CN104193889A - 一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，该制备方法包括以下步骤，首先通过自由基聚合合成光敏性共聚物；再通过胶束化过程将这种光敏性共聚物制备成自组装胶束粒子；最后以上述所制备的自组装胶束粒子溶液为电解液，通过恒电位阴极电沉积技术在医用钛合金表面制备生物纳米涂层。该方法操作简便，条件温和，适用范围广，所制备的生物纳米涂层改善了医用钛合金的生物相容性、细胞相容性，增加了医用钛合金作为植入材料的成功几率。

Description

一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备

技术领域

本发明涉及一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，属于高分子材料与医用生物涂层相结合领域。

技术背景

本世纪以来，随着科学技术和生产力的迅猛发展，人们生活质量不断提高，如何改善患者在医学治疗中的康复效率成为医学和材料工作者关注的新焦点。同时我国是一个人口大国，人口老龄化逐渐加剧，在新的国情下人们开始对医疗提出更高的要求。生物医用材料的迅速发展，为实现这种要求提供了可能。

现在常用的生物医用材料中，已经用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴合金、钛合金和镁合金。相比于其他医用金属材料，医用钛合金具有良好的生物相容性、与骨组织相近的弹性模量及在生理环境中优秀的耐腐蚀性，在人工骨替代材料、心血管支架等方面得到了广泛研究和临床上的运用。但目前的研究结果表明，生物医用钛合金本质上是一种生物惰性材料，本身不具备生物活性，作为移植材料不能有周围组织形成强有力的化学结合；同时由于医用钛合金有较高的表面势能及表面带正点荷，使其易吸附血浆蛋白，导致血栓形成。因此，对医用钛合金表面改性以提高医用钛合金在植入体内的生物相容性成为当前研究热点之一。

目前，改善医用钛合金生物活性的方法主要是在其表面引入羟基磷灰石或其他生物活性陶瓷涂层。但是所得到的涂层与钛合金表面结合强度低，易发生龟裂等问题，在临床应用中涂层易脱落，从而导致植入材料失效；另一方面研究者们力学性能优异的生物惰性医用金属材料与生物活性良好的医用高分子材料结合在一起，增加其作为医学植入材料的成功几率。T.Liebert等采用浸涂法在医用钛合金表面制备葡聚糖生物涂层，该涂层对人体纤维母细胞及成骨细胞均具有良好的细胞相容性(Biomacromolecules,2011,12:3107-3113)；Wei-Bor Tsai等利用多巴胺碱性条件下自聚形成聚多巴胺在钛合金表面以固定多肽、羟基磷灰石和成骨蛋白-2，该涂层有效地改善了骨髓干细胞的骨生成能力(Mater.Interfaces,2013,5,6975-6983)。虽然大分子涂层能改善钛合金的生物相容性，但在实现涂层的功能化所需条件较为苛刻，制备过程较为复杂或者结合强度仍然不高，在缓释控制、药物载体等方面优势较低。

聚合物胶束由于在胶束内外都存在亲疏水微区，结构相对松散，因此聚合物胶束体系在诸如乳化、缓释控制、药物载体、生物涂层材料、催化剂及传感器等领域有广阔的应用前景，现已引起了人们研究的广泛兴趣。Nan Huang等采用浸涂法在钛合金表面制备了基于磷酸胆碱基团的类细胞膜涂层，通过物理阻隔和降低涂层表面能有效地减少了蛋白质和血小板的粘附，提高了钛合金的血液相容性(Mater.Interfaces2013,5,6975-6983)；韩国教授Sang Cheon Lee等将天冬氨酸与苯丙氨酸(Cat-PAsp-PPhe)嵌段共聚物自组装胶束粒子浸涂在医用钛合金表面制备生物医用纳米涂层材料，并实现对BMP-2的负载及缓释，所制备的涂层改善了钛合金的生物相容性，显著地提升了人类干细胞的粘附、增殖和碱性磷酸酶的活性(Journalof Controlled Release 170(2013)198-208)。

