1.本发明涉及生物医用材料技术领域，尤其是一种微区氧化钛纳米管结构骨齿科植入材料的制备方法。


背景技术：

2.钛基金属是临床应用量最大的生物材料之一，广泛应用于骨齿科植入器械。然而钛基金属表面缺乏生物活性结构导致钛基植入器械界面存在成骨速度慢的问题。在钛基金属表面构建仿生功能结构是提升钛基金属成骨性能的重要途径。目前往往通过化学及电化学处理可在钛基金属表面构建纳米拓扑结构，可在一定程度上加快成骨速度，其中通过电化学阳极氧化技术构建二氧化钛纳米管是一种常用的钛基金属材料表面成骨性能提升的方法，目前已取得一定成效。而天然骨具有微纳米多级结构，骨组织的微纳米管结构可对细胞施加力学转导作用，调控钛基植入材料表面骨髓间充质干细胞成骨分化，加速界面成骨。
3.因此构建空间分布的二氧化钛纳米管阵列结构有望提升材料界面成骨性能。目前可以通过光刻结合电化学阳极氧化制备周期性二氧化钛纳米管阵列微区结构，然而光刻技术成本高昂，难以在复杂的金属植入物表面构建，且存在光刻胶污染等问题。
4.综上，目前尚未有便捷高效的方法构建具有周期性可控微纳米多级结构的钛基植入材料表面。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供一种微区氧化钛纳米管结构骨齿科植入材料及其制备方法，本发明通过将部分钛表面纳米管结构进行烧蚀去除，形成原纳米管结构区域和烧蚀结构区域，烧蚀结构区域形成规律性排列，原纳米管结构区域和烧蚀结构区域形成纳米拓扑结构差异，从而获得微区纳米管结构骨齿科植入材料，本发明的骨齿科植入材料具有显著的调控细胞行为的效果。
6.本发明的技术方案为：一种微区氧化钛纳米管结构骨齿科植入材料的制备方法，包括以下步骤：
7.s1)、将钛或钛合金进行阳极氧化表面处理，得到表面纳米管结构；
8.s2)、将钛或钛合金表面纳米管结构的部分区域进行烧蚀处理，获得微区骨齿科植入材料，所述的骨齿科植入材料由原纳米管结构区域和烧蚀结构区域组成；
9.其中，原纳米管结构区域与烧蚀结构区域相邻，所述原纳米管结构区域和烧蚀结构区域至少有一种区域为多个独立的区域，多个独立区域中的每一个独立区域为微区，所述微区是指独立区域的宽度、直径和/或面积为微米级。
10.作为优选的，步骤s1)中，所述的表面纳米管结构在酸性或者碱性的电解液中制备。
11.作为优选的，步骤s1)中，所述表面纳米管结构材料为高长径比的中空纳米管状结构。
12.作为优选的，步骤s1)中，所述钛或钛合金表面纳米管结构为横向尺寸、纵向尺寸、高度尺寸均在10-500nm的纳米管结构。
13.作为优选的，步骤s2)中，当原纳米管结构区域与烧蚀结构区域都为多个独立的区域时，原纳米管结构区域与烧蚀结构区域相间排列或周期性排列。
14.作为优选的，步骤s2)中，当原纳米管结构区域为整体区域，烧蚀结构区域为多个独立区域时，烧蚀结构区域周期性排列，每一烧蚀结构区域的四周为原纳米管结构区域。
15.作为优选的，步骤s2)中，所述的独立区域的宽度是指两条相对直线或曲线间的距离，这两条相对的直线或曲线的间距离相较于形成区域的其他相对直线或曲线的距离要小。其中，区域为长方形，则宽为微米级；区域为圆形，则直径为微米级；区域为椭圆形，则短轴为微米级。
16.作为优选的，步骤s2)中，所述烧蚀处理是指采用激光器对钛合金表面纳米管结构的部分区域进行激光处理，使部分区域烧蚀；
17.激光处理的条件为激光功率为0.1-100w，扫描速度1-10000mm/s。
18.作为优选的，步骤s2)中，所述激光器为光纤激光器、气体激光器、固体激光器或半导体激光器。
