一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层及其制备方法。该方法包括以下步骤：(1)预处理镁合金基底材料；(2)将预处理后的镁合金置于聚阳电解质溶液中，反应1～30min后，取出并用去离子水清洗；(3)将步骤(2)中所得产物置于多酚化合物与聚阴电解质的混合溶液中，反应1～30min后，取出并用去离子水清洗；(4)以步骤(3)所得产物为底物，重复步骤(2)～(3)所述过程10～100次，并用氮气干燥，得转化涂层。本发明方法操作简单，成本低，普适性广，适用于镁基血管支架及骨固定材料等领域研究。

说明书

技术领域

本发明属于医用材料领域，具体涉及一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层及其制备方法，可用于镁基全降解骨科植入材料和全降解镁基合金血管支架材料的改性研究。

背景技术

与传统生物医用不锈钢、钛合金等金属材料对比，镁基金属材料具有良好的生物相容性、机械性能、生物可降解、低致栓性、低炎性反应等诸多优势，其被广泛研究期望应用于血液支架材料、骨科修复材料等。可降解镁合金虽然有其独特的优点，但其特别突出的问题就在于降解速率过快，在三个月时间内已基本降解完毕。与此同时，尽管可降解镁合金材料已经接近甚至优于惰性金属材料的物理化学性能和生物相容性，但长期服役在潮湿的生理环境中，镁合金过快的降解速率容易导致植入物过早失去应力支撑作用。镁合金在体内发生析氢腐蚀，机体组织局部pH升高，不利于周围组织的生长。

目前用于提高镁合金耐腐蚀性能的方法主要有块体改性(合金化和显微结构调整)和表面改性。其中块体改性主要通过在镁金属中掺入少量的微量元素如Zn、Ca、Mn等，其可以调节金属的晶相结构和晶粒大小等方式来有效提高合金的机械性能和耐腐蚀性能，该方法制备的合金具有良好的生物相容性,但是存在成本过大，可重复性不高等缺陷。表面改性是目前镁合金表面改性最有效的方法，可以兼顾镁合金腐蚀的控制和生物形容性。目前开发一种兼具良好耐腐蚀性和表面良好生物相容性的镁合金转化涂层仍然是全降解镁基金属支架材料亟待解决的难题。

常用的镁合金表面改性涂层为非共价键作用，具有易受环境pH、温度、盐离子等外部因素的影响，导致药物突释、涂层破坏、加速腐蚀、缩短植入物的服役寿命。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层及其制备方法，可有效解决现有镁基转化涂层易受潮湿环境影响腐蚀速率过快，导致应力断裂以及影响周围组织生长的问题。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)预处理镁合金基底材料；

(2)将预处理后的镁合金置于0.01～1mM，pH值为4～10的聚阳电解质溶液中，于4～37℃反应1～30min后，取出并用去离子水清洗3～5次；

(3)将步骤(2)中所得产物置于0.01～20mM，pH值为5.5～8.5的多酚化合物与聚阴电解质的混合溶液中，于4～37℃反应1～30min后，取出并用去离子水清洗3～5次；其中，所述多酚化合物和聚阴电解质的摩尔比为1～2:1～2；

(4)以步骤(3)所得产物为底物，重复步骤(2)～(3)所述过程10～100次，并用氮气干燥，得转化涂层。

进一步地，步骤(1)中镁合金为纯镁、镁稀土系合金、新型生物医用镁合金或镁铝系合金。

其中，镁稀土系合金为AZ31镁合金、AZ91镁合金或WE43镁合金。

其中，新型生物医用镁合金为AE21镁合金、Mg-Mn-Zn合金或Mg-Si合金。

进一步地，步骤(2)中聚阳电解质为聚-L-赖氨酸氢溴酸盐、聚烯丙基胺盐酸盐、聚-L-精氨酸盐酸盐、聚乙烯亚胺、壳聚糖、聚己基紫腈或庆大霉素和硫酸卡那霉素。

进一步地，步骤(3)中多酚化合物和聚阴电解质的摩尔比为1:1。

进一步地，步骤(3)中多酚化合物为表儿茶素、表没食子儿茶素、表没食子儿茶素没食子酸酯、表儿茶素没食子酸酯、没食子酸、白藜芦醇、维生素B2、丹参酮、黄酮化合物、姜黄素或单宁酸。

进一步地，步骤(3)中聚阴电解质为肝素、硫酸乙酰肝素、透明质酸、硫酸软骨素、胶原蛋白、葡聚糖、硫酸角质素、聚丙烯酸、聚苯乙烯磺酸钠盐、海藻酸钠、聚谷氨酸或脱氧核糖核酸。

进一步地，聚阳电解质浓度为0.01～1mM，pH值为7.4；所述混合溶液的浓度为0.001～20mM，pH值为7.2。

上述方法制备得到的具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层。

本发明的有效果为：

1、由于多酚化合物可以与聚阳电解质、聚阴电解质通过氢键、π-π作用以及局部的共价键作用形成稳定的聚合物涂层，由此，本发明通过层层自组装原理与技术，使聚阳电解质、多酚/聚阴电解质复合物在镁合金材料表面形成致密均匀的交联网络涂层，制备得到的转化涂层与基底结合力强，并具有较好的抗蚀能力。

