一種用於鎂合金與絲素蛋白之間連接的方法與流程

2023-10-25 15:06:23

本發明屬於材料連接技術領域，涉及一種無機材料和有機生物大分子之間的連接方法，尤其涉及一種用於鎂合金與絲素蛋白之間的低溫連接方法。

背景技術：

鎂合金是一種重要的生物醫用材料之一，具有良好的生物相容性，而且是人體的常量元素之一。與其它醫用金屬材料（例如：不鏽鋼、鈷基合金、鈦合金等）相比，由於其具有與骨骼相近的彈性模量（~40 GPa）和可在體內無危害降解等特性，能夠有效的避免「應力遮擋效應」所造成的新生骨骼強度低以及二次手術給患者帶來的經濟和精神上的雙重負擔。但是，由於鎂合金在體內的降解速率要大於骨組織的修復速率，致使一直無法對其在生物醫用材料領域開展更加廣泛的應用。絲素蛋白作為一種蛋白質，在類人體體液的溶液中和植入生物體後，其降解速度十分緩慢。作為生物材料，絲素蛋白較其它天然纖維機械特性好，能與許多高性能的纖維毗美，並且降解產物不僅對組織無毒副作用，而且還對周圍組織有營養與修復作用。因此，將絲素蛋白包覆在鎂合金的表面用以降低鎂合金的降解速率和提供骨組織修復所需的營養是十分可行的方案。但是無機材料與有機生物大分子之間只能直接形成不穩定的物理連接。因此，實現鎂合金與絲素蛋白之間的化學連接（又稱「鍵合」）對於延緩鎂合金的降解速率和擴大鎂合金在生物醫用材料領域的應用具有重要的研究意義。

技術實現要素：

針對上述鎂合金與絲素蛋白之間的連接問題，本發明提供了一種用於鎂合金和絲素蛋白之間低溫連接（30~150℃）的方法，以在不改變鎂合金力學性能及生物相容性和絲素蛋白活性的情況下，實現二者之間穩定的化學連接的目的。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種用於鎂合金和絲素蛋白之間低溫連接的方法，按照以下步驟實現鎂合金與絲素蛋白之間的連接：鎂合金表面清洗→利用矽烷偶聯劑對鎂合金表面修飾→絲素蛋白溶液塗覆於鎂合金表面→乾燥處理，具體實施步驟如下：

一、將表面拋光、清洗後的鎂合金浸泡於矽烷偶聯劑甲苯溶液中5~15 h。

本步驟中，所述鎂合金的拋光方法為機械拋光。

本步驟中，所述鎂合金的清洗方法如下：將鎂合金置於丙酮溶液中，採用聲波降解法清洗3~15min，隨後依次用乙醇和去離子水清洗1~10min並乾燥。

本步驟中，所述矽烷偶聯劑甲苯溶液的體積濃度為2%。

本步驟中，所述鎂合金為Mg基生物醫用合金。

二、將經過矽烷偶聯劑處理過的鎂合金浸泡於純甲苯中，隨後將鎂合金先後浸泡於乙醇和去離子水溶液中清洗並乾燥。

本步驟中，所述矽烷偶聯劑的一端具有矽烷基基團，另一端具有羥基或羧基基團，如：3-氨丙基三乙氧基矽烷（APTES）、3-氨基丙基－三甲氧基矽烷（APTMS）、甲基三乙氧基矽烷（MTES）等。

本步驟中，所述經過偶聯劑處理過的鎂合金浸泡於純甲苯溶液中的時間為30~120min，分三次進行，每次20~40min。

本步驟中，所述經過純甲苯浸泡過的鎂合金浸泡於乙醇和去離子水溶液中的時間為1~3min。

三、向清洗後的鎂合金表面傾倒戊二醛溶液，室溫放置3~8h，隨後去離子水清洗並乾燥。

本步驟中，所述戊二醛溶液的體積濃度為1~5%。

四、利用塗覆的方法將絲素蛋白溶液塗覆於經戊二醛處理過的鎂合金表面。

本步驟中，所述絲素蛋白溶液的質量濃度為1~10%。

五、對塗覆過絲素蛋白溶液的鎂合金進行乾燥處理，隨後浸泡於甲醇溶液中2~12h，使得水溶性絲素蛋白膜轉變為不溶的絲素蛋白膜，完成鎂合金與絲素蛋白溶液的連接。

本步驟中，所述乾燥處理的溫度為30~150℃，時間為30~120min。

本步驟中，所述甲醇溶液的體積濃度為80%。

本發明具有如下優點：

1、本發明以具有雙官能團的矽烷偶聯劑作為媒介，分別在鎂合金表面和絲素蛋白表面形成了—Si—O—和—NH—CO—化學鍵，實現了無機材料和有機生物大分子彼此之間的化學連接，使其結合更加的穩定。

2、降解後的產物為人體所需的大量元素Mg+ 、CO2、H2O等，對人體無害。

3、矽烷偶聯劑不會對鎂合金形成侵蝕，也不會降低絲素蛋白的生物活性，因此對鎂合金的力學性能和生物相容性無任何影響，所形成的絲素蛋白包覆鎂合金結構能夠有效的緩解鎂合金在體液或組織液中的降解。

4、連接過程中的溫度較低，最高溫度不超過150℃，而絲素蛋白鏈解的溫度為200℃，所以不會破壞絲素蛋白原有的物理化學性質。

附圖說明

圖1為鎂合金與矽烷偶聯劑形成化學連接原理示意圖，圖中：1為清洗過的鎂合金表面帶有的羥基，2為矽烷偶聯劑分子，X代表可水解的基團，Y代表有機官能團；3為鎂合金被矽烷偶聯劑表面後的狀態；4為處理過鎂合金與絲素蛋白連接過程。

