2多孔的TiO2纳米管阵列的制备方法及应用附图说明" src="/d/file/p/2020/11-24/ea591235578ebc0f6c210bd439909e5e.gif" />
表面沉积有SiO2多孔的TiO2纳米管阵列的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及具有多级纳米孔结构的材料，具体涉及表面沉积有SiO2多孔的TiO2纳米管阵列的制备方法及其应用。
背景技术
人体自然组织所具有的优越力学和生物功能，源于其内部精细的微纳米结构，因此从仿生学角度出发，如能构造出这类复杂结构可能会实现更理想的生物活性。虽然目前已有多种方法可以在材料表面构建出有序纳米阵列结构，例如TiO2纳米管阵列，但在纳米尺度内缺乏梯度变化和更为精细的结构，限制了仿生材料的应用效果。
发明内容
本发明的目的在于提供表面沉积有SiO2多孔的TiO2纳米管阵列的制备方法及应用。
本发明提供的表面沉积有SiO2多孔的TiO2纳米管阵列的制备方法包括：采用油-水两相法在TiO2纳米管阵列上沉积SiO2多孔，所述油-水两相法中的油相为含有正硅酸乙酯TEOS的溶液，水相为含有十六烷基三甲基氯化铵CTAC的溶液，所述TiO2纳米管管径大于50nm。
进一步，所述TiO2纳米管管径大于等于80nm。具体可为80-100nm。
更进一步，所述SiO2多孔为介孔。
进一步，所述SiO2多孔的孔径为2-4nm。
进一步，方法包括将表面具有TiO2纳米管阵列的钛置于CTAC、三乙胺和水的混合液中，恒温条件下、搅拌过程中加入TEOS与环己烷混合液或TEOS与癸烷混合液反应，反应完后，经过干燥、焙烧处理得到表面沉积有SiO2多孔的TiO2纳米管阵列。
优选的，所述恒温温度为55-65℃。
优选的，所述干燥的适宜温度范围是55-65℃。
优选的，所述焙烧的适宜温度范围是490-510℃。
本发明制备的表面沉积有SiO2多孔的TiO2纳米管阵列可用于制备口腔种植体。
本发明在TiO2纳米管(Titanium nanotubes，TNT)表面进一步沉积二氧化硅纳(Mesoporous silica thin film，MSTF)，形成了多级纳米孔洞结构MSTF@TNT，使得生物学效果(具体是亲水性、细胞粘附性、接种细胞的活力、成骨基因的表达水平、细胞成骨分化特征)得到了进一步提升，具体如图1-14所示。且制备方法简单，均匀完整，可在种植体表面得到实际应用。
附图说明
图1(a)为钛片经氢氟酸酸蚀后形成的微米坑SEM图，代表了微米级形貌；(b)为TiO2纳米管SEM图，代表了尺度为100nm左右的纳米形貌；下面一栏(c)图为两幅图，分别为本发明的纳米管(沉积了4h后)的低倍和高倍SEM图，说明在钛基体表面形成多级纳米孔洞结构；
图2为实施例1制得材料上多孔(介孔)SiO2孔径分布图；图示说明说明材料表面孔径较为均一，孔径大小为3.74±0.98nm，为介孔范畴，从而说明其吸附或过滤效果具有更佳的特异性；
图3为本发明制备的多级纳米管阵列(MSTF@TNT)表面的ATR-FTIR结果；该图结果说明：在1080、793、473波数处的SiO2四面体的三个特征峰，证明了SiO2的生成；结合图1和2所示结果说明TiO2纳米管表面形成了由SiO2构成的孔径约4nm左右的次级纳米结构，该次级纳米结构又可叫介孔结构；
图4为MC3T3-E1细胞分别在TNT(a)和MSTF@TNT(b)表面培养1d后的粘附结果，该图结果说明：本发明制备的材料表面的细胞伸展更加明显，细胞粘附数量增多；
图5为不同试样表面水接触角测定结果，该图结果显示：纯钛(Puretitanium，PT)表面水接触角约37.75°，TNT为21.37°，而MSTF@TNT表面可以达到7.08°，且在一秒内可以迅速浸润整个表面，展现出超亲水性，*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001；
图6为MC3T3-E1细胞接种2h后共聚焦显微镜观察结果，该图结果说明：MSTF@TNT表面有更多的MC3T3-E1细胞粘附数量，证明了该表面可以促进成骨细胞早期粘附，标尺为200μm,*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001；
图7为使用CCK8法鉴定细胞接种1d和3d后活力水平，图示结果说明：MSTF@TNT表面在各时间节点均表现出最高的细胞活力，*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001；
图8细胞接种3d、7d时不同试样表面成骨相关基因的表达水平，图示结果说明：对于四种最常见的成骨相关基因ALP、RUNX2、OPN和OCN，MSTF@TNT在不同时间的表达水平基本都显著的高于对照组，*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001；