2、多酚化合物的分子结构中含有大量的邻位酚羟基，可以与支架腐蚀产生的镁、锌、锰等离子发生螯合作用，辅助受腐蚀的此类金属离子在镁基材料表面有效的转化沉积，可有效的避免涂层被进一步的腐蚀。

3、多酚化合物特别是茶多酚类化合物由于其良好的抗氧化能力，可保护血管内皮细胞免受氧化应激损伤，在镁基材料降解过程中，具有抗氧化性能的多酚金属配合物游离释放，在一定范围内可以维持局部血管内正常的氧化还原平衡；同时，多酚化合物本身就具有较好的生物相容性，并且利用植物多酚介入有机转化层的构建，不仅可以有效提高涂层整体的抗蚀能力，同时可以引入多种官能团，利于后续载药及生物分子的固定。

4、本发明所需制备的涂层通常低于100nm，所得涂层均匀，制备涂层所需原料投入很少，原料掺入量易于调控，且制备得到的涂层可以在多种材料表面进行修饰，与传统的减缓腐蚀涂层技术相比，操作简单，成本较低，普适性广。

附图说明

图1是本发明所制备的转化涂层的原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)检测结果图；

图2是用本发明制备的转化涂层的抗凝血性能检测图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对需要改性的纯镁材料进行抛光、清洗、干燥；

(2)将步骤(1)所得产物置于浓度为0.01mM，pH值为7.4的聚乙烯亚胺溶液中，于4℃反应2min，然后取出，并用去离子水清洗3次；

(3)将步骤(2)所得产物置于浓度为0.2mM，pH值为7.5的表儿茶素与硫酸乙酰肝素的混合溶液中，于10℃反应5min，然后取出，并用去离子水清洗3次；其中，表儿茶素与硫酸乙酰肝素的摩尔比为1:2；

(4)以步骤(3)所得产物为底物，重复步骤(2)～(3)所述过程60次，并用氮气干燥，然后保存于真空干燥箱中，即可得到具有耐腐蚀性的转化涂层。

实施例2

一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对需要改性的镁锌锰合金进行抛光、清洗以及干燥处理；

(2)将步骤(1)所得产物置于浓度为0.01mM，pH值为7.5的聚己基紫腈溶液中，于5℃反应2min，然后取出，并用去离子水清洗3次；

(3)将步骤(2)所得产物置于浓度为0.02mM，pH值为7.8的表没食子儿茶素没食子酸酯与硫酸皮肤素的混合溶液中，于15℃反应5min，然后取出，并用去离子水清洗3次；其中，表没食子儿茶素没食子酸酯与硫酸皮肤素的摩尔比为1:1；

(4)以步骤(3)所得产物为底物，重复步骤(2)～(3)所述过程3次，并用氮气干燥，然后保存于真空干燥箱中，即可得到具有耐腐蚀性的转化涂层。

实施例3

一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对需要改性的WE43镁合金进行抛光、清洗以及干燥处理；

(2)将步骤(1)所得产物置于浓度为0.01mM，pH值为7.4的壳聚糖溶液中，于5℃反应2min，然后取出，并用去离子水清洗3次；

(3)将步骤(2)所得产物置于浓度为0.05mM，pH值为7.2的表儿茶素没食子酸酯与硫酸软骨素的混合溶液中，于10℃反应5min，然后取出，并用去离子水清洗3次；其中，表儿茶素没食子酸酯与硫酸软骨素的摩尔比为1.5:2；

(4)以步骤(3)所得产物为底物，重复步骤(2)～(3)所述过程5次，并用氮气干燥，然后保存于真空干燥箱中，即可得到具有耐腐蚀性的转化涂层。

实施例4

一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对需要改性的WE43镁合金进行抛光、清洗以及干燥处理，备用；

(2)将步骤(1)所得产物置于浓度为0.05mM，pH值为7.6的聚己基紫腈溶液中，于5℃反应2min，然后取出，并用去离子水清洗3次；

(3)将步骤(2)所得产物置于浓度为0.4mM，pH值为7.4的没食子酸与葡聚糖的混合溶液中，于20℃反应5min，然后取出，并用去离子水清洗3次；其中，没食子酸与葡聚糖的摩尔比为2:1；

(4)以步骤(3)所得产物为底物，重复步骤(2)～(3)所述过程20次，并用氮气干燥，然后保存于真空干燥箱中，即可得到具有耐腐蚀性的转化涂层。

实施例5

一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对需要改性的WE43镁合金进行抛光、清洗以及干燥处理；

