【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种可用于钛基内植入物的超声响应型多孔超结构涂层及其制备方法和应用，具体涉及一种通过微弧氧化技术在钛基合金表面原位生长的类蜂窝状多孔涂层及其声热治疗应用，属于医用生物涂层领域。
技术介绍
1、钛及钛合金具有优异的综合机械性能、良好的耐腐蚀性和生物相容性，是医用植入体的首选材料。然而，手术过程中常常引入病原体，导致细菌感染，细菌感染导致的二次手术给患者带来巨大的经济负担和生理/心理创伤。目前采用的抗生素治疗极易引起耐药菌泛滥，因此，钛基植入体相关细菌感染，已成为威胁人类健康最常见和最严峻的挑战之一，迫切需要对植入体表面进行抗菌型功能薄膜修饰。
2、细菌感染的非侵入性治疗策略已经引起了极大的关注。尽管光疗法，包括光热和光动力法，已被广泛研究，但其在深层组织的穿透能力有限(magnetic resonance inmedicine,2004,51:1061-1065)。超声(us)疗法的开发，为解决光疗法的缺点带来了福音，因为超声可以穿透皮下5厘米以上，而不受人体皮肤或结缔组织的影响。然而，生物体同样也会对超声具有一定的吸收能力，说明高能超声下无差别加热容易导致生物组织高温。因此，需要植入材料表面具有高效的“选择性超声吸收”，具文献调研发现可控超声升温生物材料的研制迄今为止鲜有文献报道。关于超结构涂层，未见其在声热治疗方面的研究。目前，关于tio2基粉体或薄膜超声催化抗菌策略是在tio2中形成氧空位，构建缺陷型tio2-x，降低tio2-x禁带宽度，利用超声激发电子跃迁，产生活性氧(ros)进行杀菌，与本专利
技术实现思路
1、针对医用钛及钛合金在骨替换材料领域的广泛应用，以及临床上使用的钛基植入体抗菌能力不足的问题，本专利技术目的在于提供一种超声响应型多孔超结构涂层及其制备方法和应用。
2、一方面，本专利技术提供了一种超声响应型多孔超结构涂层，所述超声响应型多孔超结构涂层包括：医用钛基材料、以及原位生长于医用钛基材料表面的多孔tio2超结构涂层；所述超声响应型多孔超结构涂层具有类蜂窝状的多层嵌套孔结构。
3、较佳的，所述超声响应型多孔超结构涂层的孔隙结构分层分布，包括：内层、中间层和外层，且相邻两层之间存在微米孔隙；所述微米空隙的直径为1～10μm。
4、本公开中，钛基材料表面的超声响应型超结构涂层具有内层、中间层和外层分布特点，三维嵌套网络结构是超声波吸收的关键。超声辐照下，类蜂窝状超结构可以有效的选择性吸收超声波，而周围组织仅发生轻微温度升高。类蜂窝状三维网络结构吸收声波以后，声波在狭窄曲折的网络结构中穿行，声波的机械能通过声波反射和散射现象转化为热能。另外，声波传播引起的粘性摩擦和分子摩擦导致声压衰减和热能产生，从而将相干声压变化转化为热能。同时，tio2具有较低的导热系数，产生的热能被牢牢“锁住”，进而提升了植入体的热管理能力，最终达到高效吸收声波和储存热能的效果。该超结构涂层在超声刺激下转换的热能可以有效杀伤细菌；停止超声刺激后，多孔涂层能够有效提高组织蛋白吸附和钙矿物质沉积，主动促进成骨。
5、较佳的，所述内层的孔径为所述内层的孔径为1～20nm，孔隙率为30～50％；
6、所述中间层的孔径为20～500nm，孔隙率为10～40％；
7、所述外层的孔径为1～10μm，孔隙率为10～30％；
8、所述超声响应型多孔超结构涂层中内层、中间层和外层的孔径大小由内向外逐渐增加，孔隙率由内向外逐渐降低。
9、较佳的，所述内层的厚度为2～5μm；
10、所述中间层的厚度为1～4μm；
11、所述外层的厚度为5～20μm。
12、较佳的，所述超声响应型多孔超结构涂层的总厚度为10～25μm。
13、较佳的，所述医用钛基材料为纯钛或钛合金。
14、再一方面，本专利技术提供了一种上述超声响应型多孔超结构涂层的制备方法，包括：采用微弧氧化技术在医用钛基材料表面制备具有类蜂窝状的多层嵌套孔结构的超声响应型多孔超结构涂层；所述微弧氧化技术的参数包括：正向电压为350～450v；时间为5～13min；占空比为6～15％；正向频率为600～1000hz；电解液为0.05～0.20m的硼酸盐溶液。
15、本公开中，利用微弧氧化技术对钛基材制备“类火山口状”的孤立孔洞的特点，基于高压作用下钛与电解液的交互机制调节电解质成分，选择合适的电解质在钛基材表面构建了类蜂窝状的三维网络超结构涂层。超结构涂层使钛植入体表面粗糙度增加，表面亲水性增强，有利于成骨细胞的长入，同时可以诱导蛋白吸附，促进骨整合。
16、较佳的，采用微弧氧化技术在钛表面制备tio2超结构涂层，置于超纯水中超声清洗3min，然后60℃烘干。
