CN104195535A - 一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法 - Google Patents
一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，其步骤包括配制pH＝7～12的Tris-buffer缓冲溶液，并向其中加入一定浓度的具有酚羟基结构的化合物或同时加入一定浓度具有多氨基结构的化合物。本发明方法具有反应条件温和、操作简单易行、成本较低、利于后期处理等优点。采用本发明方法制得的改性涂层处理的镁基金属材料具有较优异的耐腐蚀能力。通过不同组分的引入，所制得的材料中可成功引入多种反应性官能团，可用于后续生物分子(如肝素、内皮细胞生长因子VEGF、各种生物功能蛋白等)固定或生物功能引入，并发挥相应的生物学功能。也为镁及其合金在心血管材料的应用提供了一种新型的研究模型。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学工程功能材料，尤其是生物医用可降解金属材料表面改性技术领域。
背景技术
镁合金用于生物医用领域，相对于传统生物医用不锈钢、钛合金等金属材料，具有可腐蚀降解的优势，但其由于具有较高的化学及电化学活性，在生理环境中长期面临降解过快的难题。具有优异性能的抗腐蚀材料表面也一直是镁基生物医用类材料实现功能的考察手段和目的。
使用化学转化膜的方法处理镁合金是提高其耐腐蚀性的有效方法，因其操作简单，成本低廉而被广泛应用。化学转化膜是通过合金与某种特定液体相接触，发生化学反应，在金属表面形成一层附着力良好的难溶性的化合物膜层，从而保护基底材料不受水和其他腐蚀性环境影响。目前工业常用的方式包括：铬酸盐转化法、磷酸盐转化法、稀土盐转化法等无机化合物转化方法；有机金属化合物转化法、有机酸化合物(如植酸、吡唑类化合物)转化法等等。而对于应用于生物医用镁合金材料的化学转化膜层的成分要求安全无毒，这就要求转化膜层由无机转化向有机转化发展，并且所选择的有机成分应当具有较好的生物相容性。
将植物多酚类化合物用作生物医用镁合金表面改性涂层的构建，具有以下的理论支撑：1)邻酚结构可以与镁离子或合金材料中的锌、锰等离子发生螯合作用，多酚结构可辅助此类金属离子在镁基材料表面有效的转化沉积。这属于传统的化学转化膜改性镁基材料耐腐蚀能力的范畴，转化膜的生长过程类似；2)邻酚结构与氨基之间可发生希夫碱和迈克尔加成反应，这为在多酚与镁形成螯合的同时，同步的引入带有氨基的功能分子提供了理论支撑；3)与此同时，植物多酚 类化合物特别是茶多酚类化合物由于其良好的抗氧化能力，可保护血管内皮细胞免受氧化应激损伤，在镁基材料降解过程中，具有抗氧化性能的多酚金属配合物游离释放，在一定范围内可以维持局部血管内正常的氧化还原平衡。
基于以上理论前提，研究探讨获得一种便利有效的工艺方法，使茶多酚物质与镁基基底以配位化合的模式制备有机转化耐腐蚀涂层并同时引入具有反应性和生物功能性的官能团，并发挥其相应的生物学功能，具有重要的研究与应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，以多酚结构与金属离子配位化合的模式组装制备改性涂层，并使之具有操作简单、成本较低，普适性广的优点。
本发明一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，包括如下步骤：
1、将需要改性修饰的基底材料进行抛光、清洗、干燥；
2、将A步骤所得样品放置于pH＝7-12的Tris-buffer缓冲体系，然后向体系中加入浓度为0.1mg/ml-10mg/ml的具有酚羟基结构的化合物或同时加入浓度为1mg/ml-10mg/ml的具有多氨基结构的化合物，在10-30℃下，反应1-24h；
3、对B步骤所得样品，去离子水浸没，超声清洗3次，每次5min，然后在N2条件下干燥，即得目标材料。
采用本发明方法，通过将具有酚羟基结构的化合物组装到生物医用镁基材料表面，一方面可以控制生物医用镁基材料的降解速度，另一方面可以通过酚羟基结构引入有效官能团，便于后续生物分子接枝改性，具有很高的研究和应用价值。植物多酚类物质可以与金属离子发生螯合，形成稳定的络合物，转化覆盖在金属表面，起到物理屏蔽、钝化表面电极电位、阻碍电子转移，从而达到抗蚀的目的。同时多酚 类化合物较容易被氧化脱氢，其结构中的邻苯二酚易氧化成邻苯二醌结构，该结构可进一步与含有氨基的化合物发生迈克尔加成反应和希夫碱反应，因此将多酚类化合物与分子结构中含两个或两个以上氨基的化合物反应，引入氨基从而实现表面官能化的目的。
聚乙烯亚胺、丁二胺、己二胺、胱胺、赖氨酸、胶原蛋白、壳聚糖等具有多个氨基的分子结构，能与多酚类化合物发生迈克尔加成反应和希夫碱反应，在材料表面形成交联聚合涂层。涂层中的含有较高浓度的酚羟基、醌基、羧基和氨基，这些基团都有很好的化学反应活性，非常有利于后续后续生物分子固定。此外，涂层中胱胺、硒代胱胺等引入使其具备了原位诱导内源性一氧化氮(NO)供体催化分解释放NO信号因子的能力，进而发挥相应的生物学功能，具有很高的研究和应用价值。值得注意的是，涂层中的多酚组分还具有优异的抗氧化性和清除氧自由基的能力，对心脑血管具有保护作用。多酚类化合物的分子结构中含有大量的邻位酚羟基，这些邻位酚羟基可与镁基底形成稳定螯合作用，因此多酚类化合物能在金属表面形成较稳定的固定或结合，并有效提高镁基底的抗蚀能力。
