑菌率明显高于未处理样品，表明其具有更高的抑菌活性。
58.将不同步骤处理后的融合器样品与成骨细胞进行共培养1、2和3天后，通过酶标仪分别测定各培养液中细胞的吸光度值，如图3所示。结果显示经碱热处理、电泳沉积和电化学沉积后的融合器促细胞增殖效果明显高于未处理样品，且经氢氧化镁/氧化石墨烯/掺锶羟基磷灰石涂层后的样品具有最强的促增殖效果。
59.选择成骨标志性基因(碱性磷酸酶)作为评价指标，通过实时逆转录聚合酶链反应评估不同步骤改性处理后融合器样品对成骨细胞分化能力的影响，如图4所示。结果发现经改性处理后的融合器能促进成骨细胞中碱性磷酸酶表达水平，其中氢氧化镁/氧化石墨烯/掺锶羟基磷灰石复合涂层具有明显更强的刺激作用。
60.实施例2
61.按照下述步骤制备一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器，包括以下步骤：
62.步骤1：首先进行镁合金打印：在打印成型的镁基融合器表面构筑氢氧化镁涂层；
63.镁合金成分为mg-0.8ca-5zn-2.5ag。打印参数：激光功率，65w；扫描速度，810mm/s；扫描间距，0.03mm；层厚，0.04mm。
64.将融合器置于反应釜中，加入ph为11的氢氧化钠溶液，在150℃反应9h，材料取出后先用去离子水冲洗，再用乙醇溶液清洗后置于通风橱内，室温风干。
65.步骤2：通过电泳沉积法在步骤1得到的融合器表面构筑氧化石墨烯涂层；
66.以100ml异丙醇作分散剂，0.7g九水硝酸铝(al2(oh)3·
9h2o)作电介质，加入4mg/ml的氧化石墨烯溶液1.5ml。超声25mins对氧化石墨烯进行分散。利用恒流直压法对材料进行电泳沉积氧化石墨烯涂层，其中镁合金样品作阴极，石墨电极圈作阳极，工作电压110v，电流0.5a，时间2min。电泳沉积后用去离子水冲洗样品并干燥。
67.步骤3：通过脉冲电化学沉积法在步骤2得到的融合器表面沉积锶羟基磷灰石涂层。
68.配置200ml含0.04m的四水硝酸钙(ca(no3)2·
4h2o)、0.005m的硝酸锶(sr(no3)2)和0.07m磷酸氢二铵((nh4)2hpo4)溶液。利用脉冲电化学法沉积掺锶羟基磷灰石涂层，材料为
工作电极，石墨电极圈为正电极，电压设置为10v，采用10v:0v＝1:10的通断比，沉积100个周期。
69.实施例3
70.按照下述步骤制备一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器，包括以下步骤：
71.步骤1：首先进行镁合金打印：在打印成型的镁基融合器表面构筑氢氧化镁涂层；
72.镁合金成分为mg-0.8ca-5zn-2.5ag。打印参数：激光功率，142w；扫描速度，340mm/s；扫描间距，0.10mm；层厚，0.01mm。
73.将融合器置于反应釜中，加入ph为11的氢氧化钠溶液，在140℃反应10h，材料取出后先用去离子水冲洗，再用乙醇溶液清洗后置于通风橱内，室温风干。
74.步骤2：通过电泳沉积法在步骤1得到的融合器表面构筑氧化石墨烯涂层；
75.以400ml异丙醇作分散剂，0.2g九水硝酸铝(al2(oh)3·
9h2o)作电介质，加入16mg/ml的氧化石墨烯溶液1.5ml。超声12mins对氧化石墨烯进行分散。利用恒流直压法对材料进行电泳沉积氧化石墨烯涂层，其中镁合金样品作阴极，石墨电极圈作阳极，工作电压60v，电流2.5a，时间12min。电泳沉积后用去离子水冲洗样品并干燥。
76.步骤3：通过脉冲电化学沉积法在步骤2得到的融合器表面沉积锶羟基磷灰石涂层。
77.配置300ml含0.10m的四水硝酸钙(ca(no3)2·
4h2o)、0.025m的硝酸锶(sr(no3)2)和0.03m磷酸氢二铵((nh4)2hpo4)溶液。利用脉冲电化学法沉积掺锶羟基磷灰石涂层，材料为工作电极，石墨电极圈为正电极，电压设置为15v，采用15v:0v＝1:10的通断比，沉积150个周期。
78.本发明所制备镁基融合器具有优异的生物降解特性，其在降解时会引起局部ph值上升并释放镁、钙、锌和银等离子，具有一定的抗菌效果和促成骨再生效果。通过改性处理，本发明在融合器表面所构建的氢氧化镁/氧化石墨烯/掺锶羟基磷灰石功能涂层，可具有多重功能效果：在耐腐蚀方面，氢氧化镁涂层具有高抗蚀性；在抗菌方面，氢氧化镁涂层可通过物理接触作用致使细菌胞膜破损，杀伤细菌。氧化石墨烯涂层可介导物理化学和激活氧化应激途径抑制细菌生长。掺锶羟基磷灰石涂层具有复杂纳米结构，可以阻止细菌在融合器表面的粘附，防止其定植生长；在促成骨方面，氧化石墨烯和掺锶羟基磷灰石涂层都能够通过不同途径提升细胞在融合器表面的增殖和分化能力，促进骨组织再生。