17、较佳的，所述硼酸盐电解液中还包含0.15～0.35m的氢氧化钾。
18、较佳的，所述电解液的温度为10～45℃。
19、再一方面，本专利技术提供了一种上述超声响应型多孔超结构涂层在制备超声刺激型抗菌材料中的应用，包括：在超声辐照下，超声响应型多孔超结构涂层有效的选择性吸收超声波，在超声响应型多孔超结构涂层中超声波的机械能通过声波反射和散射现象转化为热能，以实现抗菌效果。优选地，所述超声辐射的参数包括：功率为0.5～2.5w，频率为1mhz，占空比为10～100％，超声辐照时长为5～15min。
20、有益效果：
21、本专利技术，首次在医用钛基材料表面制备出具有优异生物相容性和声热效应的超结构涂层。超结构涂层的tio2成分是目前临床上广泛采用的安全物质，但是tio2是生物惰性的和无抗菌性的。本法专利技术在几乎不改变tio2涂层成分的前提下，通过超结构涂层构建，实现了植入材料对超声波的选择性吸收以及高效的声热转化，达到了对植入材料感染细菌的杀伤目的；而在细菌清除后停止超声辐照，使得材料不会对正常组织造成不必要损伤，同时超结构涂层的三维网络结构可以有效促进成骨细胞钙化，加速骨整合。
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1.一种超声响应型多孔超结构涂层，其特征在于，所述超声响应型多孔超结构涂层包括：医用钛基材料、以及原位生长于医用钛基材料表面的多孔TiO2超结构涂层；所述超声响应型多孔超结构涂层具有类蜂窝状的多层嵌套孔结构；
2.根据权利要求1所述的超声响应型多孔超结构涂层，其特征在于，所述内层的孔径为1～20nm，孔隙率为30～50％；
3.根据权利要求1所述的超声响应型多孔超结构涂层，其特征在于，所述内层的厚度为2～5μm；
4.根据权利要求1所述的超声响应型多孔超结构涂层，其特征在于，所述超声响应型多孔超结构涂层的总厚度为10～25μm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的超声响应型多孔超结构涂层，其特征在于，所述医用钛基材料为纯钛或钛合金。
6.一种如权利要求1-5中任一项超声响应型多孔超结构涂层的制备方法，其特征在于，包括：采用微弧氧化技术在医用钛基材料表面制备具有类蜂窝状的多层嵌套孔结构的超声响应型多孔超结构涂层；所述微弧氧化技术的参数包括：正向电压为350～450V；时间为5～13min；占空比为6～15％；正向频率为6
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述硼酸盐电解液中还包含0.15～0.35M的氢氧化钾；所述电解液的温度为10～45℃。
8.一种如权利要求1-5中任一项所述的超声响应型多孔超结构涂层在制备超声刺激型抗菌材料中的应用，其特征在于，包括：在超声辐照下，超声响应型多孔超结构涂层有效的选择性吸收超声波，在超声响应型多孔超结构涂层中超声波的机械能通过声波反射和散射现象转化为热能，以实现抗菌效果。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述超声辐射的参数包括：功率为0.5～2.5W，频率为1MHz，占空比为10～100％，超声辐照时长为5～15min。
...【技术特征摘要】
1.一种超声响应型多孔超结构涂层，其特征在于，所述超声响应型多孔超结构涂层包括：医用钛基材料、以及原位生长于医用钛基材料表面的多孔tio2超结构涂层；所述超声响应型多孔超结构涂层具有类蜂窝状的多层嵌套孔结构；
2.根据权利要求1所述的超声响应型多孔超结构涂层，其特征在于，所述内层的孔径为1～20nm，孔隙率为30～50％；
3.根据权利要求1所述的超声响应型多孔超结构涂层，其特征在于，所述内层的厚度为2～5μm；
4.根据权利要求1所述的超声响应型多孔超结构涂层，其特征在于，所述超声响应型多孔超结构涂层的总厚度为10～25μm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的超声响应型多孔超结构涂层，其特征在于，所述医用钛基材料为纯钛或钛合金。
6.一种如权利要求1-5中任一项超声响应型多孔超结构涂层的制备方法，其特征在于，包括：采用微弧氧化技术在医用钛基材料表面制备具...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘宣勇，关世伟，张宪明，谭继，朱红芹，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：
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