CN113117157A - 表面生物功能化的医用骨螺钉及其制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明为一种表面生物功能化的医用骨螺钉及其制备方法及其应用，主要解决现有骨固定螺钉组织相容性不够好、生物密封性能较差的问题，该医用骨螺钉包括金属螺钉本体，以螺钉本体的金属表面为基底，在所述基底表面沉积有聚多巴胺涂层作为中间层，在聚多巴胺涂层表面通过化学键接有生物活性分子作为功能化修饰层。通过动物实验结果表明，生物功能化改性后的骨螺钉与未改性螺钉相比，在减弱组织炎症反应，促进新生血管形成，增强骨整合，提高生物密封性能方面具有显著优势，有望作为新一代植入式医疗器械在植入式假肢、骨移植、关节融合、关节固定、矫形等手术当中得到广泛应用。

Description

表面生物功能化的医用骨螺钉及其制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及生物医疗技术领域，具体涉及一种表面生物功能化的医用骨螺钉及其制备方法及其应用。

背景技术

在外科临床中，对骨折和骨修复等疾病的治疗多采用骨移植、关节融合、关节固定、矫形等手术，手术中通常采用固定的方法。目前，应用于临床骨折内固定多采用金属固定螺钉(不锈钢材料、钛合金材料等)，此类金属固定螺钉具有较高的力学性能同时也具有相对较好的生物相容性。但是骨螺钉作为一种经皮器械，即通过穿透皮肤屏障将外部环境与身体的内部结构相连接的器械，存在经皮密封的问题。当异物进入生物体时，活体能够以多种方式来适应其存在。细胞机制被激活，在许多情况下最终会导致植入物被纤维组织包裹。这种纤维囊包裹可以促进多种材料的永久保留，例如纹身颜料，不可吸收的缝合线和人工骨科植入物。对于经皮植入物，其经皮部分在皮肤处形成一个永久性的创口，破坏了皮肤的连续性，而表皮对植入物穿透部分的包封最终将导致其挤出，这些修复机制对于获得稳定的经皮植入物而言都是不利的。

对于骨固定螺钉而言，其与皮肤及皮下软组织的结合是至关重要的，也是最难实现的。经皮植入物-皮肤连接处最常见的几种失败模式是囊袋化、整体迁移、感染以及撕裂。单个或多个病理因素的组合可能是导致这些失败模式的原因。这些因素可能是外科手术在穿透的外来植入物周围造成的皮肤缺陷，阻止植入物-皮肤界面形成合适的密封的表皮愈合特性以及可能破坏皮肤密封界面的机械力。最终，经皮界面被感染，植入物被排出或被迫移除。

囊袋化、整体迁移、感染以及撕裂具体如下：

1)囊袋化(Marsupialization)：骨固定螺钉植入后，表皮切口边缘的基底膜细胞立即增殖并向植入物迁移，然而表面的一层结缔组织使得它们无法在焦痂上迁移以接触植入物材料。于是，基底细胞穿透组织，在其下方留下充分灌注的具有主要的炎性细胞类型的结缔组织或在其上方留下肉芽组织的不太重要的成分。因此，它们永远不会到达植入物表面，而是沿着平行于植入物的方向向下迁移到真皮和皮下组织，始终在上方留下较少的存活组织，而在下方留下健康的、存活的组织。这种行为一直持续到表皮前缘在植入物底部汇合为止，最终结果是植入物被表皮包围，也就是形成了囊袋。

2)整体迁移(Permigration)：为了避免囊袋化，许多研究者提出使用具有多孔表面的植入物。该设想认为，多孔表面将允许表皮细胞和真皮成分迁移到表面的孔隙中，从而形成对细菌和液体的密封，从而形成对植入物的牢固固定。为了确定最佳孔径，研究者们进行了许多的研究。Winter等人发现，结缔组织浸润仅发生在大于40μm的孔中，当孔径在10-40μm之间时，只有单个细胞(主要是成纤维细胞)迁移到孔中并沉积胶原蛋白。Daly的研究则表明成纤维细胞迁移到小孔深处后无法存活，这显然是由于缺乏营养所致，并且孔中最终充满了细胞碎屑。当孔径大于40μm时，结缔组织将很快填满这些孔。

von Recum发现，在兔子和狗中，表皮基底细胞迁移进涤纶丝绒植入物中，在10-20d内即可穿透2mm深的厚度，类似的结果也在Winter等人的动物实验中被报道。这种表皮基底细胞连同结缔组织一起长入孔隙内部的现象称为整体迁移，表皮细胞在植入物孔隙内的成熟和进一步增殖导致了上皮的整体迁移，最终将导致植入物的失败。

