CN105126168B - 用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层及制备、用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层及制备、用途。所述涂层的制备包括以下步骤：1)碱性催化剂‑有机溶剂的制备：将碱性催化剂溶于有机溶剂中混合；2)多巴胺单体溶液制备：将多巴胺单体溶于碱性催化剂‑有机溶剂中混合；3)涂层制备：将镁基材料或器件浸入多巴胺单体溶液中，通过自聚合反应原位生长获得聚多巴胺膜层，即可。本发明方法解决了在水溶液环境制备聚多巴胺膜由于镁基易腐蚀导致膜层缺损的问题；制备的涂层具有以下特点及功能：膜层致密完备，显著提高镁基耐腐蚀性能，延缓降解；显著提高镁基材料及器件的生物相容性；还可作为中间层实现二次功能化及多功能化；操作工艺简便，涂层与基体结合力强，厚度可控。

Description

用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层及制备、用途

技术领域

本发明涉及医用材料制备技术领域，具体涉及一种用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层及制备、用途。

背景技术

镁基材料由于其优异的力学性能、可降解性能以及生物相容性，在生物医用材料领域具有良好的发展应用前景。但是，镁较快的降解速度极大地限制了其应用，因此需要对其进行适当的表面改性，从而一方面提高其耐腐蚀性能，另一方面也能进一步改善其生物相容性及其他功能特性。传统的表面修饰方法如化学转化膜法(氟化、磷酸化等)、阳极氧化法等，对于镁基体仅能起到有限的短期保护作用，随着体液中氯离子的渗透进攻使得保护膜层逐渐变为可溶性镁盐而溶解失效。同时，国内外大量实验结果也证明这些传统表面修饰层的生物相容性及血液相容性也有待提高。因此，在实现镁及镁合金医疗器件多功能化的基础上同时提高其耐腐蚀性能，是一个亟待解决的技术难题。

采用可降解的带负电荷的聚多巴胺膜修饰是一种新的对镁及镁合金进行表面多功能化改性的方法。聚多巴胺表面化学是受到海洋生物贻贝利用其分泌的足丝蛋白在巨浪的冲刷下紧紧粘附于礁石和藻类这一自然现象启发而发展起来的表面修饰方法。研究表明，多巴胺是其足丝蛋白中发挥粘附功能的关键成分。多巴胺在碱性环境下易被氧化，通过自聚合反应形成聚多巴胺，并可在多种基底材料上自发形成涂层。聚多巴胺层由于酚羟基的存在，在生理pH值(pH＝7.4)下带负电荷。初步的体外和体内实验已证明聚多巴胺具有良好的生物相容性以及通过氧自由基诱导的体内可降解性。目前，在材料表面修饰聚多巴胺层主要采取的方法是将基体材料浸入在多巴胺溶液中，美国专利20080149566及中国专利CN102000658通过多巴胺在微碱性水溶液中的自聚合反应在材料表面制备聚多巴胺层的方法。但是，对于在水溶液中易腐蚀的材料如镁及镁合金来说，该水溶液环境下的制备方法会同时引发基体镁材料的降解，并且导致制备的膜层有明显缺陷，从而影响材料及医用器件应用时的耐腐蚀性能，达不到理想的表面修饰、改性效果。

申请号为201310647164.9的专利“镁合金表面键合羧甲基壳聚糖生物活性分子的方法”其中一个步骤公开了在镁合金表面沉积聚多巴胺薄膜层，然而该专利文献中，1)聚多巴胺层是用以填充MgO耐腐蚀涂层的大量微孔，来改进制备的MgO涂层表面粗糙多孔、有裂痕的缺陷；2)聚多巴胺层的制备方法为“用0.1mol/L NaOH水溶液调节2mg/mL盐酸多巴胺的乙醇溶液的pH值为8.5，将镁合金在该溶液中浸泡”，反应环境含少量水及氯离子，因此可能会在长时间浸泡中导致基体镁的腐蚀发生；3)需进一步键合羧甲基壳聚糖来提高细胞相容性；因此，其聚多巴胺层的制备除填充MgO耐腐蚀层的孔洞外，主要是用来键合羧甲基壳聚糖生物活性分子来提高生物相容性。因此，该专利同样没有真正解决耐腐蚀性。

