医用镁表面大分子自组装功能涂层材料研究

发布时间：2020-08-20 14:07

【摘要】：纯镁及其合金作为新型可降解医用金属植入材料,已成为生物材料领域的研究热点,并越来越受到生物、材料和医学界的关注和重视。与钛合金、不锈钢等传统医用金属材料相比,镁及其合金具有良好的生物相容性、生物可降解性、及适宜的机械性能,不但可以避免植入材料所引起的应力遮蔽效应,且不需要二次手术取出。但由于镁是一种化学性质极为活泼的金属,导致镁及其合金降解速率过快,极大的限制了其在临床上的应用。为了调控其降解速率,表面涂层处理成为常用方法之一,在众多涂层当中,大分子涂层由于良好的生物相容性、可降解性、易于功能化等特点,成为镁表面防腐涂层材料研究的新热点,相关成果丰硕。但从植入材料角度考虑,尚存在一些难以忽视的问题,如涂层制备工艺对医用镁及其表面涂层性能的改变,大分子的结构、组成及聚集形态对涂层性能的影响,涂层的化学结构及组分对镁及镁合金生物相容性和降解速率等的影响,以及涂层本身的生物活性和降解产物的细胞毒性、生理毒性等。大分子自组装及其组装聚集体一直是高分子科学领域的研究热点之一,大分子自组装发展至今,研究热点已逐渐从组装体结构和形貌的调控向功能性组装基元的构筑及应用等领域转移。由于大分子自组装可以在自然、温和的条件下构建新物质、新型功能材料、智能化材料,组织和器件等,因而关注以构造新型功能材料为主要目标的大分子自组装研究意义尤为重大。一直以来,我们小组都致力于大分子自组装和功能涂料方面的研究,所以很自然地想到将自组装基元拓展到镁表面功能涂层研究当中。希望通过大分子设计及聚集形态的调控构建稳定、可控、具有生物相容及功能性的医用镁表面防腐涂层,是一种新的尝试。基于上述背景,本文以大分子自组装胶体粒子为基本基元,通过电诱导二次界面组装技术在镁及镁合金表面构筑功能涂层材料,以调控镁及镁合金的降解速率,增加其作为医学植入金属器件的成功几率,同时将自组装胶体粒子拓展到镁表面功能涂层研究领域。考虑到镁化学性质活泼,电沉积过程中会与溶剂水反应,抑制涂层形成并影响涂层的性能,因而本文尝试构建能在非水相进行自组装的功能大分子体系,并实施电沉积过程,在镁及镁合金表面制备功能涂层材料。本文的研究主线是:首先,以天然聚多肽为自组装基元,选定无水乙醇为组装环境制备自组装胶体粒子溶液,并实施电沉积将胶体粒子固定在医用镁表面,验证电沉积大分子自组装胶体粒子可在医用镁表面制备功能涂层材料;其次,引入功能小分子药物与大分子聚多肽进行复合自组装,制备功能胶体粒子,进而制备功能涂层材料;进一步拓展,利用杂化自组装技术制备大分子聚多肽/无机粒子杂化胶体粒子,并在医用镁表面制备功能杂化涂层,提高医用镁样品在体内及体外的长效耐腐蚀性。最后,通过小分子单体的选择、设计制备可在无水乙醇中自组装的合成大分子样品,并研究其胶体粒子的组成、粒子的电沉积条件对涂层的生物相容性及体内体外降解速率的影响,再次拓宽研究思路。具体研究内容分为以下几个部分:1.光敏γ-聚谷氨酸自组装及镁表面功能涂层材料研究本章首先以天然聚多肽γ-聚谷氨酸(γ-PGA)和光敏小分子香豆素(AMC)为原料,1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)、1-羟基苯并三唑(HOBt)为催化剂,通过酰胺化反应制备γ-聚谷氨酸-7-氨基-4-甲基香豆素(γ-PGA-AMC)光敏大分子,并用UV-vis、DLS及TEM等方法研究大分子在非水溶剂中的组装行为及影响因素。接着采用电诱导二次界面组装技术将胶体粒子固定在医用镁(Mg-Ca合金)表面,制备功能涂层材料,探讨沉积条件(时间、电压、沉积液浓度等)对涂层形成过程的影响,以SEM、FTIR、XPS、XRD等表征手段探讨涂层的物理化学性质。最后,使用电化学测试系统探究涂层对Mg-Ca合金在模拟人体液(SBF)中降解速率的影响,并运用MTT法表征不同样品降解产物的细胞毒性。初步探讨大分子有机相组装机理、电沉积成膜机制及涂层的防护机理。