图9为ALP染色和茜素红染色结果，图示结果显示：MSTF@TNT表面ALP染色及茜素红染色均更深，提示MSTF@TNT表面碱性磷酸酶活性更强，细胞外钙沉积更明显，这意味着其表面细胞成骨分化更为明显。
图10a和b分别为对比例小管径TiO2纳米管(30nm)阵列表面的低倍和高倍结果图；
图11a和b分别是实施例2中以癸烷为油相组分条件下所合成的多级纳米孔洞结构低倍和高倍结果图；
图12为实施例2所合成材料上多孔SiO2薄膜孔径分布；
图13a和b分别为实施例3所合成的多级纳米孔洞结构低倍和高倍结果图；
图14为实施例3所合成材料上多孔SiO2薄膜孔径分布。
具体实施方式
本发明采用油-水两相法，以含有正硅酸乙酯TEOS(硅源：反应过程中提供硅元素)的溶液为油相、含有十六烷基三甲基氯化铵CTAC(模板剂：反应过程中起多孔、介孔结构合成导向作用)的溶液为水相在大管径(＞50nm)TiO2纳米管阵列表面反应，并经干燥、焙烧制得表面沉积有SiO2多孔结构的多级纳米管结构。本发明的制备方法可将小孔级纳米结构与大孔级纳米结构结合在一起，构建出多级纳米孔结构。
所述含有正硅酸乙酯TEOS的溶液和含有十六烷基三甲基氯化铵CTAC的溶液各自溶剂的组成以能够实现本发明的目的为准。具体示例，可采用CTAC、三乙胺和水混合液作为水相，其中三乙胺提供但不限于碱性催化环境，且三乙胺毒副作用小，水作为稀释剂。正硅酸乙酯TEOS和环己烷的混合液为油相，其中环己烷作为但不限于油水两相法中油相的构成组分，并对胶束起到一定膨胀作用，其可以替换为癸烷或其他碳烷。
本发明工艺过程中干燥的目的但不限于去除反应后材料表面的溶剂，也可在干燥前先进行清洗，以充分去除材料表面溶剂，干燥过程可选择但不限于在烘箱中进行。其中焙烧温度高于或远高于干燥时的温度，可选择但不限于在马弗炉中进行。
需要解释说明的是，以本发明提供的反应物质，在本发明所限定的条件下制备材料，合理的物料用量均在本发明的保护范围内。
为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
实施例：
(1)将7.5mlCTAC(25wt％水溶液)、0.09mlTEA和17.5ml去离子水混合，获得水相溶液；将1.275mlTEOS溶于7.225ml环己烷中制得油相溶液；
(2)将表面具有TiO2纳米管阵列的钛片放入水相溶液中，在60℃左右条件下搅拌约1h，转速为800rpm左右；搅拌过程中给逐滴加入油相溶液，保持原温度和转速继续反应约4h；该实施例的TiO2纳米管阵列的管径为80-100nm、管长约为300nm、钛片大小为10mm×10mm×0.5mm；
(3)反应结束后用去离子水、无水乙醇冲洗，之后置于60℃左右烘箱中干燥约1h；再接着将干燥处理后的钛片放入马弗炉(该实施例用南阳市鑫宇新材料科技有限公司生产的SX2-1-12TP箱式马弗炉)中，以1℃/min的速度缓慢升温至500℃左右并维持约3h，再程序降温至室温后取出。
对最终获得材料进行电镜检测、孔径分布、ATR-FTIR分析、材料表面MC3T3-E1细胞培养试验、亲水性测试、材料表面细胞活力测试、材料表面成骨基因表达水平分析、ALP染色和茜素红染色分析，所得结果如图1-9。
其中：
场发射扫描电镜、亲水性测试和成骨基因表达水平分析采用文献“赵领洲.TiO2纳米管抗菌与生物活性双功能种植体涂层的构建与评价[D].第四军医大学,2011.”中公开的相关方法。
孔径分布利用ImageJ软件中距离测量模块，在多孔(介孔)SiO2电镜图(图1C的高倍图)中随机选取100个位点，手动测量孔径，在导入Origin8.0软件对孔径分布作频率分布直方图，并采用高斯拟合，拟合优度(校正R2)为0.9687，拟合程度高(＞0.9)，可以认为该孔径分布符合高斯分布，即正态分布。
MC3T3-E1细胞培养实验采用文献“米丽沛.基于原子力显微镜的成骨细胞力学性能的研究[D].天津大学,2018.”中公开的相关方法；
ATR-FTIR分析采用文献“华子乐.二氧化硅有序介孔的制备与表征[D].上海:中国科学院上海硅酸盐研究所,2002.”中公开的相关方法。
材料表面细胞活力测试和茜素红染色分析采用文献“王薇.种植体微纳米形貌对成骨细胞行为影响的分子机制研究[D].第四军医大学,2013.”中公开的相关方法。
ALP染色采用碧云天BCIP/NBT碱性磷酸酯酶显色试剂盒，具体方法参考相关试剂盒说明书。
对比例：
与实施例1不同的是，该实施例的TiO2纳米管阵列的管径为10-30nm，所制备产品的电镜图如图10所示。与实施例1相比，该实施例制得的材料表面未见明显的SiO2多孔(或介孔)结构。
实施例2：
与实施例1不同的是，该实施例将环己烷替换为癸烷。该实施例制备的钛片表面的电镜分析图如图11所示，与实施例1所得材料表面相比未见明显差别，孔径为2.9±0.64nm，图12所示。
实施例3：
与实施例2不同的是，该实施例将TEOS/环己烷用量体积比由15％降低为5％。该实施例制备的钛片表面的电镜分析图如图13所示，孔径大小为2.71±0.56nm，如图14所示。