3)感染(Infection)：当发生感染时，光滑或多孔植入物表面的组织学反应相似。与被感染的植入物相接触的真皮和下层组织会形成一个很厚的粒状组织包囊，该包囊被大量的急性炎症细胞浸润，主要是多形核粒细胞。伤口边缘的表皮细胞不再增殖，并且也不会生长并贴附于植入物表面。在这种情况下，表皮密封永远不会发生，包囊内的炎症细胞也无法有效应对感染，最终将导致植入物被挤出。

4)撕裂(Avulsion)：由于穿经皮肤，骨固定螺钉受到直接或间接通过皮肤传递的机械刺激，尤其是当其用作承重部位时(如人造下假肢)，所受到的机械刺激更是不可忽视。通常认为这种刺激会产生机械界面应力，从而导致骨固定螺钉-皮肤界面处的组织被破坏，最终造成植入物的失效。

5)以上几种模式的综合：对于大多数情况而言，骨固定螺钉的失效往往是以上几种模式的综合。无论是囊袋化还是整体迁移，都会阻止皮肤和植入物之间形成永久的经皮密封，最终导致植入物的挤出。如果使用的植入物材料的生物相容性欠佳，则会抑制界面处结缔组织的成熟，牢固的机械连接永远不会建立起来。加之始终存在的机械应力会破坏薄弱的界面组织连接，使得经皮密封无法实现。植入物-皮肤界面的破坏则进一步为感染提供了机会，并导致界面结合处组织的快速、彻底破坏，所有的这些终将导致植入物的失效。

专利CN104887305B公开了一种接骨螺钉，其结构包括钉杆和螺帽，所述钉杆包括光杆段和螺杆段，在所述光杆段的外围圆周面上复合有可降解材料层。所述钉杆和所述螺帽由金属材料制成；所述可降解材料层由聚乳酸、聚乙醇酸、聚三亚甲基碳酸酯、聚二噁烷酮或聚ε-己内酯类的单一材料或上述材料的共聚物制成。但这一类可降解涂层在降解的过程中有可能会产生酸性代谢产物，当其在体内富集无法在短时间内被完全代谢的话，这种过酸的环境容易引起无菌性炎症，从而最终影响到植入材料与人体组织的生物密封特性，造成植入失效。

专利CN102000658A公开了一种基于聚多巴胺的生物功能化改性方法。将洁净的无机/金属材料浸泡在pH为7.2～10的多巴胺碱性水溶液，其间通入氧气使其充分氧化获得单层聚多巴胺修饰层，干燥后将材料置于空气气氛中在50-200℃热氧化处理，获得多层结合牢固的具有高反应活性的聚多巴胺层。处理后的材料浸入含氨基或巯基的生物功能分子的溶液中，在材料表面获得牢固结合的生物功能仿生修饰层。虽然这种表面改性的思路与本发明类似，然而在其发明中，并未具体涉及在哪一种器械的具体应用，在其工艺中，聚多巴胺涂层的厚度也并说明是否得到很好的控制，关于化学键接的生物大分子的选择也并未强调与组织相容性和生物密封相关，也未提供与骨螺钉等经皮植入式医疗器械相关的生物学验证结果。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有骨固定螺钉组织相容性不好、生物密封性能较差的问题而提供一种表面生物功能化的骨固定螺钉，通过对传统的金属骨螺钉进行表面功能化改性使其具有良好的生物相容性，并且能够进一步促进组织与器械的融合从而实现生物密封的效果。这种新型表面生物功能化医用骨螺钉制备方法相对简单，涂层修饰十分稳定，有利于实现长期的体内植入。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种表面生物功能化的医用骨螺钉，包括金属螺钉本体，以螺钉本体的金属表面为基底，在所述基底表面沉积有聚多巴胺涂层作为中间层，在聚多巴胺涂层表面通过化学键接有生物活性分子作为功能化修饰层。