本发明设想通过合成一种光敏性、pH响应性的聚合物并通过简单实用的方法制备成聚合物胶束；结合电泳沉积(Electrophoretic deposition，EPD)这种近几年受到广泛的关注与研究的一种材料制备的电化学方法，在医用钛合金表面制备一种医用纳米涂层，提高与基材表面的结合强度；再通过紫外光照交联固定涂层形貌，所得涂层能改善医用钛合金的生物相容性和细胞相容性。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备。该方法操作简便，实用性强，所制备的纳米涂层能有效地提高医用钛合金的生物相容性。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：首先通过自由基聚合一步合成光敏性共聚物，并在选择性溶剂中通过瞬间自组装的方法得到荷正电的共聚物自组装胶束粒子，最后通过恒电位阴极电沉积技术在钛合金表面得到医用纳米涂层。

一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，具体步骤包括：

(1)光敏性共聚物的合成：将一定量的甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)，N,N-二甲氨基乙酯(DMA)和香豆素丙烯酸酯化物(CA)溶于适量1,4-二氧六环中，加入引发剂偶氮二异丁氰(单体总摩尔量的2％)，通氮气除氧15min，在65℃下恒温反应24h。反应结束后，用石油醚作为沉淀剂，反复沉淀、溶解纯化3次后，真空干燥至恒重，得到光敏性共聚物(P(HEMA-r-DMA-r-CA))；

(2)光敏性共聚物自组装胶束粒子的制备：光敏性共聚物自组装胶束粒子的制备采用瞬间自组装的方法，将一定量光敏性共聚物充分溶解于1,4-二氧六环中，在快速搅拌条件下，迅速注入一定量的蒸馏水，继续搅拌一段时间后转移至透析袋中透析除去溶剂1,4-二氧六环，即可得光敏性共聚物自组装胶束粒子水溶液；

(3)医用纳米涂层的制备：首先用金相砂纸打磨医用钛合金基材，然后将基材依次置于乙醇和丙酮中超声清洗处理，重复清洗3次；以步骤(2)中所制备的自组装胶束粒子溶液为电解液，医用钛合金为阴极，铂片电极为阳极，采用恒电位阴极电沉积技术，使荷正电荷的自组装胶束粒子向医用钛合金表面泳动并沉积成膜，再经紫外光照交联反应，可固定膜的结构，得到基于自组装胶束粒子的生物医用纳米涂层。

步骤(1)中所用单体香豆素丙烯酸酯化物(CA)与甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)及N,N-二甲氨基乙酯(DMA)的配比分别为1:1～1:8，1:1～1:10，所合成的光敏性共聚物中含有叔氨基团，具有pH响应性和离子响应性。

步骤(2)中注入的蒸馏水体积为1,4-二氧六环体积的1～5倍，继续搅拌时间为1～2h，透析时间为3天，所述光敏性共聚物的1,4-二氧六环溶液浓度为1～30mg/mL。

步骤(2)中所制备的聚合物自组装胶束粒子表面呈荷正电，平均粒径为10～1000nm，胶束浓度为1～10mg/mL。

步骤(3)中恒电位阴极电沉积电压为-3V～-25V，沉积时间为1s～60min，所制备生物医用纳米涂层具有光敏感响应性、生物相容性及细胞相容性。

本发明的主要优点在于：

本发明经自由基聚合获得具有双亲性、pH响应性和光敏感响应性的功能大分子，经简单适用的组装过程自组装得到多重敏感性的聚合物自组装胶束粒子；所制备的聚合物胶束粒子表面呈荷正电，粒子性能稳定，通过恒电位阴极电沉积技术在钛合金表面制备了均一的医用纳米涂层，并可通过控制电沉积工艺的条件调节医用金属表面胶束粒子电沉积膜的致密程度及厚度，从而调控涂层材料的实用性能，此方法操作简便，适用范围广；所制备的生物医用纳米涂层与基材的结合强度高，增加了植入体的稳定性，同时阴极电沉积技术条件温和，避免了在制备涂层过程中对胶束粒子的氧化、性能的破坏。