因此，对于镁基材料，有必要研究和采用新的制备方法和途径来得到致密、完备的聚多巴胺膜层。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层及制备、用途。本发明是基于在有机溶剂环境中制备仿生聚多巴胺纳米涂层对镁及镁合金器件进行表面多功能化改性，具体是将多巴胺溶解在含有少量中强性碱催化剂的有机溶剂中，通过多巴胺的自聚合作用在镁及镁合金器件表面原位生长制备致密、完备的纳米级聚多巴胺薄膜的表面处理方法。本发明实质上提供了一种通过静电排斥作用这一新颖机理产生抗腐蚀效果的涂层。

本发明一方面利用聚多巴胺膜层在生理pH值下呈现的负电性、通过静电排斥作用来阻碍氯离子的渗透进攻，从而有效提高镁及镁合金材料及器件的耐腐蚀性能；另一方面通过聚多巴胺膜本身良好的生物相容性及抑制镁过快降解的作用来改善组织细胞在镁基材料表面的粘附、存活以及铺展，从而提高镁基材料短期及长期的生物相容性。

此外，聚多巴胺层表面丰富的化学活性基团还便于进行二次功能化，可进一步实现材料及器件的抗菌、抗凝血等其他功能。基于以上诸多特点及效果，本发明是一种非常适合应用于镁基材料及医用器件表面改性处理的新方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种用于镁基(镁或镁合金)医用材料及器件的仿生多功能涂层，所述涂层是由包括如下步骤的方法制备而得：

S1、将碱性催化剂溶解于有机溶剂中形成无水溶剂A；

S2、将多巴胺单体加入所述无水溶剂A中，形成多巴胺单体溶液；

S3、将镁基医用材料及器件浸渍在所述多巴胺单体溶液中，通过自聚合反应原位生长获得聚多巴胺膜层，即所述仿生多功能涂层。

本发明通过浸提法在镁及镁合金材料及器件表面制备聚多巴胺膜层。该聚多巴胺膜在镁基材料及器件表面可形成致密完备的膜层结构，无明显缺陷。该聚多巴胺膜层与镁及镁合金基体的结合力＞10MPa，结合力强，体外降解实验中未见脱落或起泡。修饰该聚多巴胺膜层可显著提高镁及镁合金基底的生物相容性，修饰所述涂层的镁基样品的多种组织细胞毒性在0级-1级间。修饰该聚多巴胺膜层还可显著提高镁及镁合金基底的耐腐蚀性能，体外降解速率可减缓约60％～90％。

优选的，步骤S1中，所述碱催化剂和有机溶剂的质量比为0.005∶1～0.2∶1。更优选为0.03∶1～0.1∶1。

优选的，所述碱催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、甲醇钠、乙醇钾、三乙胺、二乙胺；所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、四氢呋喃、乙二醇、乙酸乙酯。

优选的，所述多巴胺单体溶液中多巴胺单体的浓度为0.5～10mg/mL。更优选浓度为1～5mg/mL。

优选的，所述多巴胺单体选自多巴胺、多巴胺盐酸盐、多巴胺溴酸盐。

优选的，所述浸渍为在空气或氧气气氛中于4～40℃下恒温浸入1～60小时。所述浸渍为多次浸渍，至获得预设厚度的聚多巴胺膜层。具体操作时，是反复不断浸入新配的所述溶液以得到不同厚度涂层。

优选的，所述聚多巴胺膜层的厚度为5nm～1μm。所述聚多巴胺膜在镁基材料及器件表面可形成致密、完备的膜层结构，无明显缺陷。

优选的，步骤S3中，所述镁基医用材料及器件为纯镁金属和Mg-Al系、Mg-Zn系、Mg-Ca系、Mg-Mn系或Mg-RE系等未经任何处理的裸金属镁合金系列合金以及经过预处理的镁基医用材料及器件；所述预处理包括氟化处理、磷酸化处理、阳极氧化处理或微弧氧化处理。

优选的，所述镁基医用材料及器件包括镁基血管支架、骨钉、骨板、骨组织工程支架或神经导管。

优选的，步骤S3中还包括以所述聚多巴胺膜层为中间层，通过表面物化反应实现二次功能化修饰的步骤。所述二次功能化修饰包括肝素、纳米银等表面修饰。

本发明还涉及一种仿生多功能涂层在作为中间层用来嫁接肝素或纳米银中的用途。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的反应溶液为含有碱性催化剂的有机溶剂，无水的反应环境对镁及镁合金基体(包括经过预处理的)没有引起明显的腐蚀作用，制备得到的聚多巴胺膜层完备、致密、均匀，在扫描电镜下无明显缺陷。

