一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法
2023-11-06 04:11:07
一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，其步驟包括配製pH＝7～12的Tris-buffer緩衝溶液，並向其中加入一定濃度的具有酚羥基結構的化合物或同時加入一定濃度具有多氨基結構的化合物。本發明方法具有反應條件溫和、操作簡單易行、成本較低、利於後期處理等優點。採用本發明方法製得的改性塗層處理的鎂基金屬材料具有較優異的耐腐蝕能力。通過不同組分的引入，所製得的材料中可成功引入多種反應性官能團，可用於後續生物分子(如肝素、內皮細胞生長因子VEGF、各種生物功能蛋白等)固定或生物功能引入，並發揮相應的生物學功能。也為鎂及其合金在心血管材料的應用提供了一種新型的研究模型。
【專利說明】一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化 的修飾方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及生物醫學工程功能材料，尤其是生物醫用可降解金屬材料表面改性技 術領域。
【背景技術】
[0002] 鎂合金用於生物醫用領域，相對於傳統生物醫用不鏽鋼、鈦合金等金屬材料，具有 可腐蝕降解的優勢，但其由於具有較高的化學及電化學活性，在生理環境中長期面臨降解 過快的難題。具有優異性能的抗腐蝕材料表面也一直是鎂基生物醫用類材料實現功能的考 察手段和目的。
[0003] 使用化學轉化膜的方法處理鎂合金是提高其耐腐蝕性的有效方法，因其操作簡 單，成本低廉而被廣泛應用。化學轉化膜是通過合金與某種特定液體相接觸，發生化學反 應，在金屬表面形成一層附著力良好的難溶性的化合物膜層，從而保護基底材料不受水和 其他腐蝕性環境影響。目前工業常用的方式包括：鉻酸鹽轉化法、磷酸鹽轉化法、稀土鹽轉 化法等無機化合物轉化方法；有機金屬化合物轉化法、有機酸化合物（如植酸、吡唑類化合 物）轉化法等等。而對於應用於生物醫用鎂合金材料的化學轉化膜層的成分要求安全無 毒，這就要求轉化膜層由無機轉化向有機轉化發展，並且所選擇的有機成分應當具有較好 的生物相容性。
[0004] 將植物多酚類化合物用作生物醫用鎂合金表面改性塗層的構建，具有以下的理論 支撐：1)鄰酚結構可以與鎂離子或合金材料中的鋅、錳等離子發生螯合作用，多酚結構可 輔助此類金屬離子在鎂基材料表面有效的轉化沉積。這屬於傳統的化學轉化膜改性鎂基材 料耐腐蝕能力的範疇，轉化膜的生長過程類似；2)鄰酚結構與氨基之間可發生希夫鹼和邁 克爾加成反應，這為在多酚與鎂形成螯合的同時，同步的引入帶有氨基的功能分子提供了 理論支撐；3)與此同時，植物多酚類化合物特別是茶多酚類化合物由於其良好的抗氧化 能力，可保護血管內皮細胞免受氧化應激損傷，在鎂基材料降解過程中，具有抗氧化性能的 多酚金屬配合物游離釋放，在一定範圍內可以維持局部血管內正常的氧化還原平衡。
[0005] 基於以上理論前提，研究探討獲得一種便利有效的工藝方法，使茶多酚物質與鎂 基基底以配位化合的模式製備有機轉化耐腐蝕塗層並同時引入具有反應性和生物功能性 的官能團，並發揮其相應的生物學功能，具有重要的研究與應用價值。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的是提供一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化 的修飾方法，以多酚結構與金屬離子配位化合的模式組裝製備改性塗層，並使之具有操作 簡單、成本較低，普適性廣的優點。
[0007] 本發明一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，包 括如下步驟：
[0008] 1、將需要改性修飾的基底材料進行拋光、清洗、乾燥；
[0009] 2、將A步驟所得樣品放置於pH = 7-12的Tris-buffer緩衝體系，然後向體系中加 入濃度為〇. lmg/ml-10mg/ml的具有酚輕基結構的化合物或同時加入濃度為lmg/ml-10mg/ ml的具有多氨基結構的化合物，在10_30°C下，反應l_24h ;