19.作为优选的，步骤s2)中，所述的原纳米管结构区域与激光烧蚀区域的表面纳米管结构长度差异为1-500nm，直径差异为1-500nm。
20.作为优选的，步骤s2)中，所述的宽度、直径为微米级时，其为1-800μm。
21.本发明的有益效果为：
22.1、本发明通过聚焦激光束选区诱导烧蚀改变钛和钛合金材料的微区纳米管结构的方式实现；本发明构建的微区纳米管结构骨齿科植入材料，可模拟骨内微纳米多级结构对细胞施加生物力学信号，调控骨髓间充质干细胞成骨分化和骨整合过程；
23.2、本发明的骨齿科植入材料可模拟骨内胶原纤维和羟基磷灰石空间组装形成的骨基质微纳米多级结构，本发明的骨齿科植入材料具有调控细胞行为和显著的促成骨效果；
24.3、本发明的方法简单、高效，实现了快速、高效、精确仿骨微纳米多级结构植入材料的构建。
附图说明
25.图1为本发明的微区纳米管结构植入材料的结构特性示意图；
26.图2为本发明实施例1中微区烧蚀二氧化钛纳米管结构的扫描电镜图，其中，(a)为低倍图显示周期性分布的二氧化钛纳米管微区域和纳米管去除微区域， (b)为二氧化钛纳米管微区，(c)为纳米管去除微区；
27.图3为本发明实施例1的铺展荧光染色图，其中，(a)为本发明实施例1的微区纳米管结构骨齿科植入材料的细胞粘附铺展荧光染色图，(b)医用纯钛表面细胞铺展荧光染色图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
29.本发明的微区纳米管结构骨齿科植入材料的拓扑结构特性示意图如图1所示，其中，激光未作用微区的纳米管结构为原始钛合金表面构建的纳米管结构 (示例为纳米线结构)；激光作用微区(烧蚀区域)则由于激光热作用导致纳米管结构去除或者转变为具有新纳米结构。
30.实施例1
31.本实施例提供一种微区氧化钛纳米管结构骨齿科植入材料的制备方法，包括以下步骤：
32.1)、利用砂纸对医用钛材料进行梯度打磨，然后利用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗并真空干燥；
33.2)、将清洗后干燥后的医用钛材料在氟化铵和草酸溶液中进行阳极氧化，制备二氧化钛纳米管涂层；
34.反应条件为：氟化铵浓度、草酸浓度、电压、电化学阳极氧化时间。
35.3)、对光纤激光器进行聚焦，使用光纤激光器对钛表面纳米管进行微区激光处理，引发微区烧蚀以构建微区纳米管结构形貌不同的骨齿科植入材料；激光烧蚀的条件为：激光功率为2.4w，扫描速度80mm/s，扫描路径为周期性 100μm间隔分布的条纹；
36.所述骨齿科植入材料由间隔分布条纹状的原始纳米管结构区域和烧蚀纳米管结构区域组成，原始纳米管结构区域和烧蚀纳米管结构区域的宽度为100μm。
37.本实施例制备的骨齿科植入材料扫描电镜形貌如图2所示，从图2(a)、图 2(b)、图2(c)中可以看出，激光烧蚀引起材料表面形貌变化。激光烧蚀微区的结构趋于平坦，与原始纳米管结构区域形成纳米管结构差异。
38.本实施例的骨齿科植入材料中原始纳米管结构区域与烧蚀纳米管结构区域相邻，相邻微区表面纳米结构存在差异。
39.本实施例所制备的微区二氧化钛纳米管植入材料，可模拟骨组织微纳米多级结构，对干细胞施加生物力学信号调控成骨分化，具有显著的促成骨效果。图3为本实施例的微区二氧化钛纳米管的骨齿科植入材料的碱性磷酸酶染色图；从图3(a)、(b)中可以看出，微区二氧化钛纳米管骨齿科植入材料可显著促进骨髓间充质干细胞碱性磷酸酶表达，从而促进成骨分化(细胞接种密度10000/ml, 细胞培养时间7天)。
40.实施例2
