一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復合涂層的可降解鎂籠植入體的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及可降解鎂籠植入體，特別涉及一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復合涂層的可降解鎂籠植入體的方法。
【背景技術】
[0002]骨缺損是臨床常見病，造成骨缺損的原因可能有骨創傷、骨感染死骨摘除、骨腫瘤段切除等。骨缺損修復技術主要有Ilizarow技術、腓骨移植，同種異體骨治療等。采用植入體器件輔助治療為常用治療方法，其具有固定穩定，復位準確等優點。現有用于修復骨缺損的植入體器件一般為選擇采用鈦、鋯、氧化鋯、鉑、銠、鈮、外科不銹鋼、鈷鉻-鋼、鉭等不降解或難降解合金，如骨穩固器設備(CN 104602629 A)、椎間植入物(CN101938957 A)的籠狀植入體。選擇上述不降解或難降解合金材料的籠狀植入體具有較強的力學性能，可在人體中長期植入。但在長期植入的過程中，由于人體骨與上述材料較大的力學差異而導致的應力遮擋，使得周圍骨組織易發生骨折、長期累積磨損植入體碎肩在人體內堆積難以排出體外等隱患，骨組織修復一段時間后仍需要將上述植入體器件取出。另外，通過外科手術植入后，盡管使用了抗生素等藥物，但是植入部位的細菌感染案例依舊經常發生。
[0003]生物可降解鎂合金材料與人體骨骼具有相近的力學性能。鎂合金制備的籠狀植入體應用于骨缺損的修復，具有減小應力遮擋，在植入初期提供足夠的力學支持，并在完成骨修復之后逐步在人體內降解，被人體吸收或代謝排出體外，避免通過二次手術取出等優點，從而在醫用植入體領域具有潛在的應用價值。而阻礙鎂籠材料作為植入體應用的最大因素在于鎂金屬的腐蝕電位低，在體液環境下具有很高的腐蝕速率，力學完整性損失過快等。通過水熱法在鎂合金表面沉積磷灰石涂層，不僅可以提高鎂合金的耐腐蝕性，同時對于其生物活性也有一定的改善。然而磷灰石具有膜基結合強度差，易磨損等缺點。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了解決現有技術鎂金屬的腐蝕電位低，在體液環境下具有很高的腐蝕速率，力學完整性損失過快以及磷灰石具有膜基結合強度差，易磨損缺點的問題，而提出的一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復合涂層的可降解鎂籠植入體的方法。
[0005]上述的發明目的是通過以下技術方案實現的:
[0006]步驟一、將鎂金屬加工成籠狀植入體，在室溫下，依次利用20?10ml丙酮、無水乙醇在15?25°C下超聲清洗籠狀植入體5?20min;
[0007]步驟二、利用去離子水在溫度15?25°C條件下清洗無水乙醇超聲清洗后的籠狀植入體3?5min后，在溫度20?50°C條件下烘干10?20min，得到預處理的鎂金屬材料；
[0008]步驟三、對步驟二中預處理的鎂金屬材料進行水熱處理，得到表面含石墨烯/磷灰石水熱復合涂層改性的鎂金屬籠狀種植體；
[0009]所述的對步驟二中預處理的鎂金屬材料進行水熱處理的具體過程為:
[0010]將預處理的鎂金屬材料放置在Ca(NO3)2-K2HPO4-GO水熱反應溶液中，采用HNO3和NH3.H2O調節Ca(NO3)2-K2HPOfGO水熱反應溶液至pH為1.5?3.5，水熱反應溫度為100?200°C，反應時間為I?3h。
[0011 ]其中，Ca (NO3) 2-K2HPO4-GO水熱反應溶液中 Ca(N03) 2為0.I ?0.3mol/L，K2HPO4為0.1?0.4mol/L以及GO為0.I?0.5mg/mL;
[0012]步驟四、在室溫下，利用去離子水將步驟三得到的水熱處理后表面改性的鎂金屬籠狀種植體超聲處理5?1min后，在40°C下烘干處理20?40min，即得到一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復合涂層的可降解鎂籠植入體的方法。
[0013]發明效果
[0014]本發明提供了一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復合涂層的可降解鎂籠植入體的方法及制備方法。帶有涂層鎂籠具有耐蝕抗菌，可內載膠原、顆粒骨與活性緩釋因子等，以達到骨缺損的快速修復，降低感染幾率。服役期間鎂金屬提供足夠的力學支持，骨修復完成后鎂合金逐步降解吸收，無需二次手術的目的。