[0010] 3、對B步驟所得樣品，去離子水浸沒，超聲清洗3次，每次5min，然後在N2條件下 乾燥，即得目標材料。
[0011] 採用本發明方法，通過將具有酚羥基結構的化合物組裝到生物醫用鎂基材料表 面，一方面可以控制生物醫用鎂基材料的降解速度，另一方面可以通過酚羥基結構引入有 效官能團，便於後續生物分子接枝改性，具有很高的研究和應用價值。植物多酚類物質可以 與金屬離子發生螯合，形成穩定的絡合物，轉化覆蓋在金屬表面，起到物理屏蔽、鈍化表面 電極電位、阻礙電子轉移，從而達到抗蝕的目的。同時多酚類化合物較容易被氧化脫氫，其 結構中的鄰苯二酚易氧化成鄰苯二醌結構，該結構可進一步與含有氨基的化合物發生邁克 爾加成反應和希夫鹼反應，因此將多酚類化合物與分子結構中含兩個或兩個以上氨基的化 合物反應，引入氨基從而實現表面官能化的目的。
[0012] 聚乙烯亞胺、丁二胺、己二胺、胱胺、賴氨酸、膠原蛋白、殼聚糖等具有多個氨基的 分子結構，能與多酚類化合物發生麥可加成反應和希夫鹼反應，在材料表面形成交聯聚 合塗層。塗層中的含有較高濃度的酚羥基、醌基、羧基和氨基，這些基團都有很好的化學反 應活性，非常有利於後續後續生物分子固定。此外，塗層中胱胺、硒代胱胺等引入使其具備 了原位誘導內源性一氧化氮（NO)供體催化分解釋放NO信號因子的能力，進而發揮相應的 生物學功能，具有很高的研究和應用價值。值得注意的是，塗層中的多酚組分還具有優異的 抗氧化性和清除氧自由基的能力，對心腦血管具有保護作用。多酚類化合物的分子結構中 含有大量的鄰位酚羥基，這些鄰位酚羥基可與鎂基底形成穩定螯合作用，因此多酚類化合 物能在金屬表面形成較穩定的固定或結合，並有效提高鎂基底的抗蝕能力。
[0013] 採用本發明方法製備的新型抗腐蝕兼顧表面功能化修飾的植物多酚塗層，具有優 異的提高生物醫用鎂基材料抗蝕能力，同時塗層自身對心血管組織具有保護功效，並能有 效的引入反應性官能團，以固定生物分子，實現多重的生物醫學功能。
[0014] 與現有技術相比，本發明的有益之處在於：
[0015] 1)傳統的生物醫用鎂基材料表面改性方法，例如採用可降解聚合物塗層鎂基材 料，存在與金屬基底的結合能力較弱的問題，塗層的酸性降解產物還可能加速鎂合金的降 解。本發明利用多酚類有機物，其與基底結合力較強並具有較好的抗蝕能力；
[0016] 2)傳統的應用於鎂基生物材料的化學轉化類薄膜，缺乏高活性的官能團作為反應 位點，難於開展後續的載藥及生物分子固定。而本發明利用植物多酚化合物，本身具有較好 的生物相容性，並且利用植物多酚介入有機轉化層的構建，不僅可以有效提高抗蝕能力， 同時可以引入多種官能團，利於後續載藥及生物分子的固定。
[0017] 3)曾有相關表面引入多酚類物質，以提高鎂基材料表面抗蝕能力的研究報導，但 並未將其應用於生物醫用領域。植物多酚特別是茶多酚還有益於人類健康，被美國食品和 藥品監督管理局定為公認安全（generally recognized as safe, GRAS)，本身具有一定的 藥理作用，如清除血管中氧自由基、抗氧化、降低血脂肪、防止動脈硬化、血栓形成、保護血 管壁等功能。
[0018] 4)本發明所需製備的塗層，原料投入很少，且可以在多種鎂基材料表面進行修飾。 與傳統的抗凝血手段相比，操作簡單，成本較低，普適性廣。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 下面結合附圖和實施案例對本發明作進一步的詳細說明。
[0020] 圖1是本發明所製備植物多酚有機轉化塗層改性的鎂鋅錳（MgZnMn)表面的X射 線光電子能譜（XPS)結果。
[0021] 圖2是用本發明製備的基於植物多酚的有機轉化塗層對鎂鋅錳合金抗蝕能力提 高的電化學阻抗圖譜（EIS)。茶多酚有機轉化膜層製備在醫用鎂鋅錳合金表面（MgZnMn)， 圖中，MgZnMn@CA-PEI :鄰苯二酚與聚乙烯亞胺共聚轉化塗層修飾的MgZnMn ;MgZnMn :未改 性裸材，作為對照樣。
[0022] 圖3是MgZnMn表面有機轉化層構建後，接枝肝素生物分子的血小板粘附評價。 MgZnMn與MgZnMn@CA-PEI的意義與圖2中相同，MgZnMn@CA-PEI@Hep:轉化塗層修飾後再進 行肝素接枝。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合實施例對本發明的實施作進一步的描述。