优选地，所述的生物活性分子包括胶原蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、细胞生长因子、纤维蛋白或纤维蛋白原中的一种或多种，本发明所选定的上述生物活性分子，其蛋白结构中均含有例如RGD等利于细胞黏附的多肽序列，能够促进表皮细胞和成纤维细胞等在其表面黏附和增殖，从而促进经皮骨螺钉植入后在短时间内实现组织修复和伤口愈合，提高骨螺钉的生物密封效果。

优选地，所述的聚多巴胺涂层厚度在1-20nm，涂层修饰的范围为从螺钉本体底部至顶部70-100％的区域。当聚多巴胺涂层过薄时，会造成基底表面修饰不充分，从而影响后续化学修饰的生物活性分子在骨螺钉表面结合的密度，从而不利于诱导组织细胞迅速在螺钉表面黏附增殖；而当聚多巴胺涂层过厚时，由于聚多巴胺与聚多巴胺之间仅靠分子堆积形成的分子间相互作用较弱，使化学修饰生物活性分子的表层聚多巴胺易从聚多巴胺堆积层中剥落，从而影响到了生物活性分子的结合强度，不利于最终形成稳定的生物密封界面。

优选地，所述螺钉本体包括螺杆和下部螺纹结构，螺杆的末端存在倒角，所述螺钉本体为医用金属合金。

优选地，所述的医用金属合金材质包括钛及钛合金、镁合金、镍钛合金、不锈钢、钴基合金、贵金属、钽、铌、锆中的一种或多种组成。

优选地，所述的钛及钛合金由纯钛、Ti-Al-V系合金、Ti-Nb-Zr系合金、Ti-Al-Fe系合金、Ti-Al-Nb系合金、Ti-Zr-Nb-Ta-Pd系合金、Ti-Al-Mo-Zr系合金中的一种或多种组成。

优选地，所述的镁合金由Mg-Ca系合金、Mg-Sn-Mn系合金或Mg-Sn-Mn-Zn系合金中的一种或多种组成。

优选地，表面生物功能化医用骨固定螺钉的直径的范围为0.5-3mm，螺杆长度的范围在10-50mm，螺纹长度的范围为1-10mm。

一种表面生物功能化的医用骨螺钉的制备方法，包含以下步骤：

1)将加工好的螺钉本体进行磨抛预处理、清洗表面；

2)将所得的螺钉本体浸于多巴胺水溶液中反应，之后取出清洗、干燥表面，使金属材质的骨螺钉表面形成聚多巴胺涂层；

3)将得到的表面修饰有聚多巴胺涂层的骨螺钉浸泡于生物活性分子溶液中，利用希夫碱反应和/或迈克尔加成反应将所要修饰的生物活性分子固定于聚多巴胺涂层表面，低温孵育；

4)孵育结束后分别用磷酸盐缓冲液或生理盐水、超纯水清洗材料表面以去除连接不稳定的生物活性分子，最终得到稳定的生物活性分子涂层。

本发明表面生物功能化的医用骨螺钉应用于对骨折和/或骨修复疾病的治疗和手术，包括植入式假肢、骨移植、关节融合、关节固定、矫形。

本发明提供的表面生物功能化医用骨固定螺钉，可用于人或动物的骨移植、关节融合、关节固定、矫形等手术。

本发明所提供的表面生物功能化骨螺钉，首次将传统的医用骨固定螺钉利用生物活性分子进行表面改性，使软组织的炎症反应以及纤维囊袋化方面显著减弱，新生血管组织的数量显著增加，因此这种改性后的表面生物功能化医用骨固定螺钉在促进骨组织融合和实现生物密封性能方面相较于传统的金属器械有了巨大的提升。

另一方面，本发明所设计的表面生物功能化骨螺钉的制备方法也并不复杂，仅仅是在传统的裸金属骨螺钉的基础进行表面生物功能化改性，而这种改性的尺度也只是集中在分子层面，涂层整体厚度也有几个纳米，并不影响器械本身的机械性质从而不改变其应用场景。