附图说明

图1为光敏性聚合物(P(HEMA-r-DMA-r-CA))的核磁谱图；

图2为光敏性聚合物胶束粒子的SEM图片和粒径分布；

图3为医用纳米涂层的SEM图片；

图4为医用纳米涂层细胞毒性实验图片。

具体实施方式

实施例1

一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，其特征步骤如下：

(1)光敏性共聚物的合成：将3.25g甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)，3.14g N,N-二甲氨基乙酯(DMA)和1.09g香豆素丙烯酸酯化物(CA)溶于90mL 1,4-二氧六环中，再加入0.164g偶氮二异丁氰(单体总摩尔量的2％)，通氮气除氧15min，在60℃下恒温反应24h；反应结束后，用石油醚作为沉淀剂，反复沉淀、溶解纯化3次后，真空干燥至恒重，可得到光敏性共聚物(P(HEMA-r-DMA-r-CA))，分子量12000；以氘代二甲亚砜(DMSO-d6)为溶剂，核磁谱图见说明书附图图1；

(2)光敏性共聚物胶束的制备：将光敏性共聚物溶解于1,4-二氧六环中形成20mg/mL的溶液，在快速搅拌条件下将3倍体积的去离子水快速注入聚合物溶液中，后转移至透析袋中进行透析除去溶剂1,4-二氧六环得到光敏性共聚物(P(HEMA-r-DMA-r-CA))胶束水溶液，光敏性共聚物自组装胶束粒子水溶液浓度为4.08mg/mL；将自组装胶束粒子水溶液用SEM表征粒子形貌，结果见说明书附图图2；

(3)医用纳米涂层的制备：首先用1200目的金相砂纸打磨医用钛合金，然后依次用30mL乙醇和30mL丙酮对基材进行超声处理5min，重复清洗3次；

将预处理后的医用钛合金浸入50mL自组装胶束粒子水溶液中，采用阴极电沉积技术施加恒电位电压，恒电位电压值为-10V,电沉积时间为3min；其中以医用钛合金为阴极，铂片电极为阳极，使荷正电荷的自组装胶束粒子向医用钛合金表面泳动并沉积成膜，再经紫外光照交联反应，可固定膜的结构，得到基于自组装胶束粒子的生物医用纳米涂层。

实施例2

一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，其特征步骤如下：

(1)光敏性共聚物的合成：将3.25g甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)，3.14g N,N-二甲氨基乙酯(DMA)和1.09g香豆素丙烯酸酯化物(CA)溶于90mL 1,4-二氧六环中，再加入0.164g偶氮二异丁氰(单体总摩尔量的2％)，通氮气除氧15min，在60℃下恒温反应24h；反应结束后，用石油醚作为沉淀剂，反复沉淀、溶解纯化3次后，真空干燥至恒重，可得到光敏性共聚物(P(HEMA-r-DMA-r-CA))，分子量12000；

(2)光敏性共聚物胶束的制备：将光敏性共聚物溶解于1,4-二氧六环中形成20mg/mL的溶液，在快速搅拌条件下将3倍体积的去离子水快速注入聚合物溶液中，后转移至透析袋中进行透析除去溶剂1,4-二氧六环得到光敏性共聚物胶束水溶液，光敏性共聚物胶束水溶液浓度为4.08mg/mL；

(3)医用纳米涂层的制备：首先用1200目的金相砂纸打磨医用钛合金，然后依次用30mL乙醇和30mL丙酮对基材进行超声处理5min，重复清洗3次；将预处理后的医用钛合金浸入50mL自组装胶束粒子水溶液中，采用阴极电沉积技术施加恒电位电压，恒电位电压值为-15V,电沉积时间为2min；其中以医用钛合金为阴极，铂片电极为阳极，使荷正电荷的自组装胶束粒子向医用钛合金表面泳动并沉积成膜，再经紫外光照交联反应，可固定膜的结构，得到基于自组装胶束粒子的生物医用纳米涂层；将所制备的涂层用SEM表征其形貌，表征结果见说明书附图图3；同时其细胞毒性测试结果见说明书附图图3。