[0015]石墨烯具有完美的二維晶體結構，在磷灰石涂層中摻雜石墨烯材料可顯著提高膜層的強度與韌性。采用水熱法在鎂金屬表面構建含有石墨烯的磷灰石復合涂層，該涂層相比于單純磷灰石涂層膜基結合強度、耐腐蝕性等方面具有顯著提高。同時，石墨烯/磷灰石涂層具有良好的抗菌效果，應用于醫學植入體材料，由于植入體本身具有的抗菌效果，從而可以有效的減少細菌的滋生與感染的幾率。
[0016]本發明基于傳統金屬植入體不易降解，與人體骨力學性能差距大；外科手術植入器件后，手術部位易感染;鎂合金耐蝕性能差，在人體內降解過快而易喪失力學完整性;磷灰石涂層膜基結合強度差，易磨損等問題，結合石墨烯具有的優良性質，發明了一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復合涂層的可降解鎂籠植入體的方法。并進一步的，可在鎂籠植入體中加入自體或異體顆粒骨、促進骨融合或抗菌的緩釋活性因子等從而達到提高骨融合速度，減少骨缺損的治愈周期，降低感染幾率等效果。
[0017]本發明鎂金屬籠狀種植體材料可通過鑄造技術、激光3D打印技術、激光切割或激光融合技術完成，并可根據植入部位所需制作各類尺寸與形狀。
[0018]本發明在鎂金屬籠狀種植體中加入顆粒骨可以使得骨缺損更快修復，其中可加入活性緩釋因子以提高骨融合，抑制細菌生長。在籠狀物外壁上的孔洞可以促進種植體內顆粒骨與體外的物質交換。本發明對鎂金屬籠狀種植體進行水熱表面改性，具體為在水熱反應過程中，石墨烯片層與磷灰石交替在鎂金屬表面生長，形成的復合結構較單純的磷灰石沉積更加致密，使得涂層的耐蝕性以及膜基結合強度明顯增強，并且通過石墨烯對細菌細胞膜結構的破壞使得涂層具有了一定的抗菌性。采用金黃色葡萄球菌與大腸埃希氏菌進行抗菌性測試，涂層的抗菌率達到93.5%，95.6%。
[0019]本發明具有以下優點:一、采用鎂金屬作為種植體材料，減小了應力遮擋，完成修復后可以緩慢降解，避免了 2次手術;二、在鎂金屬種植體中加入顆粒骨，促進骨愈合，加入了活性緩釋因子，提高骨融合速度，降低感染幾率;三、在鎂金屬種植體外壁上加工小孔，促進種植體內外物質交換；四、在鎂金屬種植體上采用水熱方法表面改性，提高了其抗腐蝕性能，為鎂金屬在骨愈合修復之前提供足夠了力學支持;五、在水熱涂層中加入石墨烯，使得涂層的膜基結合強度增加，進一步加強了抗腐蝕性能，同時使得涂層具有一定的抗菌性；六、鎂金屬種植體可根據需要設計成實際形狀，水熱浸入式表面改性不受鎂籠基體材料形狀的限制。
[0020]本發明制備的鎂金屬籠狀種植體模型如圖1(a)和(b)所示，涂層中摻入石墨烯對比于未摻入的膜基結合強度測試如圖2(a)?(d)所示。圖2(a)?(d)為采用GMW14829標準來測試涂層的膜基結合強度，磷灰石涂層的評測為5級脫落嚴重，而石墨烯/磷灰石復合涂層為2級脫落較輕。
[0021]本發明采用鎂金屬作為種植體材料，減小了應力遮擋，完成修復后可以緩慢降解，避免了 2次手術。在鎂金屬種植體中加入顆粒骨，促進骨愈合，加入了活性緩釋因子，提高骨融合速度，降低感染幾率。在鎂金屬種植體外壁上加工小孔，促進種植體內外物質交換。在鎂金屬種植體上采用水熱方法表面改性，提高了其抗腐蝕性能，為鎂金屬在骨愈合修復之前提供足夠了力學支持。在水熱涂層中加入石墨烯，使得涂層的膜基結合強度增加，進一步加強了抗腐蝕性能，同時使得涂層具有一定的抗菌性。鎂金屬種植體可根據需要設計成實際形狀，水熱表面改性為各種形狀提供支持。
[0022]—種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復合涂層的可降解鎂籠植入體的方法具有抗菌、耐蝕、可降解、膜基強度高等多重優點，主要應用于骨缺損的修復，如椎間骨，肢體骨等。本發明一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復合涂層的可降解鎂籠植入體的方法的制備，方法簡單，重復性強，可實現批量生產。
【附圖說明】
[0023]圖1(a)為【具體實施方式】一提出的鎂金屬籠狀種植體模型示意圖；
[0024]圖1(b)為【具體實施方式】一提出的帶有涂層的鎂籠植入體示意圖；
[0025]圖2(a)為【具體實施方式】一提出的未加入石墨烯的涂層宏觀圖；
[0026]圖2(b)為【具體實施方式】一提出的未加入石墨烯的涂層膜基結合強度測試示意圖；
[0027]圖2(c)為【具體實施方式】一提出的摻入石墨烯的涂層示意圖；
[0028]圖2(d)為【具體實施方式】一提出的摻入石墨烯的涂層膜基結合強度測試示意圖。
【具體實施方式】
[0029]【具體實施方式】一:本實施方式的一種制備帶有抗菌耐蝕石墨烯/磷灰石復合涂層的可降解鎂籠植入體的方法，具體是按照以下步驟制備的:
[0030]步驟一、將鎂金