此外，改性过程也十分简便快速，在现有的表面改性方法中更加强调步骤的可靠性和必要性，只经过聚多巴胺水溶液和生物分子溶液浸泡处理即可完成改性过程，将改性的时间大幅度缩短，而通过贻贝仿生和化学键接的方式得到的生物活性分子涂层的稳定性也相对较高，使其在长期使用的过程中生物分子不易从器械表面剥落。在整个制备过程中不涉及复杂的仪器设备，也不需要使用有毒的有机溶剂，工艺简单，条件温和，绿色环保。

本发明表面改性方法采用稳定的聚多巴胺修饰涂层，对于长期植入式骨螺钉更为适用，本发明将聚多巴胺表面改性技术与植入式医疗器械经皮密封这一具体应用领域密切结合，探索出适用于经皮植入骨螺钉最佳的表面改性工艺，实验结果表明，本发明具有明显的创新性。本发明所设计的这一新型表面生物功能化医用骨固定螺钉有望在长期植入式医疗器械领域取代传统的裸金属骨固定螺钉。

附图说明

图1为本发明所设计的表面生物功能化医用骨固定螺钉的示意图；

其中，1为螺杆，2为螺钉，3为表面生物功能化涂层；

图2在SD大鼠中经皮植入金属螺钉并通过软组织进行生物修复，其中：

图2(A)为表面改性与未改性的螺钉的整体视图，以及带螺纹部件的典型SEM图像；

图2(B)为手术后的X射线图像，切片方向和切片示意图；

图2(C)为5个月时Ti和Ti-PDA-Fg的H&E染色组织切片的组织学图像，以及表皮向下生长的距离(n＝4)，以量化经皮植入后软组织的生物愈合功效；

图3(A)为持续时间为5个月的植入实验时SD大鼠在指定时间点的植入物和伤口的照片；

图3(B)为所示植入物的留存的数量与植入时间的关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明表面生物功能化医用骨固定螺钉制备技术路线为以医用金属及其合金材质的骨螺钉表面为基底，在基底表面沉积聚多巴胺涂层作为中间层，在聚多巴胺涂层表面利用希夫碱反应和迈克尔加成反应化学键接有生物分子作为功能化修饰层，共同构成表面生物功能化修饰的骨螺钉。

其具体的操作过程如下：

1)首先按照传统的金属加工方式将医用金属及其合金材质的棒材根据所需的骨螺钉尺寸要求加工成如图1所示的特定形状；

2)利用磨抛机将金属螺钉进行磨抛预处理、清洗表面；

3)将(2)中的金属螺钉浸于多巴胺水溶液中反应，之后取出清洗、干燥表面，使金属材质的骨螺钉表面形成聚多巴胺涂层；

4)之后，将(3)中得到的表面修饰聚多巴胺涂层的骨螺钉浸泡于生物活性分子溶液中，利用希夫碱反应和/或迈克尔加成反应将所要修饰的生物活性分子固定在聚多巴胺涂层表面，低温孵育；

5)孵育结束后分别用磷酸盐缓冲液(PBS)、超纯水清洗材料表面以去除连接不稳定的生物活性分子，最终得到稳定的生物活性分子涂层。

作为优选的实施方式，表面生物功能化医用骨固定螺钉，其基体材料为常用的医用金属及其合金，包括钛及钛合金，镁合金，镍钛合金，不锈钢，钴基合金，贵金属，纯金属(钽、铌、锆)中的一种或多种。

作为优选的实施方式，表面生物功能化医用骨固定螺钉的形状特征由螺杆，螺纹以及表面修饰的涂层三部分组成。

作为优选的实施方式，表面生物功能化医用骨固定螺钉的表面涂层厚度的范围在1-20nm，涂层修饰的范围为从螺纹底部至顶部70-100％的区域。

作为优选的实施方式，表面生物功能化医用骨固定螺钉的直径的范围为0.5-3mm，螺杆长度的范围在10-50mm，螺纹长度的范围为1-10mm。

作为优选的实施方式，生物活性分子包括胶原蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、细胞生长因子、纤维蛋白或纤维蛋白原中的一种或多种。

