適用于多種醫用合金表面改性的植酸/硅烷雜化涂層及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一類適用于多種醫用合金表面改性的植酸/硅烷雜化涂層及制備方法，屬于生物醫用材料制備技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著近年來生活和科學技術水平的提高，人類對硬組織替代和骨修復等生物醫用材料的要求也越來越高。傳統的金屬植入材料如不銹鋼和鈦合金等材料，雖然能夠滿足目前臨床應用的需求，卻是生物惰性材料，在骨損傷部位修復的過程中可能會產生血栓等病癥。新型可降解植入材料如鎂合金，雖然具有很好的力學相容性、生物活性和生物相容性，但是在植入損傷部位后降解速度過快造成一系列不良反應。盡管世界各國的科學家采取很多手段通過表面改性控制鎂合金的降解速度，目前為止仍然沒有取得實質性的進展。因此，開發一類具有可控降解性、優良生物活性和生物相容性的，適用于醫用植入合金表面改性的涂層是亟待解決的問題，這類涂層既能拓展傳統金屬植入材料在臨床的應用，又能推動新型可降解植入材料和器件的研發。
[0003]植酸(phytic acid)，又名肌醇六磷酸酯或環己六醇磷酸酯，主要存在于米糠和谷物當中。植酸是一種少見的優良金屬多齒螯合劑，分子中含有能與金屬離子配位的24個氧原子、12個羥基和6個磷酸基。當植酸與鎂、鋁、鈣、鋅、銅、鐵、鈷、鎳等離子接觸時，能在極短時間內與其螯合，并能形成多個螯合環，螯合的產物穩定性極佳，即使在強酸性條件下也能穩定存在。植酸的毒性極低，在人體環境中具有抗氧化功能、抗腫瘤活性和防治心腦血管疾病等作用。此外，植酸在人體內的水解產物是磷脂和肌醇，均為人體內可利用或吸收的物質。北京大學葉成紅等人(Applied Surface Science, 2012，258，3420-3427)和西南交通大學萬國江等人(ACS Appl.Mater.1nterfaces, 2014, 6, 19531-19543)已經證明醫用合金材料表面修飾的植酸轉化涂層具有優異的生物活性和生物相容性。然而，單一植酸轉化涂層改性的合金材料在模擬浸泡實驗中只能為合金基體提供短期的有效保護，不能夠滿足臨床使用的需要。因此，科研工作者們嘗試利用植酸轉化涂層制備復合涂層提高合金的耐蝕性，并在此方面取得了一定的效果。中國專利CN 101461964B利用多步法制備了中間植酸轉化涂層和外層生物活性陶瓷層包覆的醫用可降解鎂合金。這類雙層涂層包覆的鎂合金植入體內后溶血率僅為3%，然而該方法沒有考慮復合涂層間的結合強度。CN 102671241B也成功在鎂合金表面制備了植酸微弧陽極氧化膜及聚乳酸涂層，這類復合涂層具有一定的耐磨、耐蝕和生物活性，但是聚乳酸在體內降解后顯酸性，不利于損傷部位的愈合。
[0004]硅烷偶聯劑(Silane coupling agents,簡稱“SCA”或者硅烷)，因具有無毒性、無污染、適應性廣、成本低、對有機涂層有優異結合性等特點，多被選為金屬表面改性劑。美國專利PCT/US95/02580已經證明在合金的預處理液中加入少于0.1% (體積)的硅烷，就能使合金的耐蝕性得到很大提高，此外，還可以在預處理后的金屬表面制備結合性好、厚度大的無機硅酸鹽涂層。愛爾蘭專利PCT/IE2008/000114制備了一類包含經水解的有機硅烷、有機金屬前體和緩蝕劑的溶膠-凝膠涂層組合物，這類涂層能將AA2024-T3合金的自腐蝕電流密度降低至少一個數量級。澳大利亞臥龍崗大學的Liu等人(ActaB1materialia, 2013, 9，8671-8677)已經證實含有硅烷偶聯劑的涂層能將鎂合金的阻抗提高一個數量級，這類涂層同時具有一定的生物活性和生物相容性。中國專利CN 103751841A利用硅烷偶聯劑作為其中一種組分制備了一種改性鈦合金生物活性的涂層，該涂層的抑菌性高達90%以上。然而，專利中還引入了其他人體內不存在的金屬離子且沒有提及涂層與合金基體的結合性。中國專利CN 104189963A在鎂合金上制備了一種硅烷偶聯劑/聚合物復合涂層，該涂層具有普適性，能將鎂合金的自腐蝕電流密度降低到0.14 μ A.cm2,同時將內皮細胞ECV304DE存活率提高約50%，然而沒有考慮聚合物在體內的降解產物對人體的影響。由此可見，硅烷偶聯劑確實在提高工業合金耐蝕性方面具有極大的應用前景，并且也能用于制備生物涂層。