(2)本发明制备的聚多巴胺膜结构完整、与基体结合力强、涂层在生理pH条件下带负电，因此可有效抑制体液中氯离子的渗透进攻，极大降低镁基体的降解腐蚀速率，对基体有显著的保护作用。

(3)本发明制备的聚多巴胺膜对初期时组织细胞在镁及镁合金表面(包括经过预处理的)的粘附、存活及铺展，以及长期的细胞生长增殖、功能表达也具有显著的促进作用。经过聚多巴胺膜修饰后的镁基材料的多种组织细胞毒性在1级-0级，满足细胞相容性要求。

(4)本发明的镁及镁合金表面的聚多巴胺膜由于具有化学活性官能团可进一步进行修饰，从而获得镁及镁合金医疗器件的二次功能化和多功能化。

(5)本发明涂层制备方法简便、易行、高效。涂层原位生长，因此可适用于形状复杂的医疗器件。

(6)本发明适用范围广，适用于目前所有的镁及镁合金裸金属以及经过预处理的镁及镁合金材料。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为在未经预处理处理的纯Mg样品表面制备聚多巴胺膜之后的表面XPS谱图；其中，a表示未经表面修饰的纯镁样品，b为经聚多巴胺修饰后的纯镁样品；

图2为使用不同制备方法在Mg-Nd-Zn-Zr合金表面修饰聚多巴胺膜后的SEM扫描显微镜图；其中，(a)为按美国专利20080149566及中国专利CN102000658B的方法在水溶液环境中制备24h；(b)为在含碱性催化剂的有机溶剂环境中制备24h；

图3为在氟化处理的Mg-Nd-Zn-Zr合金样品表面制备聚多巴胺膜后样品的电化学极化曲线图；其中，a表示仅氟化处理的镁合金样品，b为又经聚多巴胺修饰后的镁合金样品；

图4为采用ICP-AES检测不同样品的三天浸提液中的镁离子含量数据；

图5为在氟化处理的Mg-Nd-Zn-Zr合金样品表面制备聚多巴胺膜后粘附的EA.hy926内皮细胞的荧光显微镜照片；其中，(a)内皮细胞在氟化处理的的Mg-Nd-Zn-Zr合金表面的粘附情况；(b)内皮细胞在修饰了聚多巴胺膜后的Mg-Nd-Zn-Zr合金表面的粘附情况。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以进行若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

将0.2wt％-5wt％的三乙胺加入到乙醇中，搅拌混合均匀。按1mg/mL的比例将多巴胺盐酸盐溶解于上述含三乙胺的乙醇溶液中，搅拌充分溶解。把纯Mg圆片样品浸入多巴胺溶液中，30℃浸泡18h，取出，用异丙醇和超纯水依次清洗，超声1min后氮气吹干。图1中XPS检测显示表面修饰后镁表面成分主要为C、N和O，并且各含量与文献报道的聚多巴胺吻合，基底Mg信号基本消失(＜2wt％)。证明在纯镁表面成功制备了一层致密的聚多巴胺膜。椭圆偏振测试结果显示聚多巴胺膜厚约22nm。力学性能测试结果表明聚多巴胺涂层与基体的结合力较强，超过15MPa。采用ICP-AES检测三天浸提液中镁离子含量数据，修饰聚多巴胺膜的样品比纯镁的降解速率降低约71％。

实施例2

将0.3wt％-3wt％的氢氧化钠固体加入到异丙醇溶液中，搅拌溶解。按4mg/mL的比例将多巴胺盐酸盐溶于上述溶液中，搅拌充分溶解。把经过氟化预处理后的Mg-Nd-Zn-Zr合金圆片样品浸入多巴胺溶液中，40℃浸泡24h，取出，用乙醇和超纯水依次清洗，超声1min后氮气吹干。该方法制备的样品在扫描电镜SEM观测下表面光整完备，而按美国专利20080149566及中国专利CN102000658B方法在水溶液中制备24小时的样品呈现明显裂纹(图2)，可见在水溶液环境中制备导致镁基体明显的降解腐蚀，得到的聚多巴膜层不致密完备，有裂缝状缺陷；而有机溶剂中制备的则基体和表面的结构都完备，无明显缺陷。力学性能测试结果表明聚多巴胺涂层与基体的结合力较强，超过10MPa。图3为在氟化处理的Mg-Nd-Zn-Zr合金样品表面制备聚多巴胺膜后样品的电化学极化曲线图，由图3可知，相比于仅氟化处理，聚多巴胺膜将自腐蚀电流降低了约67％，从电化学腐蚀角度说明聚多巴胺膜大幅度提高了镁合金的耐腐蚀性能。采用ICP-AES检测三天浸提液中镁离子含量数据，修饰聚多巴胺膜的样品比氟化预处理后的Mg-Nd-Zn-Zr合金样品的降解速率降低了约82％(图4)，证明体外降解时修饰聚多巴胺膜层可显著降低基体镁合金降解速率。内皮细胞毒性测试结果显示，修饰了聚多巴胺膜的样品的细胞毒性为1级，满足细胞相容性要求。内皮细胞粘附结果显示(附图5)，细胞种植24小时后聚多巴胺处理的样品上粘附的细胞数量比氟化预处理后的Mg-Nd-Zn-Zr镁合金增加了约5倍，并且活细胞比率增加了35％，细胞铺展更好。可见聚多巴胺膜能大幅度提高细胞在镁合金表面的粘附数量、成活率以及铺展状态，生物相容性显著提高。