结果表明:γ-聚谷氨酸主链上引入了光敏小分子基团7-氨基-4-甲基香豆素,光敏大分子γ-PGA-AMC中小分子香豆素的改性率约为20%;该大分子可在选择性溶剂二甲亚砜/无水乙醇中发生自组装,组装机理主要基于氢键及分子间作用力诱导组装。胶体粒子在乙醇溶液中有着良好的稳定性,表面呈荷负电,且对光敏大分子初始浓度、溶液pH环境、盐浓度、UV光照具有响应性。粒子粒径随γ-PGA-AMC初始浓度、溶液pH、盐浓度的增加而增大;随着光照时间的增加,粒子发生光二聚粒径逐渐减小。在无水乙醇中可实施一步电沉积过程在医用镁表面构建功能涂层,涂层的最佳制备条件为150 V、30 min、pH~7.5,涂层制备过程中镁基材的物理化学性质并未发生变化;并可通过改变胶体粒子沉积液的浓度,调控基材表面涂层的沉积量及厚度;胶体粒子在镁表面形成涂层的机制主要是基于胶体粒子在电场中的DLVO沉积理论。所制备的涂层材料提高了医用镁样品在模拟人体液中的初始耐腐蚀性,且随着样品表面涂层厚度的增加,样品的耐腐蚀性依次提升,降解产物也具有优良的细胞相容性。2.镁表面载药功能涂层的制备及性能研究本章在前一章节研究的基础上以γ-PGA-AMC光敏大分子自组装胶体粒子为功能载体,在无水乙醇中组装得到载药功能胶体粒子,并通过电沉积技术,在医用镁(Mg-Ca合金)表面构建功能涂层材料,调控镁合金降解速率的同时,赋予其功能载药特性。所采用的功能药物模板为维生素M(Vm),一种B族维生素,是人体生命活动的必需元素且只能从食物中获取,它不但可以促进细胞的粘附、分化、及增殖,且具有一定的抗炎作用。通过改变药物的加入量,制备不同载药量的载药胶体粒子,进而制备不同特性的载药功能涂层。探讨γ-PGA-AMC光敏大分子与功能药物在无水乙醇中的组装机理;探究功能药物的引入对涂层的化学结构、微观形貌、厚度、及性能(耐蚀性、细胞相容性)的影响,研究药物的释放机制及释放过程对涂层腐蚀防护性能的影响。主要得出以下结果:γ-PGA-AMC与Vm在无水乙醇中自组装形成了胶体粒子,两种组装基元之间存在静电和氢键相互作用,所加入的药物均被负载在胶体粒子上。通过电沉积将胶体粒子固定在镁合金表面制备了涂层材料,涂层中各组分间存在相互作用力,且载药涂层样品没有出现宏观相分离,涂层均匀致密,涂层的厚度和表面疏水性随粒子中Vm负载量的增加而增加。体外电化学测试和静态降解实验表明,载药功能涂层提高了镁合金在模拟人体液中的耐腐蚀性能,且涂层的防护性能随着涂层厚度的增加及药物负载量的增加而增强。此外,涂层中药物的释放初期是通过药物的扩散作用释放,呈一级释放特征,后期则是由样品的降解进行调控,属于典型的零级释放特性,样品的降解产物均具有良好的细胞相容性,且表面制备载药涂层后,细胞在样品表面的粘附性能也得到了较好的改善。3.镁表面杂化功能涂层的制备及性能研究为改善涂层对镁基材的长效腐蚀调控能力,本章引入无机组分纳米羟基磷灰石与γ-PGA-AMC光敏大分子进行杂化自组装,制备杂化自组装胶体粒子,进一步通过电沉积将胶体粒子沉积在镁基材表面制备杂化功能涂层材料。所引入的杂化因子纳米羟基磷灰石(HA)是自然骨无机质的主要成分,具有良好的生物相容性、力学相容性、和骨传导作用。首先通过自组装获得均一稳定的杂化自组装胶体粒子溶液,用DLS及TEM表征粒子的粒径大小及形貌,并探究杂化粒子的组装机理。进一步将其电沉积固定在镁基材表面制备杂化涂层材料,利用FTIR及SEM考察涂层的化学组分和表面形貌,考察涂层的均一性和致密性;通过体外电化学测试及静态降解实验研究样品在模拟人体环境下的降解过程,表征降解后各样品的表面形貌及相组成,分析涂层对镁基材降解调控的机制。体外细胞实验研究样品降解产物的细胞毒性等级,及细胞在样品表面的粘附行为;最后通过动物实验表征样品在动物体内的降解行为,用CT追踪样品在动物体内的降解过程,组织切片染色观察样品对动物体近期及远期组织学反应。结果表明:γ-PGA-AMC和HA在无水乙醇中形成了稳定的杂化自组装胶体粒子,粒子是纳米尺度的,表面呈荷负电,γ-PGA-AMC和HA两基元间具有静电作用力。