(2)将步骤(1)所得产物置于浓度为0.02mM，pH值为7.4的聚-L-精氨酸盐酸盐溶液中，于4℃反应1min，然后取出，并用去离子水清洗3次；

(3)将步骤(2)所得产物置于浓度为0.002mM，pH值为7.4的茶黄素与聚苯乙烯磺酸钠盐的混合溶液中，于10℃反应5min，然后取出，并用去离子水清洗3次；其中，茶黄素与聚苯乙烯磺酸钠盐的摩尔比为1:1；

(4)以步骤(3)所得产物为底物，重复步骤(2)～(3)所述过程5次，并用氮气干燥，然后保存于真空干燥箱中，即可得到具有耐腐蚀性的转化涂层。

实施例6

一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对需要改性的镁锌锰合金进行抛光、清洗以及干燥处理；

(2)将步骤(1)所得产物置于浓度为0.01mM，pH值为7.6的聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中，于4℃反应1min，然后取出，并用去离子水清洗3次；

(3)将步骤(2)所得产物置于浓度为0.002mM，pH值为7.4的表没食子儿茶素与聚丙烯酸的混合溶液中，于10℃反应5min，然后取出，并用去离子水清洗3次；其中，表没食子儿茶素与聚丙烯酸的摩尔比为1:1；

(4)以步骤(3)所得产物为底物，重复步骤(2)～(3)所述过程5次，并用氮气干燥，然后保存于真空干燥箱中，即可得到具有耐腐蚀性的转化涂层。

实施例7

一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对需要改性的AZ31镁合金进行抛光、清洗以及干燥处理；

(2)将步骤(1)所得产物置于浓度为0.02mM，pH值为7.8的聚乙烯亚胺溶液中，于4℃反应1min，然后取出，并用去离子水清洗3次；

(3)将步骤(2)所得产物置于浓度为0.001mM，pH值为7.2的EGCG与肝素的混合溶液中，于10℃反应5min，然后取出，并用去离子水清洗3次；其中，EGCG与肝素的摩尔比为1:1；

(4)以步骤(3)所得产物为底物，重复步骤(2)～(3)所述过程5次，并用氮气干燥，然后保存于真空干燥箱中，即可得到具有耐腐蚀性的转化涂层。

实施例8

一种具有高耐腐蚀性和表面功能化的镁基金属转化涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)对需要改性的AZ31镁合金进行抛光、清洗以及干燥处理，备用；

(2)将步骤(1)所得产物置于浓度为0.01mM，pH值为7.4的壳聚糖溶液中，于4℃反应1min，然后取出，并用去离子水清洗3次；

(3)将步骤(2)所得产物置于浓度为0.001mM，pH值为7.2的单宁酸与透明质酸的混合溶液中，于10℃反应5min，然后取出，并用去离子水清洗3次；其中，单宁酸与透明质酸的摩尔比为1:1；

(4)以步骤(3)所得产物为底物，重复步骤(2)～(3)所述过程5次，并用氮气干燥，然后保存于真空干燥箱中，即可得到具有耐腐蚀性的转化涂层。

检测

分别对实施例7制备得到的转化涂层进行原子力显微镜(AFM)检测，以及抗凝血性能检测，其检测图谱分别见图1和图2。

从图1中可看出，该转化涂层形成了交联网络致密结构，通过极端条件与长期PBS中浸泡实验，发现该图层具有良好的耐极端条件破坏与长期的稳定性。

从图2中可看出，转化涂层样品表面几乎没有出现血小板的富集，说明该转化涂层具有良好的抗血小板黏附与抗凝血功能；而且，该转化涂层中的多酚化合物具有超亲水功能，可以有效的阻止血液中的蛋白质在材料表面的聚集，另外，转化涂层中的肝素分子可以有效的防治血液中成分的激活与破坏。

对实施例7制备得到的转化涂层进行PBS水溶液长期浸泡实验，其具体过程如下：

首先用硅橡胶密封未改性镁合金面，只暴露改性过的涂层面；将四个直径为1cm的镁合金样品放入自制的测量氢气的装置中，加入400ml PBS溶液，密封装置，37℃条件下每12小时测量样品释放的氢气量，读取体积，释放氢气的速率反应了镁合金的腐蚀速率；通过上述检测发现，氢气释放速率非常低，表明，本发明制备得到的转化涂层，具有优良的耐腐蚀性能。

分别对实施例7制备得到的转化涂层和传统涂层进行极端条件电化学测试，其具体过程如下：

分别对实施例7制备得到的转化涂层和传统涂层进行极端条件电化学测试，其具体过程如下：

首先将样品背面、铜片打磨抛光，然后用导电银胶将铜片与样品粘结起来，用硅橡胶将样品背面密封起来，过夜凝固用于电化学性能的测试；电化学测试在37℃条件下PBS溶液中，并检测该转化涂层的阻抗值以及自腐蚀电流大小；通过检测发现，本发明制备得到的转化涂层，其阻抗值远远高于传统涂层，同时，自腐蚀电流也远低于传统涂层，表明本发明制备得到的转化涂层具有优良的耐腐蚀性能。