CN102000658B - 一种基于聚多巴胺的生物功能化改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。本方法获得的聚多巴胺修饰层具有优异的抗形变性能、稳定性能和反应活性，能直接与生物分子中的氨基或巯基反应而将生物活性分子共价固定在表面，并且工艺简单，条件温和，容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及无机或金属材料表面的改性技术，特别涉及人工器官材料、生物传感器材料、防腐蚀材料及生物除污材料表面的改性技术。
背景技术
金属或无机材料表面的生物功能化改性方法目前还主要是物理涂覆方法，而物理涂覆的有机层与金属基底之间由于作用力太弱往往容易脱落，而化学改性方法，如硅烷化方法、单分子层自组装方法往往要求基底是特异性的某一种化学成分，不能适应化学组成复杂的植入材料。自然界中的海洋贻贝通过分泌足丝蛋白，可以将自己牢固地固定在岩石（主要成分含各种无机矿物质）或船舶（主要成分为金属材料）上，即使遇到大风大浪也不会掉下去。研究表明多巴胺具有模仿海洋贻贝足丝蛋白的粘附功能，并且多巴胺作为中间连接层具有二次反应性，可以在缓和的条件下将具有巯基或氨基的功能分子固定在材料表面。美国专利申请20080149566中提出了一种在各类材料表面采用聚多巴胺的仿生修饰方法，然而该方法形成聚多巴胺所需的氧化条件仅仅是利用溶液中溶解的少量氧气，采用该方法在无机或金属材料表面难以形成牢固的聚多巴胺层，因此该申请人指出其在无机或金属材料表面形成的聚多巴胺修饰层不能经受超声清洗。
发明内容
鉴于现有技术的缺点和不足，本发明的目的是研究一种基于聚多巴胺的生物功能化改性方法，使多巴胺可以在无机或金属材料表面形成牢固结合（能够经受超声清洗）的聚多巴胺修饰层且具有优异的抗形变性能、从而具有更为良好的稳定性及反应活性。
本发明的目的是通过如下的手段实现的。
一种基于聚多巴胺的生物功能化改性方法，在无机以及金属材料表面获得牢固结合的聚多巴胺仿生修饰层，包含以下制备步骤：
A、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中0.1～48小时，其间通入氧气10~100SCCM使其充分氧化，然后超声清洗样品，获得一层聚多巴胺修饰层。
B、重复A步骤以获得一层以上聚多巴胺修饰层；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。
C、将B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0.1~48小时，取出后超声清洗，获得表面生物功能化的目标材料。
本发明方法强化了充分氧化和后期空气气氛热处理的工艺条件。其机理可理解为：多巴胺具有仿海洋贻贝足丝蛋白的儿茶酚和氨基结构，通过其儿茶酚基团与金属离子形成配位结合，同时在充分氧化条件下将发生多巴胺自身的聚合并在材料表面形成大量的邻二醌基团，该邻二醌基团能与生物功能分子中的氨基或巯基发生麦克尔加成反应或西夫碱反应而得到牢固结合的生物功能化表面。本发明中所要固定的生物功能分子需要含氨基或巯基，其中氨基可以是伯氨基或仲氨基。本发明方法能够在各种无机以及金属材料表面获得牢固结合的聚多巴胺仿生修饰层，该仿生修饰涂层具有优异的抗形变性能、稳定性能和反应活性，能直接与生物分子中的氨基或巯基反应而将生物活性分子共价固定在表面。本发明方法对无机或金属材料的种类没有限制，并且工艺简单，条件温和，容易实现。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。实施例中采用的各化学试剂，除特别注明，均为分析纯。
实施例1
A、将洁净的NiTi合金（Ni 50% ，Ti 50%）片材浸泡在碱性（pH为8.5 ）的多巴胺水溶液(浓度为2mg/mL)中0.1小时，持续通入氧气，氧气流量为10SCCM，取出样品后超声清洗和干燥，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的薄膜沉积、超声清洗和干燥过程3次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：50℃，时间4小时）， 即获得四层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将B步骤所制得的样品浸入浓度为3mM的巯基化的聚乙二醇（PEG）溶液中反应0.1h，取出后超声清洗和干燥，获得表面PEG功能化的样品。
实施例2
A、将洁净的钛合金（Al：6%，V4%，其余为钛）片材浸泡在碱性（pH为7.2 ）的多巴胺水溶液(浓度为1 mg/mL)中6小时，然后持续通入氧气6小时，氧气流量为100SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程4次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：100℃，时间为10小时）， 即获得五层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了五层聚多巴胺的样品浸入浓度为10mg/mL肝素溶液中6小时，取出后超声清洗，获得具有表面肝素化的样品。
实施例3
A、将洁净的石墨片材浸泡在碱性（pH为8 ）的多巴胺水溶液(浓度为5mg/mL)中24小时，持续通入氧气24小时，氧气流量为20SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺。