实施例3

将0.1wt％-3wt％的比例将乙二胺加入到四氢呋喃中，混合均匀。按2mg/mL比例将多巴胺盐酸溶于上述溶液中，搅拌充分溶解。把未表面处理的AZ31(Mg-Al系)合金骨板样品浸入多巴胺溶液中，在摇床上于25℃浸泡8h，取出，用乙醇和超纯水依次清洗，超声1min后氮气吹干。椭圆偏振测试结果显示聚多巴胺膜厚约15nm。力学性能测试结果表明聚多巴胺涂层与基体的结合力较强，超过12MPa。采用ICP-AES检测三天浸提液中镁离子含量数据，修饰聚多巴胺膜的样品比AZ31合金样品的降解速率降低了约64％。成骨细胞MC3T3细胞毒性测试结果显示，修饰了聚多巴胺膜的样品的细胞毒性为0级，满足细胞相容性要求。成骨细胞粘附结果显示，聚多巴胺修饰的镁合金粘附的细胞数量增加了约2.2倍，活细胞数量增加约21％。

实施例4

将0.1wt％-1wt％的比例将甲醇钠加入到乙二醇中，搅拌溶解。按5mg/mL比例将多巴胺盐酸盐溶于上述溶液中，充分溶解。把未表面处理的ZK60(Mg-Zn系)合金样品浸入多巴胺溶液中，30℃浸泡12h，取出，再反复浸入新配置的上述溶液共5次每次浸泡12h后，用乙醇和超纯水依次清洗，超声1min后氮气吹干。椭圆偏振测试结果显示聚多巴胺膜厚约170nm。力学性能测试结果表明聚多巴胺涂层与基体的结合力较强，超过13MPa。采用ICP-AES检测三天浸提液中镁离子含量数据，修饰聚多巴胺膜的样品比ZK60合金样品的降解速率降低了约89％。RSC96神经细胞毒性测试结果显示，修饰了聚多巴胺膜的样品的细胞毒性为0-1级，满足细胞相容性要求。神经细胞粘附结果显示，聚多巴胺修饰的镁合金粘附的细胞数量增加了约3倍，活细胞数量增加约43％。

实施例5

将0.1wt％-2wt％的三乙胺加入到乙醇溶液中，搅拌溶解。按5mg/mL的比例将多巴胺盐酸盐溶于上述溶液中，搅拌充分溶解。把经过氟化预处理后的Mg-Nd-Zn-Zr合金样品浸入多巴胺溶液中，30℃浸泡18h，取出，再反复浸入新配置的上述溶液共10次每次浸泡18h后，用乙醇和超纯水依次清洗，超声1min后氮气吹干。用乙醇和超纯水依次清洗，超声1min后氮气吹干。椭圆偏振测试结果显示聚多巴胺膜厚约310nm。接着将上述修饰了聚多巴胺膜层的样品浸入浓度2-10mg/mL的肝素溶液(pH＝8)中室温反应8小时，取出后超声清洗、氮气吹干，得到表面进一步修饰肝素的表面。该样品血小板粘附实验显示，与未经修饰的Mg-Nd-Zn-Zr合金样品比较，血小板粘附数量减少60％左右，且血小板形态呈现未激活状态的圆球状，证明修饰肝素后的样品血液相容性也显著提高。