通过电沉积技术将杂化粒子固定在裸镁表面形成功能涂层材料,涂层中含有γ-PGA-AMC和HA两种组分,且两基元具有良好的相容性,涂层结构致密均一,且具有一定的厚度。杂化涂层显著降低了镁基材的降解速率,涂层的防护机理主要是前期起到物理阻隔的作用,后期抑制腐蚀产物的脱落溶解及扩散速率,从而达到长效防腐蚀的效果。动物实验结果验证,杂化涂层能够提高镁基材在动物体内的耐蚀性能,避免镁样品植入动物体内初期的快速降解,保证材料在服役期内能够保持足够的形态及理化性能。HE染色观察结果说明,杂化涂层能够有效提高镁基材在动物体内的成骨活性,并加速骨组织愈合。4.合成大分子自组装及镁表面功能涂层材料研究前面章节工作表明,天然基大分子可在无水乙醇中自组装形成胶体粒子,进一步电诱导胶体粒子可在医用镁表面构建功能涂层。本章节将进一步拓展,通过单体的设计及合成制备可在无水乙醇中自组装的合成大分子体系,拓宽研究思路。选用丙烯酸异冰片酯(ISA)和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMA)为单体,AIBN为引发剂,通过自由基聚合制备得到P(ISA-co-DMA)无规共聚物。将上述无规共聚物溶于无水乙醇形成溶液;在搅拌条件下,向上述溶液中滴加含单宁酸(TA)抗菌分子的无水乙醇溶液,促使无规共聚物与单宁酸抗菌分子发生复合自组装,形成复合纳米粒子溶液;最后以复合纳米粒子溶液为电沉积液,采用电沉积技术,在镁表面制备抗菌耐蚀功能涂层。探讨涂层在模拟人体环境下的耐腐蚀性,及对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制作用,并通过动物实验研究样品在动物体内的降解行为。结果表明:P(ISA-co-DMA)无规共聚物结构单元中ISA:DMA单元比为0.92:1,Mw为1.9×104,分子量的分布为1.27。P(ISA-co-DMA)和TA在无水乙醇中可以形成复合自组装胶体粒子,粒子形成过程受P(ISA-co-DMA)和TA量的影响,通过调节溶液中乙酸、三乙胺、及氯化钙的浓度可以调控复合胶体粒子的粒径大小和表面荷电情况。氯化钙作为添加剂可促使本体系发生电沉积制备涂层材料,胶体粒子的沉积量随着氯化钙浓度的增加呈先增大后减小的趋势,随着沉积时间和沉积电压的增大而逐渐增加。所制备的涂层表面致密均一,具有优异的细胞相容性、抗菌性,体外降解实验说明涂层明显提高了镁样品在模拟人体环境中的耐腐蚀性,制备涂层后,样品各部位降解速率更加均匀,浸泡40天后XRD和EDS测试说明涂层样品在降解过程中进一步形成无机转化涂层。动物实验表明裸镁样品在新西兰大白兔体内迅速不均匀降解,骨腔内聚集大量气体,骨组织遭到损坏。而制备涂层后的样品在动物体内降解速率明显下降,均匀降解,且可与骨组织牢固结合并促进新骨的生成。植入12周后,裸镁的剩余质量仅为31.4%,而涂覆涂层样品(MgCP30、MgCP60)的剩余质量分别为78.4%和89.7%。综上所述,本文制备了可在无水乙醇中稳定分散的天然基大分子及合成大分子自组装胶体粒子,结合电沉积技术,在医用镁样品表面构建具有生物相容性、降解速率可控的大分子自组装功能涂层,赋予镁基材以理想的性能及功能。由于无水乙醇不与医用镁发生化学反应,在电沉积制备涂层过程中镁基材的物理化学性质不发生改变;所制备的涂层材料提高了镁基材的耐腐蚀性及生物相容性;引入功能因子(药物、杂化因子等)不但可以进一步减缓镁基材的降解速率,还赋予镁基材功能特性(治疗、促生长、抗菌等);涂层本身具有优异的生物活性,其降解产物也有着良好的细胞相容性及组织学相容性。本文创新性的将自组装和电沉积技术结合在一起,构建了一种操作简单、成本低廉、性能优良的医用镁表面功能涂层材料制备方法,拓展了大分子自组装在镁表面功能涂层研究领域的应用。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG178;R318.08
【图文】：