[0024] 在實際實施中：
[0025] 所述具有鄰酚結構的化合物為鄰苯二酚、表兒茶素、表沒食子兒茶素、表沒食子兒 茶素沒食子酸酯、表兒茶素沒食子酸酯、沒食子酸、單寧酸中的一種。
[0026] 所述具有含氨基的化合物為丁二胺、己二胺、胱胺、聚乙烯亞胺、胱胺酸、膠原蛋 白、殼聚糖中的一種。
[0027] 所述的一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，其 特徵在於，所述基底材料為鎂基生物材料，包括：生物醫用純鎂，WE43鎂合金，鎂鋅錳合金、 鎂鈣合金等。
[0028] 在以下實施例中，基體以外的化學試劑除特別聲明的外均為分析。
[0029] 實施例1
[0030] 一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，由如下步 驟獲得：
[0031] A、將需要改性修飾的純鎂材料進行拋光、清洗、乾燥；
[0032] B、將A步驟所得樣品放置於pH = 7的緩衝體系，然後向體系中加入濃度為0. 5mg/ ml的表沒食子兒茶素沒食子酸酯EGCG，在KTC下，反應lh ;
[0033] C、對B步驟所得樣品，去離子水浸沒，超聲清洗3次，每次5min，然後在N2條件下 乾燥，即得目標材料。
[0034] 實施例2
[0035] 一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，由如下步 驟獲得：
[0036] A、將需要改性修飾的鎂鋅錳合金材料進行拋光、清洗、乾燥；
[0037] B、將A步驟所得樣品放置於pH = 12的緩衝體系，然後向體系中加入濃度為10mg/ ml的表沒食子兒茶素沒食子酸酯（EGCG)和濃度為lOmg/ml的硒代胱胺，在30°C下，反應 6h ；
[0038] C、對B步驟所得樣品，去離子水浸沒，超聲清洗3次，每次5min，然後在N2條件下 乾燥，即得目標材料。
[0039] 實施例3
[0040] 一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，由如下步 驟獲得：
[0041] A、將需要改性修飾的WE43鎂合金進行拋光、清洗、乾燥；
[0042] B、將A步驟所得樣品放置於pH = 7的Tris-buffer緩衝體系，隨後往體系中加入 濃度為〇. lmg/ml的具有鄰酚羥基結構的單寧酸，同時加入濃度為lmg/ml的己二胺，在10°C 下，反應lh ;
[0043] C、對B步驟所得樣品，去離子水浸沒，超聲清洗3次，每次5min，然後在N2條件下 乾燥，即得目標材料。
[0044] 實施例4
[0045] 一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，由如下步 驟獲得：
[0046] A、將需要改性修飾的AZ31鎂合金進行拋光、清洗、乾燥；
[0047] B、將A步驟所得樣品放置於pH = 8的緩衝體系，然後向體系中加入濃度為2mg/ml 的表兒茶素沒食子酸酯（ECG)和濃度為3mg/ml的聚乙烯亞胺（PEI)，在20°C下，反應12h;
[0048] C、對B步驟所得樣品，去離子水浸沒，超聲清洗3次，每次5min，然後在N2條件下 乾燥，即得目標材料。
[0049] 實施例5
[0050] -種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，由如下步 驟獲得：
[0051] A、將需要改性修飾的鎂鋅錳合金材料進行拋光、清洗、乾燥；
[0052] B、將A步驟所得樣品放置於pH = 9的緩衝體系，然後向體系中加入濃度為2mg/ ml的鄰苯二酚和濃度為4mg/ml的胱氨酸，在20°C下，反應12h ;
[0053] C、對B步驟所得樣品，去離子水浸沒，超聲清洗3次，每次5min，然後在N2條件下 乾燥，即得目標材料。
[0054] 實施例6
[0055] -種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，由如下步 驟獲得：
