一種在鎂金屬表面構建金屬?有機骨架復合涂層的方法與流程

本發明涉及一種在鎂金屬表面構建涂層的方法。

背景技術：

鎂可以通過體內腐蝕而降解，中間腐蝕產物可以通過氯離子反應被吸收或代謝為鎂離子的形式存在體液中或被巨噬細胞吸收。同時，鎂還具有接近皮質骨的適當的機械強度，可以通過減少應力遮擋來解決骨折部位的愈合不良或再骨折問題。另外，更重要的是鎂植入物已被廣泛報道可以刺激新骨的形成，這又非常利于骨折愈合。總之，鎂金屬作為新一代的醫用金屬材料，因其具有良好的生物降解性能，作為內植入材料在完成其功能后可免除二次手術，在骨科領域越來越受到關注。

臨床上的植入材料及器件必須能夠在體內維持數月之久并保持足夠的強度，然而，由于鎂較低的標準電極電位和較高的化學活性，使鎂作為植入材料時受到生理環境中的腐蝕介質攻擊使腐蝕速率過快，從而可能使鎂基植入材料提前失效，且在快速降解過程中，產生過多的堿性mg(oh)2,使局部ph升高，導致溶血率增大，炎癥反應，以及延緩組織愈合等問題，另外在腐蝕過程產生氫氣泡也將影響細胞的粘附及生長。針對這些問題，對鎂金屬進行改性就顯得很有必要。

近年來，對鎂進行表面改性也得到了很大的發展，主要是在鎂金屬材料表面構建涂層，減少甚至隔絕基體與腐蝕介質接觸，從而達到控制鎂腐蝕的目的。表面改性方法中，如：陽極/微弧氧化技術、電化學沉積、化學轉化技術等，它們都有很多優勢，但是明顯的缺點阻礙著它們的發展，如：能源消耗大、成本高、薄膜性能差、制備工藝復雜等。已有的表面改性的方法中大多是在鎂金屬表面構建單一的涂層，往往只考慮到了降低鎂金屬腐蝕速率，而忽略了表面改性后的鎂金屬生物相容性。如高分子涂層一般很厚達到幾十微米，主要是通過高分子溶解于有機溶劑，有機溶劑蒸發后得到，靠物理結合方式沉積在鎂金屬表面。構建的高分子涂層往往是不均一、聚集且多裂紋的。而高分子涂層改性后的鎂金屬作為植入材料，由于高分子涂層膜基結合力差，往往會導致涂層剝落使鎂金屬腐蝕加快，從而使植入物提前失效。另外降解的高分子往往會抑制細胞粘附，導致局部炎癥而延緩組織愈合。

技術實現要素：

本發明的發明目的是提供一種在鎂金屬表面構建金屬-有機骨架復合涂層的方法，該方法制備的涂層具有更好的膜基結合力，涂層較薄且均勻致密，能很好地控制鎂的腐蝕速率，且其骨相容性好，能促進成骨細胞增值和分化。

本發明實現其發明目的所采用的技術方案是在鎂金屬表面構建金屬-有機骨架復合涂層的方法，其步驟為：

a、將鎂金屬片用碳化硅砂紙打磨拋光，再依次用去離子水、無水乙醇、丙酮、酸洗液進行超聲清洗，然后真空干燥；

b、將a步得到的鎂金屬片放入2-4mol/l、55-65℃的naoh溶液中浸泡10-14h，得到堿活化后的鎂金屬片；

c、配置濃度為0.4-0.6g/l的羥基乙叉二磷酸(hedp)溶液，再用naoh調節其ph至7-8；

d、將去離子水和無水乙醇按0.8-1.2∶1的體積比配制成混合溶劑，再將zrocl2·8h2o溶解于混合溶劑，得到濃度0.8-1.2mmol/l的鋯離子溶液；

e、將b步得到的堿活化后的鎂金屬片放入c步得到的羥基乙叉二膦酸溶液中，55-65℃條件下浸泡8-12h；

f、將鎂金屬片在d步的鋯離子溶液中沉積10-30s；

g、將鎂金屬片在c步的羥基乙叉二磷酸(hedp)溶液中沉積3-5min；

h、重復f、g步的操作4-6次；最后將鎂金屬片放入真空干燥箱干燥，即在鎂金屬表面構建出金屬-有機骨架復合涂層。

本發明的機理是：

b步通過對鎂金屬片進行堿活化預處理，使形成富羥基表面，從而為后續有機膦酸分子共價接枝提供大量結合位點。

e步將堿活化預處理的鎂片在55-65℃的羥基乙叉二膦酸(hedp)溶液中浸泡8-12h，羥基乙叉二磷酸中的膦酸基團和鎂表面的羥基反應，使羥基乙叉二膦酸通過共價固定的方式接枝在鎂表面形成良好結合力的基礎涂層。