作为优选的实施方式，步骤(2)磨抛预处理包括粗磨、细磨、粗抛和细抛，粗磨于300～400目碳化硅砂纸上进行，细磨于800～1200目碳化硅砂纸上进行，粗抛于TexMet P抛光布上使用3～4μm粒径MetaDi金刚石抛光液进行，细抛于Microcloth抛光布上使用0.5～1μm粒径MasterMet二氧化硅悬浮抛光液进行。

作为优选的实施方式，步骤(3)多巴胺水溶液浓度为1～5mg/mL，pH在8.0～9.0之间，另加5～10mM Tris-HCl缓冲液，将骨螺钉浸于多巴胺水溶液中，在室温下在室温下磁力搅拌6～24小时。

作为优选的实施方式，步骤(4)所述生物分子溶液的浓度为0.1～1mg/mL，于0～10℃下静置24～48小时。

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合具体实施例，对本发明表面生物功能化医用骨固定螺钉作具体阐述。下述实施例中，采用的所有化学试剂，除特别注明，均为分析纯，且无需任何处理；反应温度单位为℃。

实施例1

实施例1中表面生物功能化修饰的骨固定螺钉制备过程包括以下步骤：

步骤一

将钛铝钒合金棒材利用精密数控车床制备成为直径1.6mm，螺杆长度16mm，螺纹长度为4mm，螺纹深度为0.2mm，末端45度倒角的骨固定螺钉。

步骤二

将步骤一得到的骨固定螺钉于金相磨抛机上，用320目的碳化硅砂纸打磨1分钟，然后在1000目的碳化硅砂纸上打磨1分钟。打磨时磨抛机的转速为300转/分钟。随后使用3.5μm粒径MetaDi金刚石抛光液，将材料于TexMet P抛光布上抛光8分钟，然后使用0.5μm粒径MasterMet二氧化硅悬浮抛光液，将材料于Microcloth抛光布上抛光8分钟。抛光时磨抛机的转速为600转/分钟。随后材料依次经丙酮、乙醇和超纯水超声清洗各2次，每次5分钟。

步骤三

将步骤二所得的骨固定螺钉浸于浓度为2mg/ml的多巴胺溶液中，溶液中盐酸-三羟甲基氨基甲烷(Tris-HCl)缓冲溶液浓度为10mM，pH值为8.5，室温磁力搅拌下静置12h。反应结束后取出样品，用超纯水清洗3次，用氮气枪干燥表面，得到表面沉积了聚多巴胺涂层的钛。

步骤四

将步骤三中得到的表面修饰聚多巴胺涂层的骨螺钉浸泡于所修饰的浓度为0.1mg/mL纤维蛋白原溶液中，利用希夫碱反应和迈克尔加成反应将所要修饰的生物活性分子固定在聚多巴胺涂层表面，于4℃下静置24h进行孵育。孵育结束后取出样品，用超纯水清洗3次，每次5分钟，用氮气枪干燥表面，得到表面生物功能化的骨固定螺钉，密封保存于4℃冰箱。

实施例2

实施例2中表面生物功能化骨固定螺钉制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

本实施例所选用的骨螺钉材质为纯钛。

本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为5mg/mL，溶液pH值为8.4。

本实施例的步骤四中，纤维蛋白原溶液的浓度为0.5mg/mL。

实施例3

实施例3中表面生物功能化修饰的钛制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

本实施例所选用的骨螺钉材质为镍钛合金。

本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为1mg/mL，溶液pH值为8.6，材料静置于多巴胺溶液的时间为24小时。

本实施例的步骤四中，所用生物分子为0.1mg/mL成纤维细胞生长因子溶液，静置时间为48小时。

实施例4

实施例4中的表面生物功能化修饰的钛类金属制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

本实施例所选用的骨螺钉材质为不锈钢。

本实施例的步骤二中，用320目的碳化硅砂纸打磨时间为1.5分钟，用1000目的碳化硅砂纸打磨时间为1.5分钟，于TexMet P抛光布上抛光时间为7.5分钟，于Microcloth抛光布上抛光时间为7.5分钟。