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程9次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：120℃，时间为24小时）， 即获得十层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层。
C、将固定了十层聚多巴胺的样品浸入浓度为1mg/mL的葡萄糖氧化酶溶液中24小时，取出后超声清洗，获得葡萄糖氧化酶固定化的样品。
实施例4
A、将洁净的不锈钢片材浸泡在碱性（pH为10）的多巴胺水溶液(浓度为3mg/mL)中48小时，持续通入氧气48小时，氧气流量为30SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程5次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：200℃, 时间为48小时）,即获得六层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了六层聚多巴胺的样品浸入浓度为0.1mg/mL的水蛭素溶液中24小时，取出后超声清洗，获得水蛭素固定化的样品。
实施例5
A、将洁净的铁片材浸泡在碱性（pH为9 ）的多巴胺水溶液(浓度为8mg/ml)中3小时，持续通入氧气3小时，氧气流量为30SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程14次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：100℃, 时间为36小时）,即获得十五层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了十五层聚多巴胺的样品浸入浓度为0.1mg/mL的CD34抗体溶液中48小时，取出后超声清洗，获得固定CD34抗体的样品。
实施例6
A、将洁净的纯钛片材浸泡在碱性（pH为9.5 ）的多巴胺水溶液(浓度为2.5mg/mL)中30分钟，持续通入氧气30分钟，氧气流量为15SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程19次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：150℃，时间为1小时，即获得二十层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了二十层聚多巴胺的样品浸入浓度为100ng/ml的RGD多肽溶液中36小时，取出后超声清洗，获得固定RGD多肽的样品。
实施例7
A、将洁净的Si片材浸泡在碱性（pH为7.8）的多巴胺水溶液(浓度为5mg/mL)中30分钟，持续通入氧气30分钟，氧气流量为25SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程7次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：150℃，时间为0.5小时），即获得八层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了8层聚多巴胺的样品浸入浓度为1mg/mL的壳聚糖溶液中6小时，取出后超声清洗，获得固定壳聚糖的样品。
实施例8
A、将洁净的TiO2片材浸泡在碱性（pH为8.5）的多巴胺水溶液(浓度为1mg/mL)中30小时，持续通入氧气30小时，氧气流量为20SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程14次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：150℃，时间为3小时）,即获得十五层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了十五层聚多巴胺的样品浸入浓度为0.1mg/mL的血栓改性蛋白溶液中15小时，取出后超声清洗，获得固定血栓改性蛋白的样品。
实施例9
A、将洁净的不锈钢片材浸泡在碱性（pH为7.8）的多巴胺水溶液(浓度为1.5mg/mL)中3小时，持续通入氧气3小时，氧气流量为50SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程4次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：150℃，时间为3小时）,即获得五层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了五层聚多巴胺的样品浸入浓度为0.5mM的四氮杂环十二烷－Cu2+络合物溶液中12小时，取出后超声清洗，获得固定铜络合物的样品。
实施例10
A、将洁净的石墨片材浸泡在碱性（pH为9.0）的多巴胺水溶液(浓度为1.5mg/mL)中6小时，持续通入氧气6小时，氧气流量为45SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程11次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：150℃，时间为3小时）,即获得十二层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了十二层聚多巴胺的样品浸入浓度为1mM的胱胺溶液中8小时，取出后超声清洗，获得固定胱胺的样品。