实施例3

一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，其特征步骤如下：

(1)光敏性共聚物的合成：将3.25g甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)，3.14g N,N-二甲氨基乙酯(DMA)和1.09g香豆素丙烯酸酯化物(CA)溶于90mL 1,4-二氧六环中，再加入0.164g偶氮二异丁氰(单体总摩尔量的2％)，通氮气除氧15min，在60℃下恒温反应24h；反应结束后，用石油醚作为沉淀剂，反复沉淀、溶解纯化3次后，真空干燥至恒重，可得到光敏性共聚物(P(HEMA-r-DMA-r-CA))，分子量12000；

(2)光敏性共聚物胶束的制备：将光敏性共聚物溶解于1,4-二氧六环中形成10mg/mL的溶液，在快速搅拌条件下将2倍体积的去离子水快速注入聚合物溶液中，后转移至透析袋中进行透析除去溶剂1,4-二氧六环得到光敏性共聚物胶束水溶液，光敏性共聚物胶束水溶液浓度为2.14mg/mL；

(3)医用纳米涂层的制备：首先用1200目的金相砂纸打磨医用钛合金，然后依次用30mL乙醇和30mL丙酮对基材进行超声处理5min，重复清洗3次；将预处理后的医用钛合金浸入50mL自组装胶束粒子水溶液中，采用阴极电沉积技术施加恒电位电压，恒电位电压值为-10V,电沉积时间为4min；其中以医用钛合金为阴极，铂片电极为阳极，使荷正电荷的自组装胶束粒子向医用钛合金表面泳动并沉积成膜，再经紫外光照交联反应，可固定膜的结构，得到基于自组装胶束粒子的生物医用纳米涂层。

实施例4

(1)光敏性共聚物的合成：将2.83g甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)，2.73g N,N-二甲氨基乙酯(DMA)和1.09g香豆素丙烯酸酯化物(CA)溶于90mL 1,4-二氧六环中，再加入0.148g偶氮二异丁氰(单体总摩尔量的2％)，通氮气除氧15min，在60℃下恒温反应24h；反应结束后，用石油醚作为沉淀剂，反复沉淀、溶解纯化3次后，真空干燥至恒重，可得到光敏性共聚物(P(HEMA-r-DMA-r-CA))，分子量9000；

(2)光敏性共聚物胶束的制备：将光敏性共聚物溶解于1,4-二氧六环中形成20mg/mL的溶液，在快速搅拌条件下将3倍体积的去离子水快速注入聚合物溶液中，后转移至透析袋中进行透析除去溶剂1,4-二氧六环得到光敏性共聚物胶束水溶液，光敏性共聚物胶束水溶液浓度为4.03mg/mL；

(3)医用纳米涂层的制备：首先用1200目的金相砂纸打磨医用钛合金，然后依次用30mL乙醇和30mL丙酮对基材进行超声处理5min，重复清洗3次；将预处理后的医用钛合金浸入50mL自组装胶束粒子水溶液中，采用阴极电沉积技术施加恒电位电压，恒电位电压值为-15V,电沉积时间为2min；其中以医用钛合金为阴极，铂片电极为阳极，使荷正电荷的自组装胶束粒子向医用钛合金表面泳动并沉积成膜，再经紫外光照交联反应，可固定膜的结构，得到基于自组装胶束粒子的生物医用纳米涂层。

实施例5

(1)光敏性共聚物的合成：将2.83g甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)，2.73g N,N-二甲氨基乙酯(DMA)和1.31g香豆素丙烯酸酯化物(CA)溶于90mL 1,4-二氧六环中，再加入0.148g偶氮二异丁氰(单体总摩尔量的2％)，通氮气除氧15min，在60℃下恒温反应24h；反应结束后，用石油醚作为沉淀剂，反复沉淀、溶解纯化3次后，真空干燥至恒重，可得到光敏性共聚物(P(HEMA-r-DMA-r-CA))，分子量9000；