本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为3mg/mL，pH值为8.8，静置时间为8小时。

本实施例的步骤四中，所用生物分子为0.2mg/mL纤维蛋白溶液，静置时间为36小时。

实施例5

实施例5中的表面生物功能化修饰的钛类金属制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

本实施例所选用的骨螺钉材质为钴基合金。

本实施例的步骤一中，用320目的碳化硅砂纸打磨时间为2分钟，用1000目的碳化硅砂纸打磨时间为2分钟。于TexMet P抛光布上抛光时间为7.5分钟，于Microcloth抛光布上抛光时间为7.5分钟。

本实施例的步骤二中，氢氧化钠浓度为30g/L，过氧化氢浓度为40g/L，碱热处理时间为10分钟。

本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为2.5mg/mL，pH值为8.2，静置时间为24小时。

本实施例的步骤四中，所用生物分子溶液为0.1mg/mL的层粘连蛋白溶液。

实施例6

实施例6中表面生物功能化修饰的钛类金属制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

本实施例所用的骨螺钉材质为镁合金。

本实施例的步骤一中，用320目的碳化硅砂纸打磨时间为2分钟，用1000目的碳化硅砂纸打磨时间为2分钟。

本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为2.5mg/mL，pH值为8.6，静置时间为18小时。

本实施例的步骤四中，所用生物分子溶液为0.2mg/mL的纤连蛋白溶液。

实施例7

实施例7中表面生物功能化修饰的钛类金属制备过程与实施例1中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

本实施例所用的骨螺钉材质为锆钛合金。

本实施例的步骤三中，多巴胺溶液的浓度为1.5mg/mL，静置时间为18小时。

本实施例的步骤四中，所用生物分子溶液为0.1mg/mL的胶原蛋白溶液。

实施例1～7的作用与效果

根据本发明所设计的表面生物功能化医用骨固定螺钉，首次将传统的医用骨固定螺钉利用生物活性分子进行表面改性，使软组织的炎症反应以及纤维囊袋化方面显著减弱，新生血管组织的数量显著增加，因此这种改性后的表面生物功能化医用骨固定螺钉在促进骨组织融合和实现生物密封性能方面相较于传统的金属器械有了明显的提升。为了验证上述的结论，发明人设计了如下动物实验对所设计的表面生物功能化医用骨固定螺钉进行验证。

实验一：

本实验选用实施例1所述的钛铝钒合金材质的骨固定螺钉进行动物植入实验，骨固定螺钉长20mm，直径为1.6mm，其中螺纹部分的长度为4mm，实验组为表面有成纤维蛋白原修饰的生物功能化涂层，对照组为未经修饰的纯金属骨固定螺钉，实物如图2(A)所示；

本实验中，所选用的动物实验模型动物为八到十二周龄的雄性SD大鼠，体重为300至330g。手术前，将动物饲养2周以使其适应环境。在全身麻醉的标准无菌条件下，以45mg/kg 2％(w/v)的戊巴比妥钠进行手术。剃除胫骨部位的毛发，并用10％的聚维酮碘进行消毒。用手术刀刺穿胫骨干骺端的皮肤直至骨表面，接着用直径为1.4mm的钻头在距膝关节8mm处钻一个孔，该孔垂直于骨表面并穿透对侧皮质骨。最后，将植入物拧入钻孔并固定到胫骨的双侧皮质。对于每只实验大鼠，其左胫骨和右胫骨上各有一个钛钉，其尾端从皮肤表面突出，如图2(B)所示。

手术后，所有伤口和植入物均已消毒。将大鼠置于保温垫上直至苏醒。然后将动物分笼饲养，可以自由享用水和食物。手术后每天一次腹腔注射青霉素(100mg/kg)，连续7天。为了观察植入后新骨生成情况，应用了荧光双标染色技术。在处死大鼠之前的第4天和第14天，分别肌肉注射钙黄绿素(5mg/kg)和茜素红S(75mg/kg)。

