一种电化学法用酚类衍生物-氨基多糖聚合物改性金属材料表面的方法

摘要

本发明旨在提供一种电化学法用酚类衍生物-氨基多糖聚合物改性金属材料表面的方法，属金属表面改性技术领域。本发明通过曼尼希法制备酚类衍生物-氨基多糖聚合物；采用三电极体系，将待改性金属材料浸入适当的碱性缓冲液中，在电解池中作为金属材料的阳极发生电化学反应，使溶液中的介质对金属材料进行电化学改性，得到生物相容性及抗菌性优良的改性金属材料。相对于传统涂覆改性工艺的改性时间长，涂层附着力差，表面不均匀等缺点，其特点主要是可大大缩短涂覆时间，而且得到的涂层更为均匀、致密，附着力更强，同时还可以进行二次改性，如磺化反应等，从而改善材料表面物理化学性能。

说明书

技术领域

本发明通过一种电化学法用酚类衍生物-氨基多糖聚合物改性金属材料表面，进而采用电化学法改善金属材料表面的生物相容性及抗菌性，属金属表面改性技术领域。

背景技术

电化学方法是以电极电位为聚合反应的引发力和驱动力，使单体在电极表面直接聚合成膜。电化学方法比较简单，它具有一些独特的优点：(1)聚合和掺杂同时进行；(2)能够在电极上一步生成自支撑的导电膜；(3)通过改变聚合电位可方便地分别控制膜的氧化还原态；(4)膜的厚度可以通过电量来控制；(5)产物无需分离步骤；(6)在电极上生成聚合物的过程或生成的聚合物可方便地通过电化学或波谱方法研究，不用催化剂等，因此得到了广泛研究。电化学方法包括循环伏安法、恒电位法、恒电流法等。电化学方法中阴极还原法由于在电极表面获得的导电高分子膜的导电性能比较差，且膜厚度很难超过100nm；所以研究的比较少。因此电化学方法一般是指阳极氧化法。

壳聚糖、肝素等氨基多糖，具有药物制剂辅料所需的稳定性、溶解性、粘性和安全性，同时壳聚糖溶解后的溶液中含有氨基（NH2⁺），这些氨基通过结合负电子来抑制细菌表现出抗菌性。它们以其独特的分子结构和理化性质在机体内显示出多种重要的生理功能，如润滑关节，调节血管壁的通透性，调节蛋白质，抗凝血，水电解质扩散及运转，促进创伤愈合等。因而它们可作为支架材料用于医学用途，具备良好的生物相容性和抗菌性。

目前，医用不锈钢的表面改性技术虽有多种，如离子注入、微弧氧化、等离子体技术等，但还没有一种方法能完全满足临床要求，如表面改性层与基体结合强度不高，生物相容性不够强等等。邻苯二酚是酚类衍生物的一种非常重要的衍生物，它多数以衍生物的形态存在于自然界中，最早是由干馏原儿茶酸或蒸馏儿茶提取液得到。而苯酚是较早用于电化学研究的一种重要酚类衍生物。目前人们大多利用溶液浸泡法(dipping coating)将酚类衍生物如多巴胺在金属材料上成膜。这种方法条件温和，但成膜时间较长，通常需要24小时，此外这种方法还面临涂层强度、附着力及覆盖率等问题。而通过曼尼希法制备酚衍生物-氨基多糖聚合物，进一步通过电化学的方法将其涂覆于医用金属材料，可以显著提高涂层的性能，并对提高植入型金属材料的生物相容性、血液相容性、抗菌性及耐腐蚀性等，对提高手术成功率及减少患者的痛苦，具有非常重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种电化学法用酚类衍生物-氨基多糖聚合物改性金属材料表面的方法。将曼尼希法制备可电镀的酚类衍生物-氨基多糖聚合物在电解池中对金属表面进行电化学改性，得到生物相容性及抗菌性优良的金属材料。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电化学法用酚类衍生物-氨基多糖聚合物改性金属材料表面的方法，将曼尼希法制备可电镀的酚类衍生物-氨基多糖聚合物在电解池中对金属表面进行电化学改性，具体工艺过程和步骤如下：

(1)室温下称取500~5000mg氨基多糖聚合物，50~500mg多聚甲醛，500~4000mg酚及其衍生物，溶于10~40ml 0.1 M盐酸溶液中，三者混合60℃下搅拌10~14h;

(2)用乙醇提取反应产物，冷冻干燥得酚类衍生物-氨基多糖聚合物;

(3)取适量的酚类衍生物-氨基多糖聚合物溶于30~50ml pH=8.0的Tris-HCl(三羟甲基氨基甲烷-盐酸)缓冲液中;采用三电极体系，待改性的导电材料为工作电极(阳极)，铂柱电极为对电极(阴极)，饱和甘汞电极为参比电极，在电解池中阳极发生电化学反应;所需的反应时间为10~20min，反应最佳电压为800-1200mv;

(4)取出上述改性的导电材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，浸泡在一定量马来酸酐的丙酮溶液，40℃搅拌下10~12h;

(5)将上述材料用含有75%丙酮的水溶液清洗数次，再浸泡在一定浓度的亚硫酸钠或亚硫酸氢钠溶液磺化1~2h;

(6)取出金属材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，得到生物相容性及抗菌性优良的改性金属材料。

所述的氨基多糖聚合物为壳聚糖，或氨基-α,β,γ-环糊精，或糖氨聚糖，或粘多糖，或蛋白聚糖。

所述的酚类衍生物为邻苯二酚，或间苯二酚，或对苯二酚，或苯酚。

所述的酚类衍生物-氨基多糖聚合物为接枝介质，涂覆方法为电化学方法。

 

       与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著地有点：

本发明方法将曼尼希法制备可电镀的酚类衍生物-氨基多糖聚合物在电解池中对金属表面进行电化学改性，得到生物相容性及抗菌性优良的金属材料。可大大缩短涂覆时间，而且得到的涂层更为均匀、致密，附着力更强。同时还可以进行二次改性，如磺化反应等，改善材料表面物理化学性能。

附图说明

图1是本发明的工艺流程示意图。

图2是本发明的改性装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

如图2所示，本发明方法所使用的改性装置，采用三电极体系，将待改性的金属材料为工作电极(阳极)，铂柱电极为对电极(阴极)，饱和甘汞电极为参比电极，电解池中有含酚类衍生物-氨基多糖聚合物的改性液和电极装置。

实施例1

如图1所示，一种对金属材料表面快速均匀涂覆酚类衍生物-氨基多糖聚合物的方法。将曼尼希法制备可电镀的酚类衍生物-氨基多糖聚合物在电解池中对金属表面进行电化学改性，具体工艺过程是：

(1)室温下称取1000mg壳聚糖，50mg多聚甲醛，1000mg邻苯二酚，溶于20ml 0.1 M盐酸溶液中，三者混合60℃下搅拌10~14h。

(2)用乙醇提取反应产物，冷冻干燥得邻苯二酚-壳聚糖聚合物。

(3)取适量的邻苯二酚-壳聚糖聚合物溶于30~50ml pH=8.0的Tris-HCl缓冲液中，采用三电极体系，待改性的导电材料为工作电极(阳极)，铂柱电极为对电极(阴极)，饱和甘汞电极为参比电极，在电解池中阳极发生电化学反应，本发明所需的反应时间为10~20min，反应最佳电压为800-1200mv。

(4)取出上述改性的导电材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，浸泡在一定量马来酸酐的丙酮溶液，40℃搅拌下10~12h。

(5)将上述材料用含有75%丙酮的水溶液清洗数次，再浸泡在一定浓度的亚硫酸钠或亚硫酸氢钠溶液1~2h。

(6)取出金属材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，得到生物相容性及抗菌性优良的改性金属材料。

实施例2

(1)室温下称取1000mg氨基-α,β,γ-环糊精，50mg多聚甲醛，1000mg邻苯二酚，溶于20ml 0.1 M盐酸溶液中，三者混合60℃下搅拌10~14h。

(2)用乙醇提取反应产物，冷冻干燥得邻苯二酚-氨基-α,β,γ-环糊精聚合物。

(3)取适量的邻苯二酚-氨基-α,β,γ-环糊精聚合物溶于30~50ml pH=8.0的Tris-HCl缓冲液中，采用三电极体系，待改性的导电材料为工作电极(阳极)，铂柱电极为对电极(阴极)，饱和甘汞电极为参比电极，在电解池中阳极发生电化学反应，本发明所需的反应时间为10~20min，反应最佳电压为800-1200mv。

(4)取出上述改性的导电材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，浸泡在一定量马来酸酐的丙酮溶液，40℃搅拌下10~12h。

(5)将上述材料用含有75%丙酮的水溶液清洗数次，再浸泡在一定浓度的亚硫酸钠或亚硫酸氢钠溶液1~2h。

(6)取出金属材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，得到生物相容性及抗菌性优良的改性金属材料。

实施例3

(1)室温下称取1000mg糖氨聚糖，50mg多聚甲醛，1000mg邻苯二酚，溶于20ml 0.1 M盐酸溶液中，三者混合60℃下搅拌10~14h。

(2)用乙醇提取反应产物，冷冻干燥得邻苯二酚-糖氨聚糖聚合物。

(3)取适量的邻苯二酚-糖氨聚糖聚合物溶于30~50ml pH=8.0的Tris-HCl缓冲液中，采用三电极体系，待改性的导电材料为工作电极(阳极)，铂柱电极为对电极(阴极)，饱和甘汞电极为参比电极，在电解池中阳极发生电化学反应，本发明所需的反应时间为10~20min，反应最佳电压为800-1200mv。

(4)取出上述改性的导电材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，浸泡在一定量马来酸酐的丙酮溶液，40℃搅拌下10~12h。

(5)将上述材料用含有75%丙酮的水溶液清洗数次，再浸泡在一定浓度的亚硫酸钠或亚硫酸氢钠溶液1~2h。

(6)取出金属材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，得到生物相容性及抗菌性优良的改性金属材料。

 

实施例4

(1)室温下称取1000mg粘多糖，50mg多聚甲醛，1000mg邻苯二酚，溶于20ml 0.1 M盐酸溶液中，三者混合60℃下搅拌10~14h。

(2)用乙醇提取反应产物，冷冻干燥得邻苯二酚-糖氨聚糖聚合物。

(3)取适量的邻苯二酚-糖氨聚糖聚合物溶于30~50ml pH=8.0的Tris-HCl缓冲液中，采用三电极体系，待改性的导电材料为工作电极(阳极)，铂柱电极为对电极(阴极)，饱和甘汞电极为参比电极，在电解池中阳极发生电化学反应，本发明所需的反应时间为10~20min，反应最佳电压为800-1200mv。

(4)取出上述改性的导电材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，浸泡在一定量马来酸酐的丙酮溶液，40℃搅拌下10~12h。

(5)将上述材料用含有75%丙酮的水溶液清洗数次，再浸泡在一定浓度的亚硫酸钠或亚硫酸氢钠溶液1~2h。

(6)取出金属材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，得到生物相容性及抗菌性优良的改性金属材料。

实施例5

 (1)室温下称取1000mg壳聚糖，50mg多聚甲醛，1000mg间苯二酚，溶于20ml 0.1 M盐酸溶液中，三者混合60℃下搅拌10~14h。

(2)用乙醇提取反应产物，冷冻干燥得间苯二酚-壳聚糖聚合物。

(3)取适量的间苯二酚-壳聚糖聚合物溶于30~50ml pH=8.0的Tris-HCl缓冲液中，采用三电极体系，待改性的导电材料为工作电极(阳极)，铂柱电极为对电极(阴极)，饱和甘汞电极为参比电极，在电解池中阳极发生电化学反应，本发明所需的反应时间为10~20min，反应最佳电压为800-1200mv。

(4)取出上述改性的导电材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，浸泡在一定量马来酸酐的丙酮溶液，40℃搅拌下10~12h。

(5)将上述材料用含有75%丙酮的水溶液清洗数次，再浸泡在一定浓度的亚硫酸钠或亚硫酸氢钠溶液1~2h。

(6)取出金属材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，得到生物相容性及抗菌性优良的改性金属材料。

 

实施例6

(1)室温下称取1000mg氨基-α,β,γ-环糊精，50mg多聚甲醛，1000mg间苯二酚，溶于20ml 0.1 M盐酸溶液中，三者混合60℃下搅拌10~14h。

(2)用乙醇提取反应产物，冷冻干燥得间苯二酚-氨基-α,β,γ-环糊精聚合物。

(3)取适量的间苯二酚-氨基-α,β,γ-环糊精聚合物溶于30~50ml pH=8.0的Tris-HCl缓冲液中，采用三电极体系，待改性的导电材料为工作电极(阳极)，铂柱电极为对电极(阴极)，饱和甘汞电极为参比电极，在电解池中阳极发生电化学反应，本发明所需的反应时间为10~20min，反应最佳电压为800-1200mv。

(4)取出上述改性的导电材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，浸泡在一定量马来酸酐的丙酮溶液，40℃搅拌下10~12h。

(5)将上述材料用含有75%丙酮的水溶液清洗数次，再浸泡在一定浓度的亚硫酸钠或亚硫酸氢钠溶液1~2h。

(6)取出金属材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，得到生物相容性及抗菌性优良的改性金属材料。

实施例7

(1)室温下称取1000mg糖氨聚糖，50mg多聚甲醛，1000mg间苯二酚，溶于20ml 0.1 M盐酸溶液中，三者混合60℃下搅拌10~14h。

(2)用乙醇提取反应产物，冷冻干燥得间苯二酚-糖氨聚糖聚合物。

(3)取适量的间苯二酚-糖氨聚糖聚合物溶于30~50ml pH=8.0的Tris-HCl缓冲液中，采用三电极体系，待改性的导电材料为工作电极(阳极)，铂柱电极为对电极(阴极)，饱和甘汞电极为参比电极，在电解池中阳极发生电化学反应，本发明所需的反应时间为10~20min，反应最佳电压为800-1200mv。

(4)取出上述改性的导电材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，浸泡在一定量马来酸酐的丙酮溶液，40℃搅拌下10~12h。

(5)将上述材料用含有75%丙酮的水溶液清洗数次，再浸泡在一定浓度的亚硫酸钠或亚硫酸氢钠溶液1~2h。

(6)取出金属材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，得到生物相容性及抗菌性优良的改性金属材料。

 

实施例8

(1)室温下称取1000mg粘多糖，50mg多聚甲醛，1000mg间苯二酚，溶于20ml 0.1 M盐酸溶液中，三者混合60℃下搅拌10~14h。

(2)用乙醇提取反应产物，冷冻干燥得间苯二酚-糖氨聚糖聚合物。

(3)取适量的间苯二酚-糖氨聚糖聚合物溶于30~50ml pH=8.0的Tris-HCl缓冲液中，采用三电极体系，待改性的导电材料为工作电极(阳极)，铂柱电极为对电极(阴极)，饱和甘汞电极为参比电极，在电解池中阳极发生电化学反应，本发明所需的反应时间为10~20min，反应最佳电压为800-1200mv。

(4)取出上述改性的导电材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，浸泡在一定量马来酸酐的丙酮溶液，40℃搅拌下10~12h。

(5)将上述材料用含有75%丙酮的水溶液清洗数次，再浸泡在一定浓度的亚硫酸钠或亚硫酸氢钠溶液1~2h。

(6)取出金属材料，浸没在去离子水中超声10~15min，取出自然晾干，得到生物相容性及抗菌性优良的改性金属材料。