(2)光敏性共聚物胶束的制备：将光敏性共聚物溶解于1,4-二氧六环中形成10mg/mL的溶液，在快速搅拌条件下将2倍体积的去离子水快速注入聚合物溶液中，后转移至透析袋中进行透析除去溶剂1,4-二氧六环得到光敏性共聚物胶束水溶液，光敏性共聚物胶束水溶液浓度为2.10mg/mL；

(3)医用纳米涂层的制备：首先用1200目的金相砂纸打磨医用钛合金，然后依次用30mL乙醇和30mL丙酮对基材进行超声处理5min，重复清洗3次；将预处理后的医用钛合金浸入50mL自组装胶束粒子水溶液中，采用阴极电沉积技术施加恒电位电压，恒电位电压值为-10V,电沉积时间为4min；其中以医用钛合金为阴极，铂片电极为阳极，使荷正电荷的自组装胶束粒子向医用钛合金表面泳动并沉积成膜，再经紫外光照交联反应，可固定膜的结构，得到基于自组装胶束粒子的生物医用纳米涂层。

Claims (8)

1.一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，其特征步骤如下：

(1)光敏性共聚物的合成：将一定量的甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)，N,N-二甲氨基乙酯(DMA)和香豆素丙烯酸酯化物(CA)溶于适量1,4-二氧六环中，加入引发剂偶氮二异丁氰(单体总摩尔量的2％)，通氮气除氧15min，在65℃下恒温反应24h。反应结束后，用石油醚作为沉淀剂，反复沉淀、溶解纯化3次后，真空干燥至恒重，得到光敏性共聚物(P(HEMA-r-DMA-r-CA))；

(2)光敏性共聚物自组装胶束粒子的制备：光敏性共聚物自组装胶束粒子的制备采用瞬间自组装的方法，将一定量光敏性共聚物充分溶解于1,4-二氧六环中，在快速搅拌条件下，迅速注入一定量的蒸馏水，继续搅拌一段时间后转移至透析袋中透析除去溶剂1,4-二氧六环，即可得光敏性共聚物自组装胶束粒子水溶液；

(3)医用纳米涂层的制备：首先用金相砂纸打磨医用钛合金基材，然后将基材依次置于乙醇和丙酮中超声清洗处理，重复清洗3次；以步骤(2)中所制备的自组装胶束粒子溶液为电解液，医用钛合金为阴极，铂片电极为阳极，采用恒电位阴极电沉积技术，使荷正电荷的自组装胶束粒子向医用钛合金表面泳动并沉积成膜，再经紫外光照交联反应，可固定膜的结构，得到基于自组装胶束粒子的生物医用纳米涂层。

2.根据权利要求1中所述的一种光敏性共聚物自组装纳米胶束的制备方法及运用，其特征在于，步骤(1)中所用单体香豆素丙烯酸酯化物(CA)与甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)及N,N-二甲氨基乙酯(DMA)的配比分别为1:1～1:8，1:1～1:10。

3.根据权利要求1中所述的一种光敏性共聚物自组装纳米胶束的制备及运用，其特征在于，步骤(1)中所合成的光敏性共聚物中含有叔氨基团，具有pH响应性和离子响应性。

4.根据权利要求1所述的一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，其特征在于，步骤(2)中所述光敏性共聚物的1,4-二氧六环溶液浓度为1～30mg/mL。

5.根据权利要求1所述的一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，其特征在于，步骤(2)中注入的蒸馏水体积为1,4-二氧六环体积的1～5倍，继续搅拌时间为1～2h，透析时间为3天。

6.根据权利要求1中所述的一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，其特征在于，步骤(2)中所制备的聚合物自组装胶束粒子表面呈荷正电，平均粒径为10～1000nm，胶束浓度为1～10mg/mL。

7.根据权利要求1中所述的一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，其特征在于，步骤(3)中恒电位阴极电沉积电压为-3V～-25V，沉积时间为1s～60min。

8.根据权利要求1中所述的一种光敏性共聚物自组装胶束及其医用纳米涂层的制备，其特征在于，步骤(3)中所制备生物医用纳米涂层具有光敏感响应性、生物相容性及细胞相容性。