[0005]從現有國內外研究進展和公開的相關專利報道可知，采用單一的植酸轉化涂層或者硅烷偶聯劑制備的涂層不能同時滿足提高合金的耐蝕性和改善生物活性、生物相容性的要求。制備復合涂層雖然可以提高合金的耐蝕性，但是沒有考慮涂層與合金的結合性以及使用過程中可能出現的失效形式。此外，采用常見的聚合物涂層作為外涂層其降解后的產物可能對植入部位產生附加傷害，此類涂層改性的合金也難以滿足臨床要求。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于制備一類廣泛適用于醫用合金表面改性的植酸/硅烷雜化涂層。這種雜化涂層是采用一步法在合金表面制備的，雜化涂層與合金基體的結合強度高，能為合金基體提供長期的保護。首先，采用常見的堿處理工藝改性醫用合金基體。其次，利用植酸、硅烷偶聯劑制備雜化涂層前驅體溶膠。隨后，通過液相反應法在預先堿處理后的合金材料表面原位生長一層致密、無缺陷的植酸/硅烷雜化涂層。最后對雜化涂層包覆的合金進行中低溫處理，提高雜化涂層間的網絡結構，實現涂層與合金基體間的強結合。
[0007]本發明中涉及適用于多種醫用植入合金表面改性的植酸/硅烷雜化涂層，其組成為植酸鎂、植酸鋁或植酸鈦等以及硅烷。所述雜化涂層的特殊結構包括，在基體表面原位生長的植酸螯合物具有椅型構象的六碳環有機結構，摻雜的硅烷成分引入-S1-O-S1-無機網絡骨架，此外，植酸分子的-P-OH-會與硅烷水解后生成的-S1-OH-反應生成-P-O-S1-鍵，使涂層同時具備有機/無機雜化結構。該涂層能將合金的阻抗值提高2?25倍，涂層與合金基體間的結合強度可達5?25MPa。在模擬浸泡實驗中，雜化涂層包覆的合金材料產生自愈合性能，浸泡試樣的阻抗值為浸泡前的1.2?2.5倍。此外，雜化涂層均勻、致密，具有良好的生物活性。
[0008]本發明中涉及的一類廣泛適用于醫用合金表面改性的植酸/硅烷雜化涂層的制備方法，步驟如下:
[0009]I)植酸/硅烷雜化溶膠的制備:
[0010]植酸/硅烷雜化溶膠的配制方法為:將植酸溶于任意比例的離子水和無水乙醇混合溶液中，加入三乙胺調節溶液的酸堿度3?10之間，加入硅烷偶聯劑；水解后制備成雜化溶膠，靜置形成植酸/硅烷雜化涂層的前驅體溶膠；
[0011]2)植酸/硅烷雜化涂層包覆醫用合金的制備:
[0012]將醫用合金放入植酸/硅烷雜化溶膠中，在水浴鍋中反應后取出置于40°C恒溫干燥箱中干燥；將干燥的樣品在60°C?140°C的溫度下固化0.5h?6h自動降至室溫，得到植酸/硅烷雜化涂層包覆的醫用合金。
[0013]所述的醫用合金進行堿處理:配制成濃度為IM?1M的濃堿液；將打磨好的合金試樣放入氫氧化鈉溶液中，在60°C?100°C的恒溫水浴鍋中反應0.5h?3h ;樣品取出后放入去離子水中清洗。
[0014]所述的步驟I)中水解時間優選為0.25h?18h。
[0015]所述的步驟2)中水浴鍋中15°C?95°C條件下反應0.5h?6h。
[0016]所述的步驟2)中干燥箱中優選為干燥時間24h。
[0017]所述的步驟I)去離子水和無水乙醇的體積比優選為9:1?1:9。
[0018]所述的步驟I)的娃燒偶聯劑包括具有氣基功能團的娃燒如3_氣基丙基二甲氧基硅烷、N-氨乙基-γ -氨丙基三甲氧基硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷；包括