CN102108506B - 一种表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种金属材料表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的方法。首先将金属材料与巯基化聚乙二醇的乙醇溶液反应，得到表面化学键合巯基化聚乙二醇的金属材料，然后该金属材料与2-氯-2-氧-1,3,2-二氧磷杂环戊烷反应，最后将上述两者的反应产物与三甲基胺发生开环反应，即可得到表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属表面。制备路线简单，为金属表面改性以及生物应用提供了新思路和新材料。
Description
技术领域
本发明涉及提供一种金属表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的方法，以及其在生物医学领域的应用。
背景技术
金属生物材料是指能植入生物体内或能与生物组织相结合的材料，主要用于对人体某些组织和器官的加固、修复和替代。迄今为止，除医用贵金属、医用钛、袒、锯、铅等单质金属外，其他生物医用金属材料都是合金，其中应用较多的有：不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金和磁性合金等。生物医用金属材料以其优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床医学中获得了广泛的应用，其重要性与生物医用高分子材料并驾齐驱，在整个生物医用材料应用中各占45％左右。
在将金属生物材料植入生物体内时，金属生物材料除了具有较好的力学性能和功能特性外，还应满足生物相容性的要求，避免生物体对材料产生排斥反应，以及材料对生物体产生不良反应。 但是由于金属材料在组成上与人体组织成分相距甚远，金属材料很难与生物组织产生亲合，一般不具有生物活性，因此可对金属材料进行表面改性，使材料的金属特性与表层生物活性更好地结合起来，为金属生物材料的应用打下良好的基础。
聚乙二醇无毒、无刺激性，具有良好的水溶性，并与许多有机物组份有良好的相溶性。它们具有优良的润滑性、保湿性、分散性、粘接剂、抗静电剂及柔软剂等，在化妆品、制药、化纤、橡胶、塑料、造纸、油漆、电镀、农药、金属加工及食品加工等行业中均有着极为广泛的应用。 当其应用在抗凝血材料的制备中，以往的研究表明，海藻状的链结构具有优异的抗蛋白吸附能力，可以增加材料的不凝血性。磷铵两性离子是一类不会触发血液凝固的表面分子结构。因为在热力学上磷铵两性离子的分子结构与血液接触时，既不易进入血浆蛋白及血细胞高级结构的内部，干扰其生物大分子主链与侧基间的协同作用，又会减少与它们表面正/负离子的相互作用，从而有利于它们天然构象以及自然状态的维持。
本发明通过化学途径将巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物稳定构建到金属材料表面，得到一种有效提高金属材料表面生物相容性的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属材料，及其制备方法和应用。
本发明所说的表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属材料，是在金属材料表面键合有复合物，金属表面键合的复合物结构为：分子链结构的一个端基为巯基（该巯基与金属表面以“-硫-金属-（-S-Metal-）”化学键方式键合），另外一端是磷铵两性离子结构；分子主链为- CH2CH2O-。
上述所说的表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属材料的制备如图1反应路线图所示，首先将金属材料与巯基化聚乙二醇的乙醇溶液反应，得到表面化学键合巯基化聚乙二醇的金属材料（产物1），然后该金属材料（产物1）与2-氯-2-氧-1,3,2-二氧磷杂环戊烷（COP）反应得产物2，最后将产物2与三甲基胺发生开环反应，即可得到表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属表面（产物3）。
本发明具体工艺途径为：（1）在含有巯基化聚乙二醇（HS-PEG，其中PEG分子量从200-10000）的乙醇溶液中加入金属材料（金属材料材质为金、银、钴铬合金、钛合金、钴合金、镍合金、不锈钢）浸泡，进行反应，反应结束后取出金属材料，用乙醇洗涤去除金属表面未发生化学键合的巯基化聚乙二醇，晾干，即可得到表面化学键合巯基化聚乙二醇的金属材料（产物1）；（2）将表面化学键合巯基化聚乙二醇的金属材料（产物1）完全放入无水四氢呋喃和三乙胺的混合液中，再缓慢滴入COP和无水四氢呋喃的混合液，搅拌2-48小时，过滤，取滤液，旋转蒸发，除去溶剂无水四氢呋喃(THF)和三乙胺；将金属材料用干燥的乙酸乙酯洗涤两次，取出金属材料（产物2），晾干后放入抗压反应釜中，并加入乙腈和三甲胺，20-90摄氏度下油浴，反应10-60小时，旋转蒸发除去溶剂乙腈后，将金属材料用丙酮洗涤，再抽干即得到表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属材料（产物3）。
在上述反应中，无水四氢呋喃、三乙胺和乙腈是反应的溶剂，本领域技术人员能够理解，溶剂不参与反应，反应物和溶剂的比例没有特别的要求，对于无水四氢呋喃和三乙胺的混合液，两者的用量也没有特别的要求。
本发明所述的表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属材料，具有良好的生物相容性。并用此金属材料与血细胞、血小板、蛋白质接触实验，发现无粘附行为，可实现作为生物医用金属材料的用途。
附图说明
图1 金属表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的反应路线图。
图2金片材料表面键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物衰减全反射红外谱图。
图3是金片材料表面键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物化学分析电子能谱谱图。
图4 表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的钴铬合金材料的血细胞黏附实验扫描电镜图。
图5表面无修饰普通钴铬合金材料的血细胞黏附实验扫描电镜图。
图6表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的银合金材料的血细胞黏附实验扫描电镜图。
图7表面无修饰普通银合金材料的血细胞黏附实验扫描电镜图。
具体实施方式
在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
下面结合具体的制备实施例和应用实施例，并参照数据进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。所用试剂的来源、商品名以及有必要列出其组成成分者，均在首次出现时标明，其后所用相同试剂如无特殊说明，均以首次标明的内容相同。
实施例1、金片材料表面键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物
洁净烧杯中加入含有巯基化聚乙二醇（HS-PEG，其中PEG分子量为200）的乙醇溶液，随即加入金片浸泡，10分钟后取出，然后用洁净乙醇洗涤去除金片表面未发生化学键合的巯基化聚乙二醇，晾干，即可得到表面化学键合巯基化聚乙二醇的金片。（2）准备一个干燥的四颈圆底烧瓶上装置搅拌器、温度计、氯化钙干燥管及注射系统（注射器和滴液漏斗装置均可）。加入50mL无水四氢呋喃和1g 三乙胺的混合液，然后将表面化学键合巯基化聚乙二醇的金片完全放入上述混合液中，再用注射器在10-100分钟内缓慢滴入COP （0.05-2g）和4ml无水四氢呋喃的混合液，搅拌2小时。过滤，取滤液。旋转蒸发，除去溶剂。将金片用干燥的乙酸乙酯洗涤两次，取出金片，晾干后放入抗压反应釜中，并加入5mL乙腈和1mL三甲胺，20摄氏度下油浴，反应10小时。旋转蒸发出去溶剂。将金片用丙酮洗涤三次，再抽干即得到即得到表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金片。金片表面键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物衰减全反射红外谱图如图2所示：红外谱图解释：在1364 cm-1附近有吸收峰，该峰分别为-CH3的对称弯曲振动吸收谱带；1469 cm-1处可能为-CH2-CH2-的对称弯曲振动谱带，也可能为-CH3的反对称振动吸收谱带；2928-2857 cm-1处宽而复杂的多重谱带为叔胺N（CH3）3形成内盐后的谱带与C-H伸缩振动重叠的结果；1241，1104 cm-1处为（P）-O-C的吸收峰；771 cm-1处为P-O-（C）的吸收峰；1387 cm-1处为P=O的吸收峰；与1364cm-1-CH3的对称弯曲振动吸收峰重合；在1236 cm-1处为-OPO-的吸收峰，与1241cm-1处（P）-O-C的吸收峰重合，这些特征峰与金片材料表面键合的巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的结构是吻合的。
金片材料表面键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物化学分析电子能谱谱图如图3所示：由金片材料表面键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物化学分析电子能谱谱图，可以看到金片表面有了新的元素（磷P、硫S、氮N、氧O），这些元素均来自金片表面化学键合的巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物。这也验证了本发明所设计的化学键合方法的有效性。
实施例2、表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的钴铬合金材料阻止血细胞的黏附
洁净烧杯中加入含有巯基化聚乙二醇（HS-PEG，其中PEG分子量为10000）的乙醇溶液，随即加入钴铬合金材料浸泡1小时，然后取出钴铬合金材料，用洁净乙醇洗涤去除表面未发生化学键合的巯基化聚乙二醇，晾干，即可得到表面化学键合巯基化聚乙二醇的钴铬合金材料。准备一个干燥的四颈圆底烧瓶上装置搅拌器、温度计、氯化钙干燥管及注射系统（注射器和滴液漏斗装置均可）。加入50mL无水四氢呋喃和1g 三乙胺的混合液，然后将表面化学键合巯基化聚乙二醇的钴铬合金材料完全放入上述混合液中，再用注射器在30分钟内缓慢滴入COP （0.05-2g）和4ml无水四氢呋喃的混合液，搅拌48小时。过滤，取滤液。旋转蒸发，除去溶剂。将钴铬合金材料用干燥的乙酸乙酯洗涤两次，取出钴铬合金材料，晾干后放入抗压反应釜中，并加入5mL乙腈和1mL三甲胺，70摄氏度下油浴，反应60小时。旋转蒸发出去溶剂。将钴铬合金材料用丙酮洗涤三次，再抽干即得到即得到表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的钴铬合金材料。
将表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的钴铬合金材料在37℃的新鲜人血中浸泡30分钟，将样品用生理盐水漂洗3次后，在2.5％戊二醛溶液中浸泡24小时，固定黏附在材料表面上的血细胞，取出样品，依次在体积分数为55％，70％，80％，90％，95％，100％乙醇溶液中浸泡30分钟，进行逐级脱水。通过扫描电镜观测，材料表面无血细胞黏附现象，其扫描电镜图如图4所示。
在同样的实验条件下，普通钴铬合金材料（表面无任何化学修饰）接触新鲜人血后的扫描电镜图如图5所示，有大量的血细胞黏附。
实施例3、表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的银合金材料阻止血小板黏附
洁净烧杯中加入含有巯基化聚乙二醇（HS-PEG，其中PEG分子量为10000）的乙醇溶液，随即加入银合金材料浸泡1小时，然后取出银合金材料，用洁净乙醇洗涤去除表面未发生化学键合的巯基化聚乙二醇，晾干，即可得到表面化学键合巯基化聚乙二醇的银合金材料。准备一个干燥的四颈圆底烧瓶上装置搅拌器、温度计、氯化钙干燥管及注射系统（注射器和滴液漏斗装置均可）。加入50mL无水四氢呋喃和1g 三乙胺的混合液，然后将表面化学键合巯基化聚乙二醇的银合金材料完全放入上述混合液中，再用注射器在30分钟内缓慢滴入COP （0.05-2g）和4ml无水四氢呋喃的混合液，搅拌48小时。过滤，取滤液。旋转蒸发，除去溶剂。将银合金材料用干燥的乙酸乙酯洗涤两次，取出银合金材料，晾干后放入抗压反应釜中，并加入5mL乙腈和1mL三甲胺，20-90摄氏度下油浴，反应10-60小时。旋转蒸发出去溶剂。将银合金材料用丙酮洗涤三次，再抽干即得到即得到表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的银合金材料。
将表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的银合金材料在37℃富含血小板的血浆中浸泡3小时，将银合金材料用生理盐水漂洗3次后，在2.5％戊二醛溶液中浸泡24小时，固定黏附在材料表面上的血小板，取出样品，依次在体积分数为55％，70％，80％，90％，95％，100％乙醇溶液中浸泡30分钟，进行逐级脱水。通过扫描电镜观测，材料表面无血小板黏附现象，其扫描电镜图如图6所示。
在同样的实验条件下，普通银合金材料接触富含血小板的血浆后的扫描电镜图如图7所示，材料表面有大量的血小板黏附。
Claims (5)
1.一种表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属材料，其特征是，金属表面键合的复合物结构为：分子链结构的一个端基为巯基，另外一端是磷铵两性离子结构；分子主链为- CH2CH2O-。
2.一种制备权利要求1所述表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属材料的方法，其特征为包括以下步骤：
（1）首先将金属材料与巯基化聚乙二醇的乙醇溶液反应，得到表面化学键合巯基化聚乙二醇的金属材料，
（2）将步骤（1）得到的产物与2-氯-2-氧-1,3,2-二氧磷杂环戊烷反应后，再与三甲胺发生开环反应，即可得到表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于聚乙二醇的分子量为200-10000。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于具体是：
（1）在含有巯基化聚乙二醇的乙醇溶液中加入金属材料浸泡，进行反应，反应结束后取出金属材料，用乙醇洗涤去除金属表面未发生化学键合的巯基化聚乙二醇，晾干，即可得到表面化学键合巯基化聚乙二醇的金属材料；
（2）将步骤（1）得到的表面化学键合巯基化聚乙二醇的金属材料放入无水四氢呋喃和三乙胺的混合液中，再缓慢滴入2-氯-2-氧-1,3,2-二氧磷杂环戊烷和无水四氢呋喃的混合液，搅拌2-48小时，过滤，取滤液，旋转蒸发，除去溶剂无水四氢呋喃和三乙胺；再将金属材料用干燥的乙酸乙酯洗涤，然后取出金属材料晾干后放入抗压反应釜中，并加入乙腈和三甲胺，20-90摄氏度下油浴，反应10-60小时，旋转蒸发除去溶剂乙腈后，将金属材料用丙酮洗涤，再抽干即得到表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属材料。
5.权利要求1所述的表面化学键合巯基化聚乙二醇-磷铵两性离子复合物的金属材料作为生物医用金属材料的应用。
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| CN101716348A (zh) * | 2009-12-07 | 2010-06-02 | 江南大学 | 一种基于金磁纳米粒子的载药平台的构建与应用 |
| CN101731271A (zh) * | 2009-12-29 | 2010-06-16 | 浙江理工大学 | 一种无机纳米介孔抗菌剂及制备方法 |
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