f步將鎂金屬片在鋯離子溶液中沉積10-30s；羥基乙叉二磷酸(hedp)溶液中沉積3-5min；鋯離子和涂層表面的膦酸基團螯合,形成配位鍵的金屬(鋯)-有機(羥基乙叉二膦酸)骨架網狀涂層。g步再將鎂金屬片在羥基乙叉二膦酸(hedp)溶液中浸泡3-5min，涂層表面的鋯離子又和羥基乙叉二膦酸中的膦酸基團螯合,形成配位鍵的有機(羥基乙叉二膦酸)-金屬(鋯)骨架復合物涂層。多次交替沉積后即在鎂金屬表面形成鋯離子和羥基乙叉二膦酸充分螯合的金屬-有機骨架復合涂層。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

一、本發明使用的羥基乙叉二膦酸(hedp)是一種綠色、生物安全、對環境友好的帶有兩個膦酸基團的有機小分子，化學結構類似于細胞膜磷脂雙分子層，保證了涂層的生物相容性。羥基乙叉二膦酸又能與mg²⁺、zr⁴⁺金屬離子螯合形成穩定的一維到三維的網絡結構。同時，本發明使用的鋯和氧化鋯也能促進成骨細胞的增值和分化。因此，本發明制備的涂層，具有較好的生物相容性，能更好地促進成骨細胞的增值和分化。

二、本發明使用液相交替沉積的方式構建金屬-有機骨架復合涂層。涂層中鋯離子和羥基乙叉二膦酸交替、相互充分螯合，得到金屬(鋯)-有機(羥基乙叉二膦酸)骨架的三維網狀涂層，使涂層穩定、均勻、致密；從而能降低鎂金屬基體的腐蝕，通過交替次數和浸泡溶液濃度的調節，即可方便、有效的控制鎂基體的腐蝕速率。

三、對鎂片進行堿活化預處理，使得在樣品表面形成富含羥基的氫氧化鎂層，羥基乙叉二膦酸的膦酸基團和羥基通過共價結合使羥基乙叉二膦酸共價固定在鎂表面，使涂層和基體有較好的結合力，增加了涂層的穩定性，從而有效控制鎂的腐蝕。

