用于鎂基醫(yī)用材料及器件的仿生多功能涂層及制備、用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)用材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于鎂基醫(yī)用材料及器件的仿生多功能涂層及制備、用途。
【背景技術(shù)】
[0002]鎂基材料由于其優(yōu)異的力學(xué)性能、可降解性能以及生物相容性，在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景。但是，鎂較快的降解速度極大地限制了其應(yīng)用，因此需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻娓男裕瑥亩环矫嫣岣咂淠透g性能，另一方面也能進(jìn)一步改善其生物相容性及其他功能特性。傳統(tǒng)的表面修飾方法如化學(xué)轉(zhuǎn)化膜法(氟化、磷酸化等)、陽(yáng)極氧化法等，對(duì)于鎂基體僅能起到有限的短期保護(hù)作用，隨著體液中氯離子的滲透進(jìn)攻使得保護(hù)膜層逐漸變?yōu)榭扇苄枣V鹽而溶解失效。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明這些傳統(tǒng)表面修飾層的生物相容性及血液相容性也有待提高。因此，在實(shí)現(xiàn)鎂及鎂合金醫(yī)療器件多功能化的基礎(chǔ)上同時(shí)提高其耐腐蝕性能，是一個(gè)亟待解決的技術(shù)難題。
[0003]采用可降解的帶負(fù)電荷的聚多巴胺膜修飾是一種新的對(duì)鎂及鎂合金進(jìn)行表面多功能化改性的方法。聚多巴胺表面化學(xué)是受到海洋生物貽貝利用其分泌的足絲蛋白在巨浪的沖刷下緊緊粘附于礁石和藻類(lèi)這一自然現(xiàn)象啟發(fā)而發(fā)展起來(lái)的表面修飾方法。研究表明，多巴胺是其足絲蛋白中發(fā)揮粘附功能的關(guān)鍵成分。多巴胺在堿性環(huán)境下易被氧化，通過(guò)自聚合反應(yīng)形成聚多巴胺，并可在多種基底材料上自發(fā)形成涂層。聚多巴胺層由于酚羥基的存在，在生理PH值(pH = 7.4)下帶負(fù)電荷。初步的體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)已證明聚多巴胺具有良好的生物相容性以及通過(guò)氧自由基誘導(dǎo)的體內(nèi)可降解性。目前，在材料表面修飾聚多巴胺層主要采取的方法是將基體材料浸入在多巴胺溶液中，美國(guó)專(zhuān)利20080149566及中國(guó)專(zhuān)利CN102000658通過(guò)多巴胺在微堿性水溶液中的自聚合反應(yīng)在材料表面制備聚多巴胺層的方法。但是，對(duì)于在水溶液中易腐蝕的材料如鎂及鎂合金來(lái)說(shuō)，該水溶液環(huán)境下的制備方法會(huì)同時(shí)引發(fā)基體鎂材料的降解，并且導(dǎo)致制備的膜層有明顯缺陷，從而影響材料及醫(yī)用器件應(yīng)用時(shí)的耐腐蝕性能，達(dá)不到理想的表面修飾、改性效果。
[0004]申請(qǐng)?zhí)枮?01310647164.9的專(zhuān)利“鎂合金表面鍵合羧甲基殼聚糖生物活性分子的方法”其中一個(gè)步驟公開(kāi)了在鎂合金表面沉積聚多巴胺薄膜層，然而該專(zhuān)利文獻(xiàn)中，I)聚多巴胺層是用以填充MgO耐腐蝕涂層的大量微孔，來(lái)改進(jìn)制備的MgO涂層表面粗糙多孔、有裂痕的缺陷；2)聚多巴胺層的制備方法為“用0.lmol/L NaOH水溶液調(diào)節(jié)2mg/mL鹽酸多巴胺的乙醇溶液的pH值為8.5，將鎂合金在該溶液中浸泡”，反應(yīng)環(huán)境含少量水及氯離子，因此可能會(huì)在長(zhǎng)時(shí)間浸泡中導(dǎo)致基體鎂的腐蝕發(fā)生；3)需進(jìn)一步鍵合羧甲基殼聚糖來(lái)提高細(xì)胞相容性；因此，其聚多巴胺層的制備除填充MgO耐腐蝕層的孔洞外，主要是用來(lái)鍵合羧甲基殼聚糖生物活性分子來(lái)提高生物相容性。因此，該專(zhuān)利同樣沒(méi)有真正解決耐腐蝕性。
[0005]因此，對(duì)于鎂基材料，有必要研究和采用新的制備方法和途徑來(lái)得到致密、完備的聚多巴胺膜層。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種用于鎂基醫(yī)用材料及器件的仿生多功能涂層及制備、用途。本發(fā)明是基于在有機(jī)溶劑環(huán)境中制備仿生聚多巴胺納米涂層對(duì)鎂及鎂合金器件進(jìn)行表面多功能化改性，具體是將多巴胺溶解在含有少量中強(qiáng)性堿催化劑的有機(jī)溶劑中，通過(guò)多巴胺的自聚合作用在鎂及鎂合金器件表面原位生長(zhǎng)制備致密、完備的納米級(jí)聚多巴胺薄膜的表面處理方法。本發(fā)明實(shí)質(zhì)上提供了一種通過(guò)靜電排斥作用這一新穎機(jī)理產(chǎn)生抗腐蝕效果的涂層。