技术特征：
1.一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在打印成型的镁基融合器表面构筑氢氧化镁涂层；步骤2：通过电泳沉积法在步骤1得到的融合器表面构筑氧化石墨烯涂层；步骤3：通过脉冲电化学沉积法在步骤2得到的融合器表面沉积锶羟基磷灰石涂层。2.根据权利要求1所述的一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器的制备方法，其特征在于，所述步骤1过程如下：将镁基融合器置于ph为11～12的氢氧化钠溶液中，120℃～150℃条件下充分反应，清洗、烘干。3.根据权利要求1所述的一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器的制备方法，其特征在于，所述步骤2过程如下：采用恒流直压法对步骤1得到的融合器进行电泳沉积；镁合金做阴极、石墨电极圈做阳极，氧化石墨烯分散液作为沉积液进行沉积；工作电压60～110v，电流0.5～2.5a，时间2～12min。4.根据权利要求1所述的一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器的制备方法，其特征在于，所述步骤3过程如下：沉积过程中，融合器作为负极，石墨电极圈做正极；硝酸钙、硝酸锶和磷酸氢二铵构成的混合溶液作为沉积溶液；沉积电压为10～20v，采用20v：0v的通断比，沉积100～200个周期；其中硝酸钙、硝酸锶和磷酸氢二铵的摩尔比为4～10:5～25:3～7。5.根据权利要求1所述的一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器的制备方法，其特征在于，所述镁基融合器的打印方式为激光粉末床熔融打印。6.根据权利要求3所述的一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯分散液中采用九水硝酸铝作为电介质，异丙醇做为分散剂；石墨烯分散液中，九水硝酸铝的浓度为0.5～7mg/ml，氧化石墨烯的浓度为0.015～0.25mg/ml。7.根据权利要求5所述的一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器的制备方法，其特征在于，所述打印参数如下：激光功率65～142w，扫描速度340～810mm/s，扫描间距0.03～0.10mm，层厚为0.01～0.04mm。8.根据权利要求1所述的一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中融合器打印成型后首先进行预处理，过程如下：将磷酸、硫酸和去离子水按1:1：100的体积比混合配置成处理溶液，将融合器放入处理液中，置入超声装置内进行超声处理。9.如权利要求1～8任一所述一种制备方法得到的兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器。

技术总结
本发明公开了一种兼具高抗菌和成骨活性的增材制造镁基融合器及制备方法，包括以下步骤：步骤1：在打印成型的镁基融合器表面构筑氢氧化镁涂层；步骤2：通过电泳沉积法在步骤1得到的融合器表面构筑氧化石墨烯涂层；步骤3：通过脉冲电化学沉积法在步骤2得到的融合器表面沉积锶羟基磷灰石涂层；本发明在容器表面构建氢氧化镁/氧化石墨烯/掺锶羟基磷灰石涂层，具有多重功能；即具有抗蚀性、抗菌性，也可以提升细胞在融合器表面的增殖和分化能力，促进骨组织再生。织再生。织再生。


技术研发人员：袁波 李婧鸣 王林楠 张凯 朱向东 宋跃明 张兴栋
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/7