41.本实施例提供一种微区氧化钛纳米管结构骨齿科植入材料的制备方法，包括以下步骤：
42.4)、利用砂纸对医用钛材料进行梯度打磨，丙酮、乙醇和去离子水超声清洗并真空干燥；
43.5)、将清洗干燥后的医用钛材料在氟化铵和草酸溶液中进行阳极氧化，制备二氧化钛纳米管涂层，反应条件为：氟化铵浓度、草酸浓度、电压、电化学阳极氧化时间；
44.6)、对光纤激光器进行聚焦，使用光纤激光器对钛表面纳米管材料进行微区激光处理，引发微区烧蚀以构建微区纳米管结构形貌不同的骨齿科植入材料；
45.激光烧蚀的条件为：激光功率为2.4w，扫描速度80mm/s，扫描路径为周期性200μm间隔分布的条纹；
46.所述骨齿科植入材料由间隔分布条纹状的原始纳米管结构区域和烧蚀纳米管结
构区域组成，原始纳米管结构区域和烧蚀纳米管结构区域的宽度为200μm。
47.本实施例在激光烧蚀引起材料表面形貌变化，激光烧蚀微区的结构趋于平坦，与原始纳米管结构区域形成纳米管结构差异。
48.本实施例的骨齿科植入材料中原始纳米管结构区域与烧蚀纳米管结构区域相邻，相邻微区表面纳米管结构存在差异。
49.实施例3
50.本实施例提供一种微区氧化钛纳米管结构骨齿科植入材料的制备方法，包括以下步骤：
51.7)、利用砂纸对医用钛材料进行梯度打磨，丙酮、乙醇和去离子水超声清洗并真空干燥；
52.8)、将清洗干燥后的医用钛材料在氟化铵和草酸溶液中进行阳极氧化，制备二氧化钛纳米管涂层，反应条件为：氟化铵浓度、草酸浓度、电压、电化学阳极氧化时间。
53.9)、对光纤激光器进行聚焦，使用光纤激光器对钛表面纳米管材料进行微区激光处理，引发微区烧蚀以构建微区纳米管结构形貌不同的骨齿科植入材料；
54.激光烧蚀的条件为：激光功率为2.4w，扫描速度80mm/s，扫描路径为周期性排布的圆形微区，圆心间距为200μm，圆的直径为100μm；
55.所述骨齿科植入材料由原始纳米管结构和周期性分布激光烧蚀结构区域组成，每一激光烧蚀区域直径为100μm，激光烧蚀区域的圆心间距为200μm。
56.本实施例中，激光烧蚀引起材料表面形貌变化。激光烧蚀微区的结构趋于平坦，与原始纳米管结构区域形成纳米管结构差异。
57.本实施例的骨齿科植入材料中原始纳米管结构区域与烧蚀纳米管结构区域相邻，相邻微区表面纳米管结构存在差异。
58.实施例4
59.本实施例提供一种微区氧化钛纳米管结构骨齿科植入材料的制备方法，包括以下步骤：
60.10)、利用砂纸对医用钛材料进行梯度打磨，丙酮、乙醇和去离子水超声清洗并真空干燥；
61.11)、将清洗干燥后的医用钛材料在氟化铵和草酸溶液中进行微弧氧化，制备二氧化钛纳米管涂层，反应条件为：氟化铵浓度、草酸浓度、电压、电化学阳极氧化时间。
62.12)、对光纤激光器进行聚焦，使用光纤激光器对钛表面纳米管材料进行微区激光处理，引发微区烧蚀以构建微区纳米管结构形貌不同的骨齿科植入材料；
63.激光烧蚀的条件为：激光功率为2.4w，扫描速度80mm/s，扫描路径为周期性200μm间隔分布的条纹；
64.所述骨齿科植入材料由间隔分布条纹状的原始纳米管结构区域和烧蚀纳米管结构区域组成，原始纳米管结构区域和烧蚀纳米管结构区域的宽度为200μm。
65.本实施例中，激光烧蚀引起材料表面形貌变化。激光烧蚀微区的结构趋于平坦，与原始纳米管结构区域形成纳米管结构差异。
66.本实施例的骨齿科植入材料中原始纳米管结构区域与烧蚀纳米管结构区域相邻，相邻微区表面纳米结构存在差异。
67.上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。