实验结果表明，聚多巴胺-纤维蛋白原修饰的钛合金材质骨固定螺钉的软组织反应相对于未修饰骨螺钉显著减弱了。而且，随着纤维蛋白原的修饰，新生血管的数量也显著增加。因此，通过纤维蛋白原的共价修饰大大提高了钛合金材质骨螺钉的组织相容性。与未修饰的对照组相比，聚多巴胺-纤维蛋白原修饰的钛合金材质骨固定螺钉组的上皮下行的程度显著降低。因此，由聚多巴胺涂层介导的纤维蛋白原功能化的钛植入物可有效减少上皮下行，并在促进生物密封中发挥重要作用，如图2(C)所示。聚多巴胺-纤维蛋白原修饰的钛合金材质骨固定螺钉组的矿物沉积速率在1个月和5个月时均显著高于未修饰组，表明在纤维蛋白原共价修饰后，骨再生得到了极大的促进。骨内植入物部分的成功整合可以为经皮组件提供强大的支撑，并减少皮肤与植入物界面处的应力，从而提高经皮植入物的稳定性，植入部位的伤口恢复情况也较好，如图3(A)所示。此外，通过统计植入物留存情况发现，经过生物功能化涂层改性过的骨螺钉具有最佳的植入物留存率，如图3(B)所示。

实验二：

本实验中关于表面生物功能化骨固定螺钉的动物实验验证的操作过程与实实验一中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

在本实验中，所选用的骨螺钉材质为纯钛。

在本实验中，所选用的动物实验模型动物为豚鼠。

在本实验中，所选用的生物活性分子为纤维蛋白。

实验结果表明，与未改性的裸钛金属螺钉相比，改性后的表面生物功能化医用骨固定螺钉在促进豚鼠的骨组织融合和降低植入部位炎症反应方面具有优异的性能。

实验三：

本实验中关于表面生物功能化骨固定螺钉的动物实验验证的操作过程与实实验一中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

在本实验中，所选用的骨螺钉材质为镍钛合金。

在本实验中，所选用的动物实验模型动物为家兔。

在本实验中，所选用的生物活性分子为粘连蛋白。

在本实验中，骨螺钉直径为2mm，螺杆长度为30mm。

实验结果表明，与未改性的裸钛镍钛合金骨螺钉相比，改性后的表面生物功能化医用骨固定螺钉在促进家兔的骨组织融合和实现生物密封性能方面具有优异的性能。

实验四：

本实验中关于表面生物功能化骨固定螺钉的动物实验验证的操作过程与实实验一中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

在本实验中，所选用的骨螺钉材质为镁合金。

在本实验中，所选用的动物实验模型动物为Wistar大鼠。

在本实验中，所选用的生物活性分子为粘连蛋白。

实验结果表明，与未改性的镁合金骨螺钉相比，改性后的表面生物功能化医用骨固定螺钉在促进Wistar大鼠的骨组织融合和提高螺钉植入稳定性方面具有优异的性能。

实验五：

本实验中关于表面生物功能化骨固定螺钉的动物实验验证的操作过程与实实验一中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

在本实验中，所选用的骨螺钉材质为不锈钢。

在本实验中，所选用的动物实验模型动物为柴犬。

在本实验中，所选用的生物活性分子为细胞生长因子。

在本实验中，所设计的骨螺钉直径为2.5mm，螺杆长度为40mm。

实验结果表明，与未改性的不锈钢骨螺钉相比，改性后的表面生物功能化医用骨固定螺钉在促进柴犬的骨组织融合和实现植入部位生物密封性能方面具有明显优异的性能。

实验六：

本实验中关于表面生物功能化骨固定螺钉的动物实验验证的操作过程与实实验一中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