采用本发明方法制备的新型抗腐蚀兼顾表面功能化修饰的植物多酚涂层，具有优异的提高生物医用镁基材料抗蚀能力，同时涂层自身对心血管组织具有保护功效，并能有效的引入反应性官能团，以固定生物分子，实现多重的生物医学功能。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
1)传统的生物医用镁基材料表面改性方法，例如采用可降解聚合物涂层镁基材料，存在与金属基底的结合能力较弱的问题，涂层的酸性降解产物还可能加速镁合金的降解。本发明利用多酚类有机物，其与基底结合力较强并具有较好的抗蚀能力；
2)传统的应用于镁基生物材料的化学转化类薄膜，缺乏高活性的官能团作为反应位点，难于开展后续的载药及生物分子固定。而本发明利用植物多酚化合物，本身具有较好的 生物相容性，并且利用植物多酚介入有机转化层的构建，不仅可以有效提高抗蚀能力，同时可以引入多种官能团，利于后续载药及生物分子的固定。
3)曾有相关表面引入多酚类物质，以提高镁基材料表面抗蚀能力的研究报道，但并未将其应用于生物医用领域。植物多酚特别是茶多酚还有益于人类健康，被美国食品和药品监督管理局定为公认安全(generally recognized as safe，GRAS)，本身具有一定的药理作用，如清除血管中氧自由基、抗氧化、降低血脂肪、防止动脉硬化、血栓形成、保护血管壁等功能。
4)本发明所需制备的涂层，原料投入很少，且可以在多种镁基材料表面进行修饰。与传统的抗凝血手段相比，操作简单，成本较低，普适性广。
附图说明
下面结合附图和实施案例对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明所制备植物多酚有机转化涂层改性的镁锌锰(MgZnMn)表面的X射线光电子能谱(XPS)结果。
图2是用本发明制备的基于植物多酚的有机转化涂层对镁锌锰合金抗蚀能力提高的电化学阻抗图谱(EIS)。茶多酚有机转化膜层制备在医用镁锌锰合金表面(MgZnMn)，图中，MgZnMnCA-PEI：邻苯二酚与聚乙烯亚胺共聚转化涂层修饰的MgZnMn；MgZnMn：未改性裸材，作为对照样。
图3是MgZnMn表面有机转化层构建后，接枝肝素生物分子的血小板粘附评价。MgZnMn与MgZnMnCA-PEI的意义与图2中相同，MgZnMnCA-PEIHep:转化涂层修饰后再进行肝素接枝。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的实施作进一步的描述。
在实际实施中：
所述具有邻酚结构的化合物为邻苯二酚、表儿茶素、表没食子儿茶素、表没食子儿茶素没食子酸酯、表儿茶素没食子酸酯、没食子酸、单宁酸中的一种。
所述具有含氨基的化合物为丁二胺、己二胺、胱胺、聚乙烯亚胺、胱胺酸、胶原蛋白、壳聚糖中的一种。
所述的一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，其特征在于，所述基底材料为镁基生物材料，包括：生物医用纯镁，WE43镁合金，镁锌锰合金、镁钙合金等。
在以下实施例中，基体以外的化学试剂除特别声明的外均为分析。
实施例1
一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，由如下步骤获得：
A、将需要改性修饰的纯镁材料进行抛光、清洗、干燥；
B、将A步骤所得样品放置于pH＝7的缓冲体系，然后向体系中加入浓度为0.5mg/ml的表没食子儿茶素没食子酸酯EGCG，在10℃下，反应1h；
C、对B步骤所得样品，去离子水浸没，超声清洗3次，每次5min，然后在N2条件下干燥，即得目标材料。
实施例2
一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，由如下步骤获得：
A、将需要改性修饰的镁锌锰合金材料进行抛光、清洗、干燥；
B、将A步骤所得样品放置于pH＝12的缓冲体系，然后向体系中加入浓度为10mg/ml的表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)和浓度为10mg/ml的硒代胱胺，在30℃下，反应6h；
C、对B步骤所得样品，去离子水浸没，超声清洗3次，每次5min，然后在N2条件下干燥，即得目标材料。
实施例3
一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，由如下步骤获得：
A、将需要改性修饰的WE43镁合金进行抛光、清洗、干燥；
B、将A步骤所得样品放置于pH＝7的Tris-buffer缓冲体系，随后往体系中加入浓度为0.1mg/ml的具有邻酚羟基结构的单宁酸，同时加入浓度为1mg/ml的己二胺，在10℃下，反应1h；
