CN111671983A - 生物医用材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种生物医用材料的制备方法，其包括以下步骤提供基底；将所述基底置于包括生物配体的第一溶液中，所述生物配体包括盐酸多巴胺和多酚化合物中的至少一种，所述生物配体能够发生自聚合反应，从而在所述基底的表面形成聚多巴胺链接层；在所述聚多巴胺链接层上形成亲水润滑涂层，从而得到所述生物医用材料。本发明还提供一种生物医用材料。本发明的制备方法过程简单易行，有利于规模化生产，在生物医用材料表面形成亲水润滑且牢固的涂层，亲水润滑性显著，能有效改善生物医用材料的表面性能。
Description
技术领域
本发明涉及生物医用材料技术领域，尤其涉及一种生物医用材料及其制备方法。
背景技术
介入医疗器械表面直接与人体接触会与组织产生摩擦，损伤组织，增加患者的疼痛感。通过医疗器械表面改性，增加表面的亲水性和润滑性能够显著降低摩擦力，有效减轻患者的不适感和避免插入过程中由于粘膜和组织细胞损伤引起的并发症。将亲水性聚合物涂覆在医疗器械表面是最简单的表面改性技术，但这种亲水涂层的牢固性较弱，容易脱落。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种生物医用材料的方法，可制备得到一种具有亲水性、摩擦力低、牢固性、不易脱落的生物医用材料。
另。本发明还提供一种生物医用材料。
本发明提供的一种生物医用材料的制备方法，包括以下步骤：
提供基底；
将所述基底置于包括生物配体的第一溶液中，所述生物配体包括盐酸多巴胺和多酚化合物中的至少一种，所述生物配体能够发生自聚合反应，从而在所述基底的表面形成聚多巴胺链接层；
在所述聚多巴胺链接层上形成亲水润滑涂层，从而得到所述生物医用材料。
进一步，所述第一溶液还包括缓冲溶液，所述缓冲溶液包括三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液、吗啉代磺酸缓冲溶液、N-2-羟乙基哌嗪-N-3-丙磺酸缓冲溶液中的一种或多种，所述第一溶液的pH值为8.0～8.9。
进一步，所述多酚化合物包括类黄酮、儿茶酚、黄烷酮、花青素、邻苯二酚和邻苯三酚中的至少一种。
进一步，所述生物配体在所述第一溶液中的浓度为0.01mg/mL～20mg/mL。
进一步，所述自聚合反应在摇床内进行，所述自聚合反应的温度为25℃～60℃，所述自聚合反应的时间为20h～28h，所述摇床的转速为5rpm～100rpm。
进一步，所述亲水润滑涂层的制备包括以下步骤：
在所述聚多巴胺链接层上施加第二溶液，所述第二溶液包括亲水聚合物和光引发剂；以及
对所述第二溶液进行光照固化，使所述亲水聚合物在所述光引发剂的作用下交联固化，从而形成所述亲水润滑涂层。
进一步，所述亲水聚合物包括第一亲水聚合物，所述第一亲水聚合物包括甲基丙烯酸透明质酸及其衍生物、甲基丙烯酸壳聚糖及其衍生物、甲基丙烯酸胶原、甲基丙烯酸海藻酸钠及其衍生物、甲基丙烯酸明胶及其衍生物、甲基丙烯酸硫酸软骨素及其衍生物、甲基丙烯酸甲壳糖及其衍生物、聚乙烯醇、甲基丙烯酸聚乙二醇及其衍生物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醚中的一种或多种。
进一步，所述亲水聚合物还包括第二亲水聚合物，所述第二亲水聚合物包括聚-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯、透明质酸及其衍生物、壳聚糖及其衍生物、黄原胶、琼脂糖、海藻酸钠、明胶、硫酸软骨素、甲壳糖、聚乙烯醇、聚乙二醇及其衍生物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醚中的一种或多种。
进一步，所述第一亲水聚合物与所述第二亲水聚合物的质量比为0.1～2，所述第一亲水聚合物与所述第二亲水聚合物在所述第二溶液中的浓度均为1mg/mL～200mg/mL。
进一步，所述基底包括不锈钢、钴基合金、钛及其合金、镁及其合金、纯铁、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、医用聚砜、医用聚硅氧烷、聚醚砜膜、聚氨酯和天然橡胶中的一种。
本发明还提供一种如上所述的生物医用材料的制备方法制备的生物医用材料，包括基底、聚多巴胺链接层和亲水润滑涂层，所述聚多巴胺链接层用于链接所述基底和所述亲水润滑涂层。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明通过生物配体氧化自聚合沉积，在基底材料表面形成一层聚多巴胺链接层，能够牢固地链接基底材料和亲水润滑涂层材料，在生物医用材料表面形成亲水润滑、牢固性良好的涂层。由于生物配体在弱碱性环境发生氧化自聚合，并在不同基材表面都能形成聚多巴胺链接层，因此该方法适用于大部分生物材料表面的改性。本发明的工艺过程简单易行，有利于规模化生产，亲水润滑性显著，能够有效改善生物医用材料的表面性能。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的技术手段的名称只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供一种生物医用材料的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S1，提供基底，对基底材料进行预处理。
所述基底材料包括不锈钢、钴基合金、钛及其合金、镁及其合金、纯铁、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、医用聚砜、医用聚硅氧烷、聚醚砜膜、聚氨酯和天然橡胶中的一种。
针对上述不同的材料，进行超声波清洗，将所述基底材料表面的灰尘、脏污、氧化层等去除掉，清洗后进行真空干燥，备用。具体的清洗方法，可以根据不同的材料选择能够达到上述预处理目的的现有技术即可。
步骤S2，在所述基底的表面形成聚多巴胺链接层。
将步骤S1预处理后的所述基底置于包括缓冲溶液和生物配体的第一混合溶液中，所述生物配体包括盐酸多巴胺和多酚化合物中的至少一种，所述生物配体在所述缓冲溶液存在的弱碱性环境下能够发生自聚合反应，从而在所述基底的表面沉积形成聚多巴胺链接层。
本实施方式中，所述缓冲溶液包括三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(Tris-HCl)、吗啉代磺酸缓冲溶液(MES)、N-2-羟乙基哌嗪-N-3-丙磺酸(HEPPS)缓冲溶液中的一种或多种的混合物。由于pH值对形成的聚多巴胺链接层的厚度、牢固度以及聚合物的形态有很大的影响，本实施方式中当所述pH值为8.0-8.9，在这个范围内所述生物配体能够形成比较牢固的聚多巴胺链接层，优选pH值为8.3～8.7，进一步优选pH值为8.5～8.6，当pH值为8.5～8.6时，形成的聚多巴胺链接层更牢固。
本实施方式中，所述多酚化合物包括类黄酮、儿茶酚、黄烷酮、花青素、邻苯二酚和邻苯三酚中的一种或多种的混合物。
本实施方式中，所述生物配体在所述第一溶液中的浓度为0.01mg/mL～20mg/mL。
本实施方式中，所述自聚合反应在摇床内进行，所述自聚合反应的温度为25℃～60℃，所述自聚合反应的时间为20h～28h，所述摇床的转速为5rpm～100rpm。
本发明通过生物配体在所述缓冲溶液存在的弱碱性环境下能够发生氧化自聚沉积，在所述基底的表面形成一层聚多巴胺链接层，所述聚多巴胺链接层能够牢固地链接基底材料和面层的亲水润滑涂层材料。而且，由于生物配体在弱碱性环境发生氧化自聚合，并在不同的所述基底表面都能形成所述聚多巴胺链接层，因此该方法适用于大部分生物材料表面的改性。本实施方式中，盐酸多巴胺能够发生氧化自聚合沉积形成聚多巴胺，多酚化合物也会氧化自聚合沉积形成聚多巴胺结构。研究发现聚多巴胺(PDA)具有超强的黏附性能，在碱性条件下，PDA可在各种材料的表面迅速沉积成膜，其中含有大量亲水的羟基和氨基官能团，可有效提高材料表面的亲水性和化学多功能性，本发明实施例采用PDA可作为中间层，从而可以在所述基底材料的表面强力结合亲水润滑功能分子。而且PDA的形成过程简单且不需要有机溶剂，同时PDA可促进细胞的黏附，具有良好的生物相容性，更适用于生物材料表面的改性。
步骤S3，聚多巴胺涂层的干燥。
将表面形成聚多巴胺链接层的所述基底材料用去离子水清洗6～10次，每次清洗的时间为1min～6min，再置于真空条件下进行干燥，干燥的温度为40℃～60℃。
步骤S4，在所述聚多巴胺链接层上形成亲水润滑涂层，从而得到所述生物医用材料，具体步骤如下：
在所述聚多巴胺链接层上施加第二溶液，所述第二溶液包括亲水聚合物和光引发剂；以及
对所述第二溶液进行光照固化，使所述亲水聚合物在所述光引发剂的作用下交联固化，从而形成所述亲水润滑涂层。
本实施方式中，所述亲水聚合物包括第一亲水聚合物和/或第二亲水聚合物，所述第一亲水聚合物为含光固化官能团的亲水聚合物，包括甲基丙烯酸透明质酸及其衍生物、甲基丙烯酸壳聚糖及其衍生物、甲基丙烯酸胶原、甲基丙烯酸海藻酸钠及其衍生物、甲基丙烯酸明胶及其衍生物、甲基丙烯酸硫酸软骨素及其衍生物、甲基丙烯酸甲壳糖及其衍生物、聚乙烯醇(PVA)、甲基丙烯酸聚乙二醇(PEG)及其衍生物、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醚中的一种或多种的混合物。所述第一亲水聚合物在所述第二溶液中的浓度均为1mg/mL～200mg/mL。
所述第二亲水聚合物包括聚-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯、透明质酸及其衍生物、壳聚糖及其衍生物、黄原胶、琼脂糖、海藻酸钠、明胶、硫酸软骨素、甲壳糖、聚乙烯醇、聚乙二醇及其衍生物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醚中的一种或多种的混合物。所述第二亲水聚合物在所述第二溶液中的浓度均为1mg/mL～200mg/mL。
本实施方式中，当同时添加所述第一亲水聚合物和所述第二亲水聚合物时，所述第一亲水聚合物与所述第二亲水聚合物的质量比为0.1～2。
本实施方式中，所述光引发剂为2-羟基-4’(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(Irgacure 2959)。
本实施方式中，所述溶剂包括水、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、醋酸、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或多种。
本实施方式中，将所述第二溶液经过紫外(UV)辐照一段时间进行固化，使所述聚多巴胺链接层与所述亲水润滑涂层材料之间交联固化，在所述聚多巴胺链接层的表面接上亲水润滑功能分子，从而形成亲水润滑涂层。
本发明通过在所述基底的表面增加所述聚多巴胺链接层，能够与亲水润滑材料形成网络键合结构，使亲水润滑材料与所述基底结合的更牢固，从而提升生物医用材料的表面亲水润滑性，同时提升生物医用材料表面亲水润滑涂层的牢固性。
下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
步骤S1，基底材料进行预处理。
基底材料选择为不锈钢材料时，对不锈钢的基底材料进行抛光处理，表面粗糙度为1-5nm。将抛光好的不锈钢基底材料浸渍在铬酸洗液中，超声清洗15min；然后浸渍在丙酮溶液中，超声清洗20min；再浸渍在无水乙醇溶液中，超声清洗20min；最后浸渍在去离子水中，超声清洗20min，每5min换一次去离子水。将清洗后的不锈钢样品在真空条件下进行干燥，备用。
步骤S2，在所述基底的表面形成聚多巴胺链接层。
配置50mM的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(Tris-HCl)溶液，PH值调节为8.5。然后配置2mg/mL的盐酸多巴胺溶液(DOPA)，将三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(Tris-HCl)溶液与盐酸多巴胺溶液混合，得到第一溶液，将步骤S1预处理后的不锈钢基底材料浸渍在上述第一溶液中，置于摇床内，反应的温度为45℃，转速为50rpm，反应的时间为24h。
步骤S3，聚多巴胺链接层的干燥。
将表面形成聚多巴胺链接层的所述基底材料用去离子水清洗6次，每次清洗浸泡的时间为5min，最后氮气吹干，真空保存。
步骤S4，在所述聚多巴胺链接层上形成亲水润滑涂层，从而得到所述生物医用材料。
在45℃的条件下，配置20mg/mL的甲基丙烯酸明胶和聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K90)的混合水溶液(质量比为65:35)，然后加入2％(wt/v)的光引发剂为2-羟基-4’(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(Irgacure 2959)，溶解2h，得到均一的第二溶液；然后将步骤S3处理后的不锈钢材料浸渍在混合溶液中，用12μm的涂抹棒进行涂膜，将不锈钢基底材料表面的涂层涂抹均匀，使所述聚多巴胺链接层的表面附着一层亲水润滑涂层材料。
取出附着有第二溶液的基底材料紫外(UV)辐照10min进行固化，使所述聚多巴胺链接层与第二溶液之间交联固化，使基底材料的表面形成一层亲水润滑涂层，最终得到所述生物医用材料。
实施例2
步骤S1，基底材料进行预处理。
具体步骤同实施例1中的步骤S1。
步骤S2，在所述基底的表面形成聚多巴胺链接层。
具体步骤同实施例1中的步骤S2。
步骤S3，聚多巴胺链接层的干燥。
具体步骤同实施例1中的步骤S3。
步骤S4，在所述聚多巴胺链接层上形成亲水润滑涂层，从而得到所述生物医用材料。
在室温的条件下，配置6(wt)％的甲基丙烯酸聚乙二醇(200)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K90)混合乙醇溶液(质量比为40:60)，然后加入2％(wt/v)的光引发剂为2-羟基-4’(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(Irgacure 2959)，溶解2h，得到均一的第二溶液；然后将步骤S3处理后的不锈钢材料浸渍在混合溶液中，用12μm的涂抹棒进行涂膜，将不锈钢基底材料表面的涂层涂抹均匀，使所述聚多巴胺链接层的表面附着一层亲水润滑涂层材料。
取出附着有第二溶液的基底材料紫外(UV)辐照3min进行固化，使所述聚多巴胺链接层与第二溶液之间交联固化，使基底材料的表面形成一层亲水润滑涂层，最终得到所述生物医用材料。
实施例3
步骤S1，基底材料进行预处理。
具体步骤同实施例1中的步骤S1。
步骤S2，在所述基底的表面形成聚多巴胺链接层。
具体步骤同实施例1中的步骤S2。
步骤S3，聚多巴胺链接层的干燥。
具体步骤同实施例1中的步骤S3。
步骤S4，在所述聚多巴胺链接层上形成亲水润滑涂层，从而得到所述生物医用材料。
在室温条件下，配置20(wt)％的甲基丙烯酸透明质酸和聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K90)的混合溶液(质量比为65:35)，溶剂为水和丙酮的混合溶液(两者的体积比为50:50)，磁力搅拌24h；然后加入1％(wt/v)的光引发剂为2-羟基-4’(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(Irgacure 2959)，溶解2h，得到均一的第二溶液；然后将步骤(2)处理后的不锈钢材料浸渍在混合溶液中，用20μm的涂抹棒进行涂膜，将不锈钢基底材料表面的涂层涂抹均匀，使所述聚多巴胺链接层的表面附着一层亲水润滑涂层材料。
取出附着有第二溶液的基底材料紫外(UV)辐照15min进行固化，使所述聚多巴胺链接层与第二溶液之间交联固化，使基底材料的表面形成一层亲水润滑涂层，最终得到所述生物医用材料。
实施例4
步骤S1，基底材料进行预处理。
所述基底材料选择聚氨酯(PU)，将所述基底材料用苯甲醚浸泡24h，除去杂质，然后浸渍在丙酮溶液中，超声清洗20min；再浸渍在无水乙醇溶液中，浸泡24h；最后浸渍在去离子水中，超声清洗20min，每5min换一次去离子水。最后真空干燥，备用。
步骤S2，在所述基底的表面形成聚多巴胺链接层。
配置0.1M的吗啉代磺酸缓冲(MES)溶液，PH值调节为8.6，然后配置3mg/mL的盐酸多巴胺溶液，混合两溶液得到第一溶液，并将步骤S2预处理后的PU基底材料浸渍在上述第一溶液中，置于摇床内，温度为60℃，转速为50rpm，反应24h。
步骤S3，聚多巴胺链接层的干燥。
将上述反应后的PU基底材料用去离子水清洗6次，每次浸泡5min，最后氮气吹干，真空保存。
步骤S4，在所述聚多巴胺链接层上形成亲水润滑涂层，从而得到所述生物医用材料。
在室温下，配置3.5(wt)％的甲基丙烯酸聚乙二醇(200)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP-K90)混合乙醇溶液(质量比为40:60)，然后加入1％(wt/v)的光引发剂为2-羟基-4’(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(Irgacure 2959)，溶解2h，得到均一的第二溶液；然后将步骤S3处理后的PU基底材料浸渍在混合溶液中。
取出在第二溶液中反应后的PU基底材料在紫外光下辐照3min，即可制备得到具有亲水润滑涂层的PU基底材料。
实施例5
步骤S1，基底材料进行预处理。
具体步骤同实施例4中的步骤S1。
步骤S2，在所述基底的表面形成聚多巴胺链接层。
配置0.1M的吗啉代磺酸缓冲(MES)溶液，PH值调节为8.6，然后配置4mg/mL的儿茶酚，混合两溶液得到第一溶液，并将步骤S2预处理后的PU基底材料浸渍在上述第一溶液中，置于摇床内，温度为60℃，转速为50rpm，反应24h。
步骤S3，聚多巴胺链接层的干燥。
具体步骤同实施例4中的步骤S3。
步骤S4，在所述聚多巴胺链接层上形成亲水润滑涂层，从而得到所述生物医用材料。
具体步骤同实施例4中的步骤S4。
综上所述，本发明的有益效果在于：本发明通过生物配体氧化自聚沉积，在基底材料表面形成一层聚多巴胺链接层，能够牢固地链接基底材料和亲水润滑涂层材料，在生物医用材料表面形成亲水润滑、牢固性良好的涂层。由于生物配体在弱碱性环境发生氧化自聚合，并在不同基材表面都能形成聚多巴胺链接层，因此该方法适用于大部分生物材料表面的改性。本发明的工艺过程简单易行，有利于规模化生产，亲水润滑性显著，能够有效改善生物医用材料的表面性能。
以上实施例和对比例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；另外，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (11)
1.一种生物医用材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供基底；
将所述基底置于包括生物配体的第一溶液中，所述生物配体包括盐酸多巴胺和多酚化合物中的至少一种，所述生物配体能够发生自聚合反应，从而在所述基底的表面形成聚多巴胺链接层；
在所述聚多巴胺链接层上形成亲水润滑涂层，从而得到所述生物医用材料。
2.如权利要求1所述的生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述第一溶液还包括缓冲溶液，所述缓冲溶液包括三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液、吗啉代磺酸缓冲溶液、N-2-羟乙基哌嗪-N-3-丙磺酸缓冲溶液中的一种或多种，所述第一溶液的pH值为8.0～8.9。
3.如权利要求1所述的生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述多酚化合物包括类黄酮、儿茶酚、黄烷酮、花青素、邻苯二酚和邻苯三酚中的至少一种。
4.如权利要求1所述的生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述生物配体在所述第一溶液中的浓度为0.01mg/mL～20mg/mL。
5.如权利要求1所述的生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述自聚合反应在摇床内进行，所述自聚合反应的温度为25℃～60℃，所述自聚合反应的时间为20h～28h，所述摇床的转速为5rpm～100rpm。
6.如权利要求1所述的生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述亲水润滑涂层的制备包括以下步骤：
在所述聚多巴胺链接层上施加第二溶液，所述第二溶液包括亲水聚合物和光引发剂；以及
对所述第二溶液进行光照固化，使所述亲水聚合物在所述光引发剂的作用下交联固化，从而形成所述亲水润滑涂层。
7.如权利要求6所述的生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述亲水聚合物包括第一亲水聚合物，所述第一亲水聚合物包括甲基丙烯酸透明质酸及其衍生物、甲基丙烯酸壳聚糖及其衍生物、甲基丙烯酸胶原、甲基丙烯酸海藻酸钠及其衍生物、甲基丙烯酸明胶及其衍生物、甲基丙烯酸硫酸软骨素及其衍生物、甲基丙烯酸甲壳糖及其衍生物、聚乙烯醇、甲基丙烯酸聚乙二醇及其衍生物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醚中的一种或多种。
8.如权利要求7所述的生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述亲水聚合物还包括第二亲水聚合物，所述第二亲水聚合物包括聚-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯、透明质酸及其衍生物、壳聚糖及其衍生物、黄原胶、琼脂糖、海藻酸钠、明胶、硫酸软骨素、甲壳糖、聚乙烯醇、聚乙二醇及其衍生物、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醚中的一种或多种。
9.如权利要求8所述的生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述第一亲水聚合物与所述第二亲水聚合物的质量比为0.1～2，所述第一亲水聚合物与所述第二亲水聚合物在所述第二溶液中的浓度均为1mg/mL～200mg/mL。
10.如权利要求1所述的生物医用材料的制备方法，其特征在于，所述基底包括不锈钢、钴基合金、钛及其合金、镁及其合金、纯铁、聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、医用聚砜、医用聚硅氧烷、聚醚砜膜、聚氨酯和天然橡胶中的一种。
11.一种如权利要求1至10项中任一项所述的生物医用材料的制备方法制备的生物医用材料，其特征在于，包括基底、聚多巴胺链接层和亲水润滑涂层，所述聚多巴胺链接层用于链接所述基底和所述亲水润滑涂层。
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