四、本發明的工藝為液相沉積，最高溫度僅為55-65℃，其制備方法條件溫和，工藝簡單可控。

附圖說明

圖1a是鎂金屬表面的掃描電鏡照片；

圖1b是本發明實施例3制備的涂層的掃描電鏡照片；

圖2a是純鎂(mg)和本發明實施例3制備的涂層(mg-oh@hedp+zr)的動態電位極化曲線；

圖2b是純鎂(mg)和本發明實施例3制備的涂層(mg-oh@hedp+zr)電化學阻抗譜；

圖3a是純鎂(mg)表面接種成骨細胞6小時后的熒光顯微照片；

圖3b是本發明實施例3制備的涂層(mg-oh@hedp+zr)接種成骨細胞6小時后的熒光顯微照片。

具體實施方式

實施例1

一種在鎂金屬表面構建金屬-有機骨架復合涂層的方法，其步驟為：

a、將鎂金屬片用碳化硅砂紙打磨拋光，再依次用去離子水、無水乙醇、丙酮、酸洗液進行超聲清洗，然后真空干燥；

b、將a步得到的鎂金屬片放入2mol/l、65℃的naoh溶液中浸泡14h，得到堿活化后的鎂金屬片；

c、配置濃度為0.4g/l的羥基乙叉二磷酸(hedp)溶液，再用naoh調節其ph至8；

d、將去離子水和無水乙醇按1.0∶1的體積比配制成混合溶劑，再將zrocl2·8h2o溶解于混合溶劑，得到濃度0.8mmol/l的鋯離子溶液；

e、將b步得到的堿活化后的鎂金屬片放入c步得到的羥基乙叉二膦酸溶液中，65℃條件下浸泡12h；

f、將鎂片在d步的鋯離子溶液中沉積30s；

g、將鎂片在c步的羥基乙叉二磷酸(hedp)溶液中沉積5min；

h、重復f、g步的操作4次；最后將鎂金屬片放入真空干燥箱干燥，即在鎂金屬表面構建出金屬-有機骨架復合涂層。

實施例2

一種在鎂金屬表面構建金屬-有機骨架復合涂層的方法，其步驟為：

a、將鎂金屬片用碳化硅砂紙打磨拋光，再依次用去離子水、無水乙醇、丙酮、酸洗液進行超聲清洗，然后真空干燥；

b、將a步得到的鎂金屬片放入4mol/l、55℃的naoh溶液中浸泡10h，得到堿活化后的鎂金屬片；

c、配置濃度為0.6g/l的羥基乙叉二磷酸(hedp)溶液，再用naoh調節其ph至7；

d、將去離子水和無水乙醇按1.2∶1的體積比配制成混合溶劑，再將zrocl2·8h2o溶解于混合溶劑，得到濃度1.2mmol/l的鋯離子溶液；

e、將b步得到的堿活化后的鎂金屬片放入c步得到的羥基乙叉二膦酸溶液中，55℃條件下浸泡8h；

f、將鎂片在d步的鋯離子溶液中沉積10s；

g、將鎂片在c步的羥基乙叉二磷酸(hedp)溶液中沉積3min；

h、重復f、g步的操作6次；最后將鎂金屬片放入真空干燥箱干燥，即在鎂金屬表面構建出金屬-有機骨架復合涂層。

實施例3

一種在鎂金屬表面構建金屬-有機骨架復合涂層的方法，其步驟為：

a、將鎂金屬片用碳化硅砂紙打磨拋光，再依次用去離子水、無水乙醇、丙酮、酸洗液進行超聲清洗，然后真空干燥；

b、將a步得到的鎂金屬片放入3mol/l、60℃的naoh溶液中浸泡12h，得到堿活化后的鎂金屬片；

c、配置濃度為0.5g/l的羥基乙叉二磷酸(hedp)溶液，再用naoh調節其ph至7.5；

d、將去離子水和無水乙醇按0.8∶1的體積比配制成混合溶劑，再將zrocl2·8h2o溶解于混合溶劑，得到濃度1.0mmol/l的鋯離子溶液；

e、將b步得到的堿活化后的鎂金屬片放入c步得到的羥基乙叉二膦酸溶液中，60℃條件下浸泡10h；

f、將鎂片在d步的鋯離子溶液中沉積20s；

g、將鎂片在c步的羥基乙叉二磷酸(hedp)溶液中沉積4min；

h、重復f、g步的操作5次；最后將鎂金屬片放入真空干燥箱干燥，即在鎂金屬表面構建出金屬-有機骨架復合涂層。

圖1a、圖1b分別是純鎂(mg)和本例制備的涂層(圖中mg-oh@hedp+zr，oh代表羥基，hedpd代表羥基乙叉二膦酸，zr代表加入的鋯離子)表面的掃描電鏡圖像。

從圖1a、圖1b可以明顯看出，同純鎂比較，本發明改性后的鎂金屬表面被涂層完全覆蓋，而且表面較均勻致密。

圖2a是純鎂(mg)和本例制備的涂層(mg-oh@hedp+zr)的動電位極化曲線。

從圖2a的動電位極化曲線可以看出，與純鎂比較，在鎂表面形成金屬-有機骨架復合涂層的樣品的自腐蝕電位明顯升高，且自腐蝕電流密度至少降低了兩個數量級。

圖2b是純鎂(mg)和本例制備的涂層(mg-oh@hedp+zr)的電化學阻抗譜。

從圖2b的電化學阻抗譜可以看出：改性后形成的金屬-有機骨架涂層的阻抗環明顯大于純鎂的阻抗環。因此，從動力學角度分析，本發明在鎂金屬表面構建的金屬-有機骨架化合物涂層能夠有效減少甚至阻隔電解液對鎂基體的腐蝕攻擊，從而提高了鎂基生物材料的耐腐蝕性。

圖3a、圖3b分別是純鎂(mg)和本例制備的涂層(mg-oh@hedp+zr)表面接種成骨細胞6小時后的熒光顯微照片。

從圖3a、圖3b中可以看出，本發明改性后的鎂金屬表面的成骨細胞明顯比純鎂表面多，說明本發明在鎂基生物材料表面形成的金屬(鋯)-有機(羥基乙叉二膦酸)骨架涂層能促進成骨細胞增值，有較好的生物相容性。