实施例6

将0.1wt％-2wt％的三乙胺加入到乙醇溶液中，搅拌溶解。按5mg/mL的比例将多巴胺盐酸盐溶于上述溶液中，搅拌充分溶解。把经过氟化预处理后的Mg-Nd-Zn-Zr合金样品浸入多巴胺溶液中，30℃浸泡18h，取出，再反复浸入新配置的上述溶液共10次每次浸泡18h后，用乙醇和超纯水依次清洗，超声1min后氮气吹干。用乙醇和超纯水依次清洗，超声1min后氮气吹干。椭圆偏振测试结果显示聚多巴胺膜厚约310nm。接着将上述修饰了聚多巴胺膜层的样品浸入100mM硝酸银水溶液中室温反应24小时，取出后去离子水冲洗、氮气吹干，得到表面进一步修饰纳米银的表面。该样品的细菌粘附实验显示，与未经修饰的Mg-Nd-Zn-Zr合金样品比较，S.aureus细菌粘附数量减少约20％，且其中99％以上为死细菌。证明修饰纳米银后的样品抗菌效果也进一步提高。

综上所述，本发明的制备方法最主要解决了在水溶液环境中制备聚多巴胺膜的方法不适合应用于镁及镁合金等易腐蚀降解金属材料、会降低镁合金器件耐蚀性及细胞相容性的问题。并且该方法可通过调节碱性催化剂种类及用量、以及多巴胺的浓度，控制多巴胺的自聚合速率，从而控制镁及镁合金器件表面聚多巴胺膜的生成速率、膜层厚度以及表面粗糙度等；并可通过调节自聚合反应时间以及反复浸提的次数控制表面聚多巴胺膜层的厚度，从而调节其对基底镁的耐腐蚀性能及生物相容性。该表面处理方法简便、易行、高效。

进一步的，与申请号为201310647164.9的专利相比，本发明中，1)聚多巴胺层可沉积在未处理、或各种预处理的镁或镁合金表面，包括氟化镁等表面光洁无缺陷的预处理转化涂层，是利用聚多巴胺的负电性通过静电排斥作用来减缓基体降解；2)本发明制备聚多巴胺膜层的方法是在无水的有机溶剂环境中，这样完全排除了涂层形成过程中基体镁的腐蚀；3)按本发明方案中制备得到的聚多巴胺层本身已可显著提高多种组织细胞的生物相容性，无需如201310647164.9中进一步键合羧甲基壳聚糖来提高细胞相容性；4)本发明的聚多巴胺层可直接作为中间层用来嫁接肝素、纳米银，来增加其抗凝血、抗菌等多种功效。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层，其特征在于，所述涂层是由包括如下步骤的方法制备而得：

S1、将碱性催化剂溶解于有机溶剂中形成溶剂A；

S2、将多巴胺单体加入所述溶剂A中，形成多巴胺单体溶液；

S3、将镁基医用材料及器件浸渍在所述多巴胺单体溶液中，通过自聚合反应原位生长获得聚多巴胺膜层，即所述仿生多功能涂层；

步骤S3中，所述镁基医用材料及器件为经过预处理的镁基医用材料及器件；所述预处理包括氟化处理、磷酸化处理、阳极氧化处理或微弧氧化处理；

步骤S3中还包括以所述聚多巴胺膜层为中间层，通过表面物化反应实现二次功能化修饰的步骤。

2.根据权利要求1所述的用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层，其特征在于，步骤S1中，所述碱性 催化剂和有机溶剂的质量比为0.005:1～0.2:1。

3.根据权利要求1或2所述的用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层，其特征在于，所述碱性 催化剂选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、甲醇钠、乙醇钾、三乙胺、二乙胺；所述有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙醇、四氢呋喃、乙二醇、乙酸乙酯。

4.根据权利要求1所述的用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层，其特征在于，所述多巴胺单体溶液中多巴胺单体的浓度为0.5～10mg/mL；所述多巴胺单体选自多巴胺、多巴胺盐酸盐、多巴胺溴酸盐。

5.根据权利要求1所述的用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层，其特征在于，所述浸渍为在空气或氧气气氛中于4～40℃下恒温浸入1～60小时。

6.根据权利要求1所述的用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层，其特征在于，所述聚多巴胺膜层的厚度为5nm～1μm。

7.根据权利要求1所述的用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层，其特征在于，所述镁基医用材料及器件包括镁基血管支架、骨钉、骨板、骨组织工程支架或神经导管。

8.一种根据权利要求1所述的用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层在作为中间层用来嫁接肝素或纳米银中的用途。