示意图,涂层材料,涂层,表面

第一章绪论在涂层当中负载庆大霉素，则庆大霉素的释放速率会随着涂层中渐下降。Jia 等[51]在镁合金表面制备生物活性的自修复腐蚀防护微弧氧化处理在镁合金表面制备多孔氧化物涂层(MAO)，然后通涂层(CSCe)，进而得到 MAO/CSCe 复合涂层材料。体外短期降高了镁合金的耐腐蚀性能且具有一定的自修复作用，主要是由于 Mg2+和 OH-两种离子，其易被涂层捕获与涂层中的三价铈离子形到修复涂层的作用，为镁及镁合金表面功能涂层的制备提供新视

示意图,PVC涂层,超疏水,材料制备

u 等[112]通过旋转涂布法在 ZK60 镁合金表面制备聚甲基丙烯酸甲酯(PM高镁合金的耐腐蚀性能和生物相容性。研究结果表明，涂层厚度在 4镁合金提供较好的防护性能，同时促进 MC3T3-E1 成骨细胞的粘附[113]首先对 AZ91 镁合金进行阳极氧化处理，然后通过浸涂法在其表面C)膜材料，如图 1-2 所示；研究结果表明 PVC 膜的水接触角随着浸提加而逐渐增加，当 PVC 的含量大于 40%时，可在镁基材表面形成粘涂层材料，对镁合金基材具有优异的腐蚀防护性能。Gu 等[114]在镁支酯载药(紫杉醇)涂层材料，以改善镁支架作为心血管材料的风险问题裸镁支架及涂覆 PLGA 涂层的镁支架而言，聚氨酯载药涂层材料对镁蚀防护作用，同时可以抑制血小板的粘附并由于紫杉醇的释放可以抑细胞的增殖，是一种良好的心血管涂层材料。Zhang 等[115]在镁样品表丁酸-co-3-羟基乙酸)共聚物(PHBHHx)载阿魏酸涂层材料，并探究 HUV面的细胞响应行为，研究表明载药涂层可以促进 HUVECs 细胞的粘附

示意图,自组装,酶降解,粒子

江南大学博士学位论文共价键的相互作用下自发组装而成，组装单元包含大分子、小分子、及纳米粒元之间在静电、疏水、氢键和主客体等弱相互作用下形成的组装体为多组分组在多组分组装方面已经有诸多研究者开展了相关研究，例如 Nielsen 等[131]探究与 -酪蛋白、 -乳清蛋白、 -乳球蛋白、生长激素等之间的多组分复合自组装果表明多组分复合功能纳米粒子的长效稳定性与所选用的蛋白质的种类及组温度相关，说明各组分之间的非共价键作用是诱导多组分复合自组装的主要原过控制条件可制备具有高负载效率的壳聚糖/蛋白质多组分复合自组装粒子。32]利用荷正电的壳聚糖(CS)与荷负电的三磷酸腺苷(ATP)间的静电自组装，在溶 CS/ATP 自组装纳米粒子，结果显示 CS/ATP 复合粒子呈球状形貌，粒子在磷用下逐渐发生降解，如图 1-3 所示，粒子具有良好的生物相容性，在药物输送应器领域有着良好的应用前景，上述工作为酶响应性壳聚糖基纳米粒子的大规供了简便的制备方法。

【参考文献】