C、对B步骤所得样品，去离子水浸没，超声清洗3次，每次5min，然后在N2条件下干燥，即得目标材料。
实施例4
一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，由如下步骤获得：
A、将需要改性修饰的AZ31镁合金进行抛光、清洗、干燥；
B、将A步骤所得样品放置于pH＝8的缓冲体系，然后向体系中加入浓度为2mg/ml的表儿茶素没食子酸酯(ECG)和浓度为3mg/ml的聚乙烯亚胺(PEI)，在20℃下，反应12h；
C、对B步骤所得样品，去离子水浸没，超声清洗3次，每次5min，然后在N2条件下干燥，即得目标材料。
实施例5
一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，由如下步骤获得：
A、将需要改性修饰的镁锌锰合金材料进行抛光、清洗、干燥；
B、将A步骤所得样品放置于pH＝9的缓冲体系，然后向体系中加 入浓度为2mg/ml的邻苯二酚和浓度为4mg/ml的胱氨酸，在20℃下，反应12h；
C、对B步骤所得样品，去离子水浸没，超声清洗3次，每次5min，然后在N2条件下干燥，即得目标材料。
实施例6
一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，由如下步骤获得：
A、将需要改性修饰的纯镁进行抛光、清洗、干燥；
B、将A步骤所得样品放置于pH＝10的缓冲体系，然后向体系中加入浓度为2mg/ml的具有表儿茶素(EC)的化合物和浓度为4mg/ml的胶原蛋白，在25℃下，反应18h；
C、对B步骤所得样品，去离子水浸没，超声清洗3次，每次5min，然后在N2条件下干燥，即得目标材料。
实施例6
一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，由如下步骤获得：
A、将需要改性修饰的WE43镁合金材料进行抛光、清洗、干燥；
B、将A步骤所得样品放置于pH＝11的缓冲体系，然后向体系中加入浓度为1mg/ml的没食子酸和浓度为3mg/ml的胱胺，在22℃下，反应20h；
C、对B步骤所得样品，去离子水浸没，超声清洗3次，每次5min，然后在N2条件下干燥，即得目标材料。
实施例7
一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，由如下步骤获得：
A、将需要改性修饰的镁锌锰合金材料进行抛光、清洗、干燥；
B、将A步骤所得样品放置于pH＝12的缓冲体系，然后向体系中加入浓度为5mg/ml的表儿茶素和浓度为10mg/ml的壳聚糖，在30℃下，反应12h；
D、对B步骤所得样品，去离子水浸没，超声清洗3次，每次5min，然后在N2条件下干燥，即得目标材料。
Claims (4)
1.一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，包括如下步骤获得：
A、将需要改性修饰的基底材料进行抛光、清洗、干燥；
B、将A步骤所得样品放置于pH＝7～12的Tris-buffer缓冲体系，随后往体系中加入浓度为0.1mg/ml-10mg/ml的具有邻酚羟基结构的小分子物质，或同时加入浓度为1mg/ml-10mg/ml的具有多氨基结构的化合物，在10-30℃下，反应1-24h；
C、对B步骤所得样品，去离子水浸没，超声清洗3次，每次5min，然后在N2条件下干燥，即得目标材料。
2.如权利要求1所述的一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀能力与表面功能化的修饰方法，其特征在于，所述具有酚羟基结构的化合物为邻苯二酚(Catechol,CA)、表儿茶素(L-Epicatechin,EC)、表没食子儿茶素((-)-epigallocatechin,EGC)、表没食子儿茶素没食子酸酯(Epigallocatechin gallate,EGCG)、表儿茶素没食子酸酯((-)-Epicatechin gallate,ECG)、没食子酸(Gallic acid)、单宁酸(Tannic acid)的一种。
3.如权利要求1所述的一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，其特征在于，所述具有多氨基结构的化合物为精氨酸、赖氨酸、多聚赖氨酸、丁二胺、己二胺、胱胺、硒代胱胺、聚乙烯亚胺、胱氨酸、胶原蛋白、壳聚糖的一种。
4.如权利要求1所述的一种提高生物医用镁基金属材料耐腐蚀性能与表面功能化的修饰方法，其特征在于，所述基底材料可为医用金属镁基材料，包括：纯镁；商用镁合金体系，包括镁铝系(Mg-Al)、镁稀土系(Mg-RE)合金，如AZ31镁合金、AZ91镁合金、WE43镁合金等；新型生物医用镁合金，包括AE21镁合金、Mg-Mn-Zn合金、Mg-Si合金。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20141210 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |