CN111939331B

CN111939331B - 一种可降解金属表面梯度聚合物层及其制备方法

Info

Publication number: CN111939331B
Application number: CN202010860579.4A
Authority: CN
Inventors: 蔡洪; 李旋; 杭祖圣; 张保森; 章晓波
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2040-08-25
Also published as: CN111939331A

Abstract

本发明涉及一种可降解金属表面梯度聚合物层及其制备方法，可降解金属表面梯度聚合物层的组成包括界面层和表面的聚合物层，其制备方法为在微弧氧化的电解液中加入多巴胺，对可降解金属进行微弧氧化，使可降解金属在微弧氧化的同时在其表面沉积一层聚多巴胺膜层，从而引入活性官能团胺基和羟基，随后采用前端聚合法利用所述活性官能团进一步引发不同种类的单体聚合，制备出沿着基体型材特定方向上呈梯度分布的聚合物层；其中，通过控制单体的种类、含量、引发剂的浓度、聚合温度、聚合时间制备出聚合物的分子量、降解速率、亲疏水性呈梯度分布的聚合物层，实现所制备的可降解金属在聚合物层的保护下沿特定方向梯度可控降解。

Description

一种可降解金属表面梯度聚合物层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种可降解金属表面梯度聚合物层的组成及其制备方法，其中包括可降解金属和聚合物之间的界面层以及表面的聚合物层，该聚合物层通过化学键与可降解金属基体结合，属于对可降解金属表面进行聚合物层修饰的技术领域。

背景技术

以镁、锌、铁纯金属及相关合金为代表的可降解金属现已成为生物医用金属材料领域中的研究热点，其中从生物相容性、力学性能和降解性能来看，最有潜力用作生物医用材料的可降解金属是以镁为代表的金属及其合金，但是镁的腐蚀电位较低，在含有水和氯离子的环境中非常容易腐蚀。为了提高镁合金的耐腐蚀性能，实现镁合金在体内的可控降解，有大量关于镁合金表面处理技术的报道，其中采用有机/聚合物涂覆处理是一种常见的表面涂层处理技术。

例如环氧树脂、乙烯树脂、聚氨酯等为常用的有机/聚合物涂层材料，除了可以起到隔离腐蚀介质的作用外，还可以作为封孔层封堵镁合金表面的微裂纹、微小的孔洞等缺陷，对镁合金表面进一步起到耐蚀防护的作用。在生物医用镁合金中常见的报道是将生物相容性良好的聚合物材料用合适的溶剂溶解后浸涂、刷涂或喷涂在镁合金基体表面，待溶剂挥发干燥后形成可降解的聚合物膜层。专利“一种医用生物可降解镁合金复合材料”(专利号为201110049276.5)通过涂覆或注塑工艺将医用可降解材料与镁合金结合在一起。还有研究表明将生物相容性好的天然高分子配成溶液涂覆在镁合金基体上，进一步采用合适的交联剂将线型的高分子交联形成网络结构的高分子凝胶涂层，可降解高分子表面层的厚度及组成均可以调控。然而，采用这种物理涂覆或物理涂覆之后再进行化学交联的方法制备的镁合金表面聚合物涂层技术虽然简便易行，但也存在一些不足之处，表现为涂层的粘结力有限，涂层与镁合金基体之间的界面结合强度较低，在降解过程中容易出现涂层剥落的现象，对镁合金基体的耐蚀防护效果有限。

而在金属材料表面通过化学接枝法制备聚合物涂层的常见报道是采用硅烷偶联剂处理，例如“一种在不锈钢表面接枝聚合物链的方法”(专利号201010208596.6)，使硅烷偶联剂中的硅醇键与经过处理的金属表面的羟基发生脱水缩合反应而形成硅氧键，分子中的胺基进一步引发单体的聚合反应，从而将聚合物与金属基体结合在一起。

近几年有利用多巴胺对金属材料表面进行修饰的报道，这是根据一种海洋生物贻贝能够牢固地粘附在海底的固体基质上得到的启发，贻贝足腺细胞分泌的贻贝足丝蛋白能够起到极强的粘附作用，贻贝足丝蛋白的氨基酸序列含有30％的L-多巴和15％的赖氨酸残基。多巴胺是一种生物神经递质，氧化自聚合的产物PDA与基体材料之间能够形成较强的相互作用力，其强度介于共价键和非共价键作用力之间，具有极强的粘附能力，且PDA中含有大量的胺基、亚胺基、酚羟基等活性基团，为后续进一步化学接枝聚合物提供了很好的条件。

但是现有的专利中报道的都是通过在多巴胺溶液中浸泡，通过氧化-沉积-自聚合得到的聚多巴胺膜层，例如专利“镁合金表面改性方法(专利号CN104746073B)”和专利“具有抗菌及促进骨整合功能的金属植入物及其制备方法(专利号CN107648674A)”都是将微弧氧化处理之后的镁合金浸没在盐酸多巴胺溶液中，镁合金长时间浸泡在含有Cl^-的水溶液中，会产生一定程度的腐蚀和开裂。专利“表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料及其制备方法和应用(专利号CN108619571A)”是将经过表面化学处理的镁合金材料浸没在多巴胺溶液中，室温反应12～24h后清洗干燥，获得表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料，仍然存在上述问题。

专利“镁合金表面化学键合羧甲基壳聚糖生物活性分子的方法(专利号CN103657996B)”是在带有聚多巴胺膜层的镁合金表面化学键合羧甲基壳聚糖，尽管该方法制备的聚合物与镁合金之间的界面结合强度有明显提高，但聚合物成分单一，功能有限。专利“一种以镁/镁合金为基体的多涂层复合材料及其制备方法(专利号CN106835130B)”利用不同聚合物之间的静电吸引作用采用层层自组装技术在镁合金基体表面制备复合涂层，虽然复合涂层兼具各种聚合物的优良性能，尤其具有抗菌和自修复的功能，但是所制备的复合涂层对镁合金腐蚀防护的效果不可调控，镁合金表面仍然存在随机出现腐蚀痕迹的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有的制备聚多巴胺膜层技术存在的制备效率低、易对可降解金属基体带来腐蚀开裂的问题，以及制备的聚合物层单一或者聚合物复合层对基体镁合金材料的腐蚀防护效果单一，降解性能不可调控的不足之处，提供一种简便高效地在镁合金表面化学接枝梯度渐变聚合物层的组成及其制备方法，可以用于生物医用材料领域以及需要对镁合金的耐腐蚀性能进行精确调控的技术领域。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种可降解金属表面梯度聚合物层，其组成包括界面层和表面的聚合物层，其制备为在微弧氧化的电解液中加入多巴胺，对可降解金属进行微弧氧化，使可降解金属在微弧氧化的同时在其表面沉积一层聚多巴胺膜层，从而引入活性官能团胺基和羟基，随后采用前端聚合法利用所述活性官能团进一步引发不同种类的单体聚合，制备出沿着基体型材特定方向上呈梯度分布的聚合物层；其中，通过控制单体的种类、含量、引发剂的浓度、聚合温度、聚合时间制备出聚合物的分子量、降解速率、亲疏水性呈梯度分布的聚合物层，实现所制备的可降解金属在聚合物层的保护下沿特定方向梯度可控降解。

可降解金属成分选自镁合金、锌合金、铁合金，可降解金属型材选自镁合金细丝材、棒材、薄带、薄板、薄管；其中所述的镁合金细丝、薄管通过冷拉拔法制得，所述的薄带通过轧制或高真空快速凝固法制得。

可降解金属表面的聚多巴胺层是通过将多巴胺溶解在微弧氧化用的电解液中，并用Tris缓冲溶液将电解液的pH调节至8.5～10，微弧氧化的同时制备出来的膜层。

溶解多巴胺所用的溶剂选自甲醇、乙醇、乙二醇、低聚合度的聚乙二醇例如PEG200、PEG500、聚乙烯醇PVA、异丙醇、丙三醇、正丁醇、乙二胺、乙醇胺、二异丙胺、三乙胺、叔丁胺、三乙醇胺、己二胺、环己胺中的一种或几种的组合。

所述电解液的成分包括Na₃PO₄ 5g/L，Na₂SiO₃ 12.5g/L，NaOH 2.5g/L，多巴胺2～3g/L，微弧氧化过程中电压控制在220V～280V，频率采用500～1000Hz，电流密度为2～5A/dm²,占空比为15％～30％，氧化时间为1～3min，得到沉积有聚多巴胺膜层的MgO陶瓷层。

所述的聚合物层所用的单体选自D,L-丙交酯、L-丙交酯、乙交酯、ε-己内酯、己内酰胺、L-苹果酸、D-苹果酸、D,L-苹果酸、环氧丙醇、环氧大豆油、脱臭环氧大豆油、烯丙基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、1,6-己二醇二缩水甘油醚、油酸、亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、二十碳五烯酸、γ-谷氨酸、赖氨酸、缬氨酸、亮氨酸、色氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、琥珀酸、马来酸酐、对二氧环己酮、3-羟基丁酸、4-羟基丁酸、三亚甲基碳酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸羟基酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸-2-(N，N-二甲氨基)乙酯、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺中的一种或几种的组合。

所述的聚合物层为上述单体在催化剂或引发剂的作用下聚合而得到的聚合物，聚合时间为10min～24h，聚合温度为20℃～180℃，聚合物的数均分子量为0.1万～100万。

用于聚合反应的催化剂或引发剂选自柠檬酸锌、乳酸锌、乳酸亚铁、乳酸镁、乳酸铜、辛酸亚锡、氯化亚锡、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺、N-羟基硫代琥珀酰亚胺、过硫酸铵、N,N,N’,N’-四甲基乙二胺、过氧化苯甲酰中的一种或几种的组合；用于聚合反应的催化剂或引发剂的添加量为单体质量的万分之一至百分之一。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)相比传统的硅烷偶联剂进行表面处理引入单一的活性基团而言，本发明在聚多巴胺层中引入了多种大量的可供后续反应的活性基团，也拓宽了可用于接枝反应的单体种类。

(2)相比传统的在多巴胺溶液中浸泡处理，本发明利用氧化-沉积-自聚合的原理在于对镁合金进行微弧氧化处理制备氧化镁陶瓷层的同时快速沉积出聚多巴胺膜层，引入带有胺基和羟基活性官能团的界面层，明显降低了基体镁合金的腐蚀程度。随后采用前端聚合法利用镁合金基体表面的活性官能团进一步引发不同种类的单体聚合，制备出沿着基体型材特定方向上呈梯度分布的聚合物层。该聚合物层能够通过化学键结合在镁合金基体表面，有效地提高了聚合物和镁合金之间的界面结合强度，相比传统涂覆法制备的有机涂层更有效地提高了镁合金基体的耐腐蚀性能。并且不同段位聚合物层降解性能的差异化，可以用来进一步精确调控镁合金的降解性能。

(3)此外，本发明采用的前端聚合法还具有反应速率快、操作简便、能耗低的优点，聚合物层的分子量、厚度、组成、亲疏水性可以通过调节单体的种类、组成、用量、反应温度、反应时间、重复加热的次数、聚合反应所用玻璃管的直径及长度进行调控。

(4)可降解金属例如镁合金降解产物呈碱性，在生物医用材料领域中容易引起植入部位组织的炎症反应。将镁合金与降解产物呈酸性的聚合物结合使其降解产物呈中性，在生物医用材料领域更接近实际使用需求。

附图说明

图1样品制备过程示意图(1代表具有聚多巴胺膜层的镁合金型材，2,3,4代表三种不同的单体组成)。

图2接枝了聚合物层的镁合金薄带在SBF溶液中的动电位极化曲线。

图3接枝了聚合物层的镁合金薄带在SBF溶液中的交流阻抗谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

1)采用冷拉拔的方法制备直径为0.4mm的镁合金丝材，成分为Mg-2Zn(即98wt％的Mg,2wt％的Zn)。将上述镁合金丝材用丙酮、无水乙醇超声清洗、N₂吹干。

2)制备界面过渡层，即在微弧氧化过程中形成一层沉积有聚多巴胺膜的MgO陶瓷层：配制微弧氧化用的电解液，其组成为Na₃PO₄ 5g/L，Na₂SiO₃ 12.5g/L，NaOH 2.5g/L，用乙醇和PEG200溶解多巴胺，使电解液中多巴胺的浓度为2g/L，用20mMol/L的Tris调节溶液的pH值至8.5。微弧氧化过程中电压控制在260V，频率采用500Hz，电流密度为3A/dm²,占空比为20％，氧化时间为2min，得到沉积有聚多巴胺膜层的MgO陶瓷层。之后用去离子水冲洗、无水乙醇冲洗后，N₂吹干,得到形成了聚多巴胺层的镁合金丝材。

3)称取3g烯丙基缩水甘油醚、2g苏氨酸和0.01g过硫酸铵溶于丙三醇中,室温下超声震荡1min后加入玻璃聚合管中，取上述10cm长的镁合金丝材置于其中，将玻璃管上端置于加热线圈中加热，使其在60℃聚合反应3min。之后移去热源，依靠聚合反应过程中放出的热量进一步引发剩余单体的聚合，反应10min后静置冷却，将产物取出纯化得到表面接枝了聚(烯丙基缩水甘油醚-co-苏氨酸)膜的镁合金丝材，所得聚合物膜层的厚度由500μm渐变到150μm。

实施例2

1)采用高真空快速凝固法制备镁合金薄带，其原料选自纯度大于99.9％的镁锭、锌锭、镁-30％钙中间合金，将其用砂纸打磨除去氧化皮，按原子百分比(Mg80Zn16Ca4)计量称重，在氩气保护下熔炼成均匀的合金并破碎成小块，用丙酮和无水乙醇超声清洗、晾干备用。

2)将上述适量的合金小块放入石英玻璃管中，采用高真空甩带机在腔体压力为-0.5MPa、喷气罐中氩气压力-0.35MPa(压差为0.15MPa)的条件下采用感应线圈加热熔化，将熔融态的合金喷射到转速为30m/s的铜辊上制备成厚度为100μm，宽度为2mm的细晶强化的镁合金薄带。

3)制备界面过渡层，即在微弧氧化过程中形成一层沉积有聚多巴胺膜的MgO陶瓷层：配制微弧氧化用的电解液，其组成为Na₃PO₄ 5g/L，Na₂SiO₃ 12.5g/L，NaOH 2.5g/L，用丙三醇和乙二胺溶解多巴胺，使电解液中多巴胺的浓度为2.5g/L，用20mMol/L的Tris调节溶液的pH值至9。微弧氧化过程中电压控制在220V，频率采用500Hz，电流密度为2.5A/dm²,占空比为15％，氧化时间为1min，得到沉积有聚多巴胺膜层的MgO陶瓷层。之后用去离子水冲洗、无水乙醇冲洗后，N₂吹干,得到形成了聚多巴胺层的镁合金薄带。

4)称取1.1g乙二醇二缩水甘油醚、0.5g丙烯酰胺、1.3g甲基丙烯酸甲酯、0.01g过硫酸铵和0.01g N,N,N’,N’-四甲基乙二胺溶于丙三醇中得到混合物A，再称取1.1g乙二醇二缩水甘油醚、0.5g丙烯酰胺、1.8g甲基丙烯酸丁酯、0.01g过硫酸铵和0.01g N,N,N’,N’-四甲基乙二胺溶于丙三醇中得到混合物B，先后将混合物B和混合物A分别加入玻璃聚合管中，并将上述带有聚多巴胺涂层的10cm长的镁合金薄带置于其中，将玻璃管上端置于加热线圈中加热，使其在65℃聚合反应5min。之后移去热源，依靠聚合反应过程中放出的热量进一步引发剩余单体的聚合，反应10min后静置冷却，将产物取出纯化得到表面接枝了聚合物膜的镁合金薄带，所得聚合物膜层的亲水性通过测试可知接触角从A端的62°渐变到B端的81°。

实施例3

1)采用挤出-冷拉拔的方法制备外径为3.0mm，壁厚为0.3mm的镁合金薄管，成分为AZ31。

2)制备界面过渡层，即在微弧氧化过程中形成一层沉积有聚多巴胺膜的MgO陶瓷层：配制微弧氧化用的电解液，其组成为Na₃PO₄ 5g/L，Na₂SiO₃ 12.5g/L，NaOH 2.5g/L，用三乙醇胺溶解多巴胺，使电解液中多巴胺的浓度为3g/L，用20mMol/L的Tris调节溶液的pH值至9.5。微弧氧化过程中电压控制在280V，频率采用600Hz，电流密度为4.5A/dm²,占空比为30％，氧化时间为3min，得到沉积有聚多巴胺膜层的MgO陶瓷层。之后用去离子水冲洗、无水乙醇冲洗后，N₂吹干,得到形成了聚多巴胺层的镁合金薄管。

3)分别称取2.8g己内酰胺、3.6g甲基丙烯酸缩水甘油酯、3.3gγ-谷氨酸，该三组药品中分别加入0.01g 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和0.01g N-羟基琥珀酰亚胺并溶于丙三醇中，得到三组混合物A，B，C，将三组混合物依次加入玻璃聚合管中，再将上述10cm长的镁合金薄管置于玻璃聚合管中。将玻璃管上端置于加热线圈中加热，使其在70℃聚合反应5min。之后移去热源，依靠聚合反应过程中放出的热量进一步引发剩余单体的聚合，反应10min后静置冷却，将产物取出纯化得到表面聚合物层的亲水性呈现梯度化连续分布的镁合金薄管。

实施例4

采用动电位极化及交流阻抗谱实验对镁合金处理前后的体外腐蚀性能进行评价。将镁合金薄带、带有聚多巴胺膜层的镁合金薄带以及表面接枝了聚合物的镁合金薄带分别在pH＝7.4的SBF溶液中进行电化学实验，得到动电位极化Tafel曲线及交流阻抗谱。分析得到，所制备的镁合金薄带经过聚合物层修饰后，其腐蚀电位、击穿电位得到明显提高，电阻明显提高，腐蚀电流密度降低，说明镁合金的耐腐蚀性能得到了显著提高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims

1.一种可降解金属表面梯度聚合物层，其特征在于：其组成包括界面层和表面的聚合物层，其制备为在微弧氧化的电解液中加入多巴胺，对可降解金属进行微弧氧化，使可降解金属在微弧氧化的同时在其表面沉积一层聚多巴胺膜层，从而引入活性官能团胺基和羟基，随后采用前端聚合法利用所述活性官能团进一步引发不同种类的单体聚合，制备出沿着基体型材特定方向上呈梯度分布的聚合物层；其中，通过控制单体的种类、含量、引发剂的浓度、聚合温度、聚合时间制备出聚合物的分子量、降解速率、亲疏水性呈梯度分布的聚合物层，实现所制备的可降解金属在聚合物层的保护下沿特定方向梯度可控降解；

所述的聚合物层为单体在催化剂或引发剂的作用下聚合而得到的聚合物，聚合时间为10min~24h，聚合温度为20℃~180℃，聚合物的数均分子量为0.1万~100万。

2.根据权利要求1所述的可降解金属表面梯度聚合物层，其特征在于：可降解金属成分选自镁合金、锌合金、铁合金，可降解金属型材选自镁合金细丝材、棒材、薄带、薄板、薄管。

3.根据权利要求2所述的可降解金属表面梯度聚合物层，其特征在于：所述的镁合金细丝、薄管通过冷拉拔法制得，所述的薄带通过轧制或高真空快速凝固法制得。

4.根据权利要求1所述的可降解金属表面梯度聚合物层，其特征在于：可降解金属表面的聚多巴胺层是通过将多巴胺溶解在微弧氧化用的电解液中，并用Tris缓冲溶液将电解液的pH调节至8.5~10，微弧氧化的同时制备出来的膜层。

5.根据权利要求1所述的可降解金属表面梯度聚合物层，其特征在于：溶解多巴胺所用的溶剂选自甲醇、乙醇、乙二醇、分子量为200的聚乙二醇和分子量为500的聚乙二醇、聚乙烯醇PVA、异丙醇、丙三醇、正丁醇、乙二胺、乙醇胺、二异丙胺、三乙胺、叔丁胺、三乙醇胺、己二胺、环己胺中的一种或几种的组合。

6.根据权利要求4所述的可降解金属表面梯度聚合物层，其特征在于：所述电解液的成分包括Na₃PO₄ 5g/L，Na₂SiO₃ 12.5g/L，NaOH 2.5g/L，多巴胺2~3g/L，微弧氧化过程中电压控制在220V~280V，频率采用500~1000Hz，电流密度为2~5A/dm²，占空比为15%~30%，氧化时间为1~3min，得到沉积有聚多巴胺膜层的MgO陶瓷层。

7.根据权利要求1所述的可降解金属表面梯度聚合物层，其特征在于：所述的聚合物层所用的单体选自D,L-丙交酯、L-丙交酯、乙交酯、ε-己内酯、己内酰胺、L-苹果酸、D-苹果酸、D,L-苹果酸、环氧丙醇、环氧大豆油、脱臭环氧大豆油、烯丙基缩水甘油醚、丁基缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、1,6-己二醇二缩水甘油醚、油酸、亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、二十碳五烯酸、γ-谷氨酸、赖氨酸、缬氨酸、亮氨酸、色氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、琥珀酸、马来酸酐、对二氧环己酮、3-羟基丁酸、4-羟基丁酸、三亚甲基碳酸、丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸烷基酯、甲基丙烯酸羟基酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸-2-(N，N-二甲氨基)乙酯、丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺中的一种或几种的组合。

8.根据权利要求1所述的可降解金属表面梯度聚合物层，其特征在于：用于聚合反应的催化剂或引发剂选自柠檬酸锌、乳酸锌、乳酸亚铁、乳酸镁、乳酸铜、辛酸亚锡、氯化亚锡、1-（3-二甲氨基丙基）-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺、N-羟基硫代琥珀酰亚胺、过硫酸铵、N,N,N’,N’-四甲基乙二胺、过氧化苯甲酰中的一种或几种的组合；用于聚合反应的催化剂或引发剂的添加量为单体质量的万分之一至百分之一。