实施例11
A、将洁净的石墨片材浸泡在碱性（pH为9.0）的多巴胺水溶液(浓度为1.5mg/mL)中6小时，持续通入氧气6小时，氧气流量为45SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程11次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：150℃，时间为3小时）,即获得十二层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了十二层聚多巴胺的样品浸入浓度为0.5mM的硒代胱胺溶液中12小时，取出后超声清洗，获得固定硒代胱胺的样品。
本发明方法通过充分氧化使聚多巴胺与无机或金属材料表面牢固结合，不容易脱落。经后期空气气氛热处理的聚多巴胺具有更高的交联度（即更优异的力学性能和稳定性能）、表面反应活性。同时通过重复操作A，可以获得n层（n≥1）与表面牢固结合的聚多巴胺，为后续可控地固定生物功能分子提供了可能。
实施例12
A、将洁净的纯钛片材浸泡在碱性（pH为9.5）的多巴胺水溶液(浓度3mg/mL)中4小时，持续通入氧气4小时，氧气流量为20SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程2次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：150℃，时间为3小时）,即获得三层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了三层聚多巴胺的样品浸入浓度为1nM的多肽适配子溶液中12小时，取出后超声清洗，获得固定多肽适配子的样品。
实施例13
A、将洁净的不锈钢片材浸泡在碱性（pH为8.0）的多巴胺水溶液(浓度4mg/mL)中5小时，持续通入氧气5小时，氧气流量为60SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程4次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：100℃，时间为8小时）,即获得五层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了五层聚多巴胺的样品浸入浓度为5nM的趋化因子SDF-1的溶液中8小时，取出后超声清洗，获得固定趋化因子SDF-1的样品。
实施例14
A、将洁净的钛合金片材浸泡在碱性（pH为8.5）的多巴胺水溶液(浓度2mg/mL)中6小时，持续通入氧气6小时，氧气流量为40SCCM，取出样品后超声清洗，获得单层聚多巴胺；
B、重复A步中的浸泡样品、氧化和超声清洗过程2次，然后将样品置于空气气氛中热氧化处理（温度：120℃，时间为5小时）,即获得三层与样品表面牢固结合的聚多巴胺层；
C、将固定了三层聚多巴胺的样品浸入浓度为1nM的内皮细胞生长因子的溶液中6小时，取出后超声清洗，获得固定内皮细胞生长因子的样品。
本发明的操作简单，无须特殊的昂贵设备，容易实现，对材料或器械的体型结构没有限制，可实现工业上具有复杂体型结构的各种生物医用装置或传感器的表面生物化修饰。
采用本发明的基本方法，样品在多巴胺水溶液中浸泡后需要充分氧化，可以采用沉膜期间通入氧气使得聚合反应充分，增加聚多巴胺的交联度，抑制低聚物的生成，同时对沉积了聚多巴胺的样品进一步采用了热氧化处理的加速氧化方法。本发明的实施例仅提供了理解本发明主要步骤的可数之实例，在实际实施中其具体条件可做比较大的可选变化。显然，其它一些局部替代，比如只通入氧气或只采用热氧化处理的方式均可视为本方法的等同变劣替换，当仍属于本发明保护的范围。
Claims (3)
1.一种基于聚多巴胺的生物功能化改性方法，在无机以及金属材料表面获得牢固结合的聚多巴胺仿生修饰层，包含以下制备步骤：
A、将洁净的无机或金属材料浸泡在pH为7.2～10的多巴胺碱性水溶液中0.1～48小时，其间通入氧气10~100SCCM使其充分氧化，然后超声清洗样品，获得单层聚多巴胺修饰层；
B、重复A步骤以获得一层以上聚多巴胺修饰层；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；
C、将B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0.1~48小时，取出后超声清洗，获得表面生物功能化的目标材料；所述热氧化处理时间控制在0.1~48小时。
2.根据权利要求1所述之基于聚多巴胺的生物功能化改性方法，其特征在于，所述无机或金属材料为以下物质中之一：纯钛、钛合金、铁、石墨、TiO2、不锈钢、Si、SiO2。
3.根据权利要求1所述之基于聚多巴胺的生物功能化改性方法，其特征在于，所述含氨基或巯基的生物功能分子的溶液包含以下物质的水溶液：巯基化或氨基化的聚乙二醇、肝素、葡萄糖氧化酶、水蛭素、CD34抗体，二硒化合物、含有氨基的铜离子络合物、RGD多肽、多肽适配子、核酸适配子、趋化因子SDF-1、内皮细胞生长因子、壳聚糖、血栓改性蛋白。
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