[0007]本發(fā)明一方面利用聚多巴胺膜層在生理pH值下呈現(xiàn)的負(fù)電性、通過(guò)靜電排斥作用來(lái)阻礙氯離子的滲透進(jìn)攻，從而有效提高鎂及鎂合金材料及器件的耐腐蝕性能；另一方面通過(guò)聚多巴胺膜本身良好的生物相容性及抑制鎂過(guò)快降解的作用來(lái)改善組織細(xì)胞在鎂基材料表面的粘附、存活以及鋪展，從而提高鎂基材料短期及長(zhǎng)期的生物相容性。
[0008]此外，聚多巴胺層表面豐富的化學(xué)活性基團(tuán)還便于進(jìn)行二次功能化，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)材料及器件的抗菌、抗凝血等其他功能。基于以上諸多特點(diǎn)及效果，本發(fā)明是一種非常適合應(yīng)用于鎂基材料及醫(yī)用器件表面改性處理的新方法。
[0009]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0010]本發(fā)明涉及一種用于鎂基(鎂或鎂合金)醫(yī)用材料及器件的仿生多功能涂層，所述涂層是由包括如下步驟的方法制備而得:
[0011]S1、將堿性催化劑溶解于有機(jī)溶劑中形成無(wú)水溶劑A ;
[0012]S2、將多巴胺單體加入所述無(wú)水溶劑A中，形成多巴胺單體溶液；
[0013]S3、將鎂基醫(yī)用材料及器件浸漬在所述多巴胺單體溶液中，通過(guò)自聚合反應(yīng)原位生長(zhǎng)獲得聚多巴胺膜層，即所述仿生多功能涂層。
[0014]本發(fā)明通過(guò)浸提法在鎂及鎂合金材料及器件表面制備聚多巴胺膜層。該聚多巴胺膜在鎂基材料及器件表面可形成致密完備的膜層結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯缺陷。該聚多巴胺膜層與鎂及鎂合金基體的結(jié)合力> lOMPa，結(jié)合力強(qiáng)，體外降解實(shí)驗(yàn)中未見(jiàn)脫落或起泡。修飾該聚多巴胺膜層可顯著提高鎂及鎂合金基底的生物相容性，修飾所述涂層的鎂基樣品的多種組織細(xì)胞毒性在O級(jí)-1級(jí)間。修飾該聚多巴胺膜層還可顯著提高鎂及鎂合金基底的耐腐蝕性能，體外降解速率可減緩約60%?90%。
[0015]優(yōu)選的，步驟SI中，所述堿催化劑和有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為0.005: I?0.2: I。更優(yōu)選為0.03: I?0.1: 10
[0016]優(yōu)選的，所述堿催化劑選自氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、甲醇鈉、乙醇鉀、三乙胺、二乙胺；所述有機(jī)溶劑選自甲醇、乙醇、丙醇、四氫呋喃、乙二醇、乙酸乙酯。
[0017]優(yōu)選的，所述多巴胺單體溶液中多巴胺單體的濃度為0.5?10mg/mL。更優(yōu)選濃度為 I ?5mg/mL。
[0018]優(yōu)選的，所述多巴胺單體選自多巴胺、多巴胺鹽酸鹽、多巴胺溴酸鹽。
[0019]優(yōu)選的，所述浸漬為在空氣或氧氣氣氛中于4?40°C下恒溫浸入I?60小時(shí)。所述浸漬為多次浸漬，至獲得預(yù)設(shè)厚度的聚多巴胺膜層。具體操作時(shí)，是反復(fù)不斷浸入新配的所述溶液以得到不同厚度涂層。
[0020]優(yōu)選的，所述聚多巴胺膜層的厚度為5nm?I μπι。所述聚多巴胺膜在鎂基材料及器件表面可形成致密、完備的膜層結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯缺陷。
[0021]優(yōu)選的，步驟S3中，所述鎂基醫(yī)用材料及器件為純鎂金屬和Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Ca系、Mg-Mn系或Mg-RE系等未經(jīng)任何處理的裸金屬鎂合金系列合金以及經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鎂基醫(yī)用材料及器件；所述預(yù)處理包括氟化處理、磷酸化處理、陽(yáng)極氧化處理或微弧氧化處理。