在本实验中，所选用的骨螺钉材质为钴基合金。

在本实验中，所选用的动物实验模型动物为BALB/c小鼠。

在本实验中，所选用的生物活性分子为层粘连蛋白。

实验结果表明，与未改性的钴基合金骨螺钉相比，改性后的表面生物功能化医用骨固定螺钉在促进BALB/c小鼠骨组织融合和有效减弱上皮下行方面具有优异的性能。

实验七：

本实验中关于表面生物功能化骨固定螺钉的动物实验验证的操作过程与实实验一中相同的部分予以省略，仅对不同之处予以说明。

在本实验中，所选用的骨螺钉材质为锆钛合金。

在本实验中，所选用的动物实验模型动物为中华田园猫。

在本实验中，所选用的生物活性分子为纤维蛋白与成纤维蛋白原摩尔数1：1混合的两种生物活性分子。

在本实验中，所设计的骨螺钉直径为2mm，长度为35mm。

实验结果表明，与未改性的锆钛合金骨螺钉相比，改性后的表面生物功能化医用骨固定螺钉在促进中华田园猫的骨组织融合和加速新骨形成方面具有优异的性能。

综上所述，本发明所设计的表面生物功能化骨固定螺钉在整个生物功能化修饰的过程中不涉及复杂的仪器设备，也不需要使用有毒的有机溶剂和交联剂，工艺简单，条件温和，绿色环保。此外，采用本发明所涉及的表面生物功能化修饰的骨固定螺钉还能够广泛应用于植入式假肢、骨移植、关节融合、关节固定、矫形等手术当中，所制备的生物功能化修饰层能够促进骨螺钉与软组织的生物密封，促进组织在材料周围的内皮化，具有很好的应用前景。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种表面生物功能化的医用骨螺钉，包括金属螺钉本体，其特征在于，以螺钉本体的金属表面为基底，在所述基底表面沉积有聚多巴胺涂层作为中间层，在聚多巴胺涂层表面通过化学键接有生物活性分子作为功能化修饰层；

所述的生物活性分子包括胶原蛋白、纤连蛋白、层粘连蛋白、细胞生长因子、纤维蛋白或纤维蛋白原中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的一种表面生物功能化的医用骨螺钉，其特征在于，所述的聚多巴胺涂层厚度在1-20nm，涂层修饰的范围为从螺钉本体底部至顶部70-100％的区域。

3.根据权利要求1所述的一种表面生物功能化的医用骨螺钉，其特征在于，所述螺钉本体包括螺杆和下部螺纹结构，螺杆的末端存在倒角，所述螺钉本体为医用金属合金。

4.根据权利要求3所述的一种表面生物功能化的医用骨螺钉，其特征在于，所述的医用金属合金材质包括钛及钛合金、镁合金、镍钛合金、不锈钢、钴基合金、贵金属、钽、铌、锆中的一种或多种组成。

5.根据权利要求1所述的一种表面生物功能化的医用骨螺钉，其特征在于，表面生物功能化医用骨固定螺钉的直径的范围为0.5-3mm，螺杆长度的范围在10-50mm，螺纹长度的范围为1-10mm。

6.如权利要求1所述的一种表面生物功能化的医用骨螺钉的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

1)将加工好的螺钉本体进行磨抛预处理、清洗表面；

2)将所得的螺钉本体浸于多巴胺水溶液中反应，之后取出清洗、干燥表面，使金属材质的骨螺钉表面形成聚多巴胺涂层；

3)将得到的表面修饰有聚多巴胺涂层的骨螺钉浸泡于生物活性分子溶液中，利用希夫碱反应和/或迈克尔加成反应将所要修饰的生物活性分子固定于聚多巴胺涂层表面，低温孵育；

4)孵育结束后分别用磷酸盐缓冲液或生理盐水、超纯水清洗材料表面以去除连接不稳定的生物活性分子，最终得到稳定的生物活性分子涂层。

7.根据权利要求6所述的一种表面生物功能化的医用骨螺钉的制备方法，其特征在于，多巴胺水溶液浓度为1～5mg/mL，pH在8.0～9.0之间，另加5～10mM Tris-HCl缓冲液，将螺钉本体浸于多巴胺水溶液中，在室温下磁力搅拌6～24小时。

8.根据权利要求7所述的一种表面生物功能化的医用骨螺钉的制备方法，其特征在于，所述生物活性分子溶液的浓度为0.1～1mg/mL，于0～10℃下静置24～48小时。

9.如权利要求1所述的一种表面生物功能化的医用骨螺钉的应用，其特征在于，表面生物功能化的医用骨螺钉应用于对骨折和/或骨修复疾病的治疗和手术，包括植入式假肢、骨移植、关节融合、关节固定、矫形。

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