圖2為實施例1中鎂合金被3-氨丙基三乙氧基矽烷(APTES)表面修飾的原理示意圖，圖中：5為清洗過的鎂合金表面附著的羥基，6為APTES分子，7為鎂合金被APTES表面修飾後的狀態。

圖3為實施例1製得的連接樣品，圖中：8為鎂合金，9為絲素蛋白，10為連接界面。

圖4為實施例1製得的鎂合金與絲素蛋白連接樣品表面納米壓痕實驗結果，圖中：（a）為劃痕位移曲線，（b）為劃痕表面的掃描電鏡照片。

圖5為鎂合金與絲素蛋白連接樣品表面的XPS分析，圖中：（a）為鎂元素Mg 1s峰，（b）為氧元素O 1s峰，（c）為氮元素N 1s峰，（d）為碳元素C 1s峰。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案作進一步的說明，但並不局限於此，凡是對本發明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的保護範圍中。

實施例1：

本實施例提供了一種利用APTES實現鎂合金和絲素蛋白之間的低溫連接方法，具體實施步驟如下：

（1）拋光：將直徑為10 mm、厚度為2 mm的鎂合金進行機械拋光。

（2）清洗：將拋光後的鎂合金放入體積濃度為70%的丙酮溶液中並進行超聲清洗，溫度為25℃；隨後依次用乙醇和去離子水溶液分別衝洗3 min。

（3）鎂合金表面初次修飾：①量取一定體積的APTES溶液並倒入一定體積的甲苯溶液中，配製體積濃度為2%的APTES甲苯溶液；②將上述鎂合金放入配置好的APTES甲苯溶液中浸泡10 h，浸泡溫度為室溫，利用矽烷偶聯劑對鎂合金表面修飾。鎂合金與APTES形成化學連接的原理如圖2所示。

（4）鎂合金表面清理：將初次修飾過的上述鎂合金先於甲苯溶液中浸泡3次（30min/次），以去除表面上未被固定的APTES分子；隨後依次用乙醇和去離子水溶液衝洗1 min。

（5）鎂合金表面再次修飾：將表面清洗過的上述鎂合金放入體積濃度為2%的戊二醛溶液中，進行表面再次修飾。

（6）配製絲素蛋白溶液：將3 g絲素蛋白粉溶於3 mL去離子水溶液中，製得絲素蛋白溶液（呈淡黃色透明液體，無特異性氣味）。

（7）將製得的絲素蛋白溶液塗覆在鎂合金表面。

（8）乾燥：將上述塗覆絲素蛋白溶液的鎂合金放入恆溫溼熱乾燥箱中，在溫度為40℃的條件下乾燥60min。

（9）絲素蛋白轉變處理：將製得的樣品放入體積濃度為80%的甲醇中浸泡5h。

按照本實施例所述方法製得的連接樣品如圖2所示，對其表面進行納米壓痕實驗，結果如圖3所示，由圖3實驗結果可知，樣品具有一定的連接強度。

圖4為利用X射線光電子能譜分析儀對Mg合金、APTES處理Mg合金、Mg合金與絲素蛋白連接樣品的表面進行塗層的XPS分析，主要針對鎂合金的主元素Mg，絲素蛋白的組成元素C、N、O進行分析。從圖4的能譜分析結果可以看出，在小於6 μm的塗層內，對於Mg 1s，鎂合金表面有最強峰，表面經APTES矽烷化後，Mg峰含量顯著減少，在儀器檢測的6 μm厚度內證實了APTES對鎂合金表面的修飾作用。從其他各峰看出未處理的鎂合金表面發生強烈氧化；APTES處理後表面含有大量N元素，印證了APTES對鎂合金表面修飾後存在游離氨基的事實。鎂合金與絲素蛋白的連接樣品表面除Mg元素外，還有大量的C、N、O的存在，這也證實了絲素蛋白的存在。

實施例2：

本實施例提供了一種利用甲基三乙氧基矽烷實現鎂合金和絲素蛋白之間的低溫連接方法，具體實施步驟如下：

（1）拋光：將直徑為10 mm、厚度為2 mm的鎂合金進行機械拋光。

（2）清洗：將拋光後的鎂合金放入體積濃度為70%的丙酮溶液中並進行超聲清洗，溫度為25℃；隨後依次用乙醇和去離子水溶液分別衝洗3 min。

（2）鎂合金表面初次修飾：①量取一定體積的甲基三乙氧基矽烷溶液並倒入一定體積的甲苯溶液中，配製體積濃度為2%的甲基三乙氧基矽烷甲苯溶液；②將上述鎂合金放入配置好的甲基三乙氧基矽烷甲苯溶液中浸泡10 h，浸泡溫度為室溫，利用矽烷偶聯劑對鎂合金表面修飾。

（3）鎂合金表面清理：將初次修飾過的上述鎂合金先於甲苯溶液中浸泡3次（30min/次），以去除表面上未被固定的甲基三乙氧基矽烷分子；隨後依次用乙醇和去離子水溶液衝洗1 min。

（4）鎂合金表面再次修飾：將表面清洗過的上述鎂合金放入體積濃度為2%的戊二醛溶液中，進行表面再次修飾。

（5）配製絲素蛋白溶液：將3 g絲素蛋白粉溶於3 mL去離子水溶液中，製得絲素蛋白溶液（呈淡黃色透明液體，無特異性氣味）。

（6）將製得的絲素蛋白溶液塗覆在鎂合金表面。

（7）乾燥：將上述塗覆絲素蛋白溶液的鎂合金放入恆溫溼熱乾燥箱中，在溫度為40℃的條件下乾燥60min。

（8）絲素蛋白轉變處理：將製得的樣品放入體積濃度為80%的甲醇中浸泡5h。