[0022]優(yōu)選的，所述鎂基醫(yī)用材料及器件包括鎂基血管支架、骨釘、骨板、骨組織工程支架或神經(jīng)導(dǎo)管。
[0023]優(yōu)選的，步驟S3中還包括以所述聚多巴胺膜層為中間層，通過(guò)表面物化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)二次功能化修飾的步驟。所述二次功能化修飾包括肝素、納米銀等表面修飾。
[0024]本發(fā)明還涉及一種仿生多功能涂層在作為中間層用來(lái)嫁接肝素或納米銀中的用途。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0026](I)本發(fā)明的反應(yīng)溶液為含有堿性催化劑的有機(jī)溶劑，無(wú)水的反應(yīng)環(huán)境對(duì)鎂及鎂合金基體(包括經(jīng)過(guò)預(yù)處理的)沒(méi)有引起明顯的腐蝕作用，制備得到的聚多巴胺膜層完備、致密、均勻，在掃描電鏡下無(wú)明顯缺陷。
[0027](2)本發(fā)明制備的聚多巴胺膜結(jié)構(gòu)完整、與基體結(jié)合力強(qiáng)、涂層在生理pH條件下帶負(fù)電，因此可有效抑制體液中氯離子的滲透進(jìn)攻，極大降低鎂基體的降解腐蝕速率，對(duì)基體有顯著的保護(hù)作用。
[0028](3)本發(fā)明制備的聚多巴胺膜對(duì)初期時(shí)組織細(xì)胞在鎂及鎂合金表面(包括經(jīng)過(guò)預(yù)處理的)的粘附、存活及鋪展，以及長(zhǎng)期的細(xì)胞生長(zhǎng)增殖、功能表達(dá)也具有顯著的促進(jìn)作用。經(jīng)過(guò)聚多巴胺膜修飾后的鎂基材料的多種組織細(xì)胞毒性在I級(jí)-O級(jí)，滿(mǎn)足細(xì)胞相容性要求。
[0029](4)本發(fā)明的鎂及鎂合金表面的聚多巴胺膜由于具有化學(xué)活性官能團(tuán)可進(jìn)一步進(jìn)行修飾，從而獲得鎂及鎂合金醫(yī)療器件的二次功能化和多功能化。
[0030](5)本發(fā)明涂層制備方法簡(jiǎn)便、易行、高效。涂層原位生長(zhǎng)，因此可適用于形狀復(fù)雜的醫(yī)療器件。
[0031](6)本發(fā)明適用范圍廣，適用于目前所有的鎂及鎂合金裸金屬以及經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鎂及鎂合金材料。
【附圖說(shuō)明】
[0032]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0033]圖1為在未經(jīng)預(yù)處理處理的純Mg樣品表面制備聚多巴胺膜之后的表面XPS譜圖；其中，a表示未經(jīng)表面修飾的純鎂樣品，b為經(jīng)聚多巴胺修飾后的純鎂樣品；
[0034]圖2為使用不同制備方法在Mg-Nd-Zn-Zr合金表面修飾聚多巴胺膜后的SEM掃描顯微鏡圖；其中，(a)為按美國(guó)專(zhuān)利20080149566及中國(guó)專(zhuān)利CN102000658B的方法在水溶液環(huán)境中制備24h ; (b)為在含堿性催化劑的有機(jī)溶劑環(huán)境中制備24h ;
[0035]圖3為在氟化處理的Mg-Nd-Zn-Zr合金樣品表面制備聚多巴胺膜后樣品的電化學(xué)極化曲線圖；其中，a表示僅氟化處理的鎂合金樣品，b為又經(jīng)聚多巴胺修飾后的鎂合金樣品；
[0036]圖4為采用ICP-AES檢測(cè)不同樣品的三天浸提液中的鎂離子含量數(shù)據(jù)；
[0037]圖5為在氟化處理的Mg-Nd-Zn-Zr合金樣品表面制備聚多巴胺膜后粘附的EA.hy926內(nèi)皮細(xì)胞的熒光顯微鏡照片；其中，(a)內(nèi)皮細(xì)胞在氟化處理的的Mg-Nd-Zn-Zr合金表面的粘附情況；(b)內(nèi)皮細(xì)胞在修飾了聚多巴胺膜后的Mg-Nd-Zn-Zr合金表面的粘附情況。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以進(jìn)行若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0039]實(shí)施例1
[0040]將0.2wt% _5被％的三乙胺加入到乙醇中，攪拌混合均勻。按lmg/mL的比例將多巴胺鹽酸鹽溶解于上述含三乙胺的乙醇溶液中，攪拌充分溶解。把純Mg圓片樣品浸入多巴胺溶液中，30°C浸泡18h，取出，用異丙醇和超純水依次清洗，超聲Imin后氮?dú)獯蹈伞D1中XPS檢測(cè)顯示表面修飾后鎂表面成分主要為C、N和0，并且各含量與文獻(xiàn)報(bào)道的聚多巴胺吻合，基底Mg信號(hào)基本消失(< 2wt% )。