[0056] A、將需要改性修飾的純鎂進行拋光、清洗、乾燥；
[0057] B、將A步驟所得樣品放置於pH = 10的緩衝體系，然後向體系中加入濃度為2mg/ ml的具有表兒茶素（EC)的化合物和濃度為4mg/ml的膠原蛋白，在25°C下，反應18h ;
[0058] C、對B步驟所得樣品，去離子水浸沒，超聲清洗3次，每次5min，然後在N2條件下 乾燥，即得目標材料。
[0059] 實施例6
[0060] 一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，由如下步 驟獲得：
[0061] A、將需要改性修飾的WE43鎂合金材料進行拋光、清洗、乾燥；
[0062] B、將A步驟所得樣品放置於pH = 11的緩衝體系，然後向體系中加入濃度為lmg/ ml的沒食子酸和濃度為3mg/ml的胱胺，在22°C下，反應20h ;
[0063] C、對B步驟所得樣品，去離子水浸沒，超聲清洗3次，每次5min，然後在N2條件下 乾燥，即得目標材料。
[0064] 實施例7
[0065] 一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，由如下步 驟獲得：
[0066] A、將需要改性修飾的鎂鋅錳合金材料進行拋光、清洗、乾燥；
[0067] B、將A步驟所得樣品放置於pH = 12的緩衝體系，然後向體系中加入濃度為5mg/ ml的表兒茶素和濃度為10mg/ml的殼聚糖，在30°C下，反應12h ;
[0068] D、對B步驟所得樣品，去離子水浸沒，超聲清洗3次，每次5min，然後在N2條件下 乾燥，即得目標材料。
【權利要求】
1. 一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的修飾方法，包括如下步 驟獲得： A、 將需要改性修飾的基底材料進行拋光、清洗、乾燥； B、 將A步驟所得樣品放置於pH = 7?12的Tris-buffer緩衝體系，隨後往體系中加 入濃度為〇. lmg/ml-10mg/ml的具有鄰酚羥基結構的小分子物質，或同時加入濃度為lmg/ ml-10mg/ml的具有多氨基結構的化合物，在10-30°C下，反應l_24h ; C、 對B步驟所得樣品，去離子水浸沒，超聲清洗3次，每次5min，然後在N2條件下乾燥， 即得目標材料。
2. 如權利要求1所述的一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕能力與表面功能化的 修飾方法，其特徵在於，所述具有酚羥基結構的化合物為鄰苯二酚（Catechol，CA)、表兒茶 素（L-Epicatechin, EC)、表沒食子兒茶素（(-)-epigallocatechin, EGC)、表沒食子兒茶素 沒食子酸酯（Epigallocatechin gallate,EGCG)、表兒茶素沒食子酸酯（(-)-Epicatechin gallate, ECG)、沒食子酸（Gallic acid)、單寧酸（Tannic acid)的一種。
3. 如權利要求1所述的一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的 修飾方法，其特徵在於，所述具有多氨基結構的化合物為精氨酸、賴氨酸、多聚賴氨酸、丁二 胺、己二胺、胱胺、硒代胱胺、聚乙烯亞胺、胱氨酸、膠原蛋白、殼聚糖的一種。
4. 如權利要求1所述的一種提高生物醫用鎂基金屬材料耐腐蝕性能與表面功能化的 修飾方法，其特徵在於，所述基底材料可為醫用金屬鎂基材料，包括：純鎂；商用鎂合金體 系，包括鎂鋁系（Mg-Al)、鎂稀土系（Mg-RE)合金，如AZ31鎂合金、AZ91鎂合金、WE43鎂合 金等；新型生物醫用鎂合金，包括AE21鎂合金、Mg-Mn-Zn合金、Mg-Si合金。
【文檔編號】C23C22/02GK104195535SQ201410393585
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月12日 優先權日:2014年8月12日
【發明者】王進, 羅日方, 張皓, 黃楠, 趙元聰, 萬國江, 冷永祥, 陳思, 張江 申請人:西南交通大學