茶多酚介导的有机转化层对生物医用镁合金表面改性的研究
发布时间：2020-08-15 13:39
【摘要】：镁及镁合金是电化学活性最强的金属材料之一,其在生理环境中的可降解性,相对良好的生物相容性以及优良的物理和力学性能使其成为生物医用可降解植入物的合适材料。在多数情况下,植入材料只需要在人体中暂时存在,完成组织修复的功能后,逐渐降解并被完全吸收,因此新一代可降解的镁合金受到越来越多的关注。近年来,有大量工作关于将镁及其合金用于心血管支架、骨固定材料、骨修复多孔支架等领域的研究。然而将镁合金作为医用植入材料,限制其应用的主要问题在于其过快的降解速率。由于镁合金表面的腐蚀主要呈现点蚀的局部腐蚀倾向,因此会导致镁合金植入物的局部力学失效,此外,氢气的过快析出和局部pH值过高也会导致周围组织的炎症反应和较差的细胞相容性。提高镁合金的耐蚀能力,减缓其腐蚀速率一直是被大量研究和探索的难题,目前主要有合金化、机械加工和表面改性三种方式。其中,表面改性由于其直接高效,并且在提高基底耐蚀能力的同时可兼顾生物相容性的提高,是其中最受关注的一种方法。表面改性的方式中,化学转化沉积是一种操作简单且适用于复杂器械表面改性的方式,因而通过化学转化法在生物医用镁合金表面沉积改性涂层是当前的研究热点。但迄今为止,研究者们多数选择无机成分来进行转化层的沉积,所得到的转化层大多只能作为后续改性的辅助手段,且部分转化层中含有一些生物相容性欠佳的无机金属盐等成分,不利于镁基底生物相容性的提高。因而,开发一种新型、绿色环保且具有较好的生物相容性的转化层,来满足临床上对镁合金植入材料生物相容性的要求是十分必要的。基于茶多酚特有的抗炎、抗氧化等功效,茶多酚可以与金属络合形成稳定络合物以及酚羟基氧化后可与氨基发生迈克尔加成和席夫碱的反应机理,本文主要在镁合金表面构建了多种由茶多酚介导的有机转化层,评价了其减缓基底腐蚀速率和提高体内外生物相容性的能力,且在后续引入生物分子并探索了其在特定植入环境中的应用潜力。论文主要内容如下:(1)茶多酚转化层在镁合金表面构建的工艺探索。该部分主要对镁合金表面沉积多酚转化层进行了工艺摸索,分别比较了四种茶多酚组分、三种镁基底、不同时间、温度、浓度、pH值对镁合金表面多酚转化层的成膜和耐蚀行为的影响。多酚分子的结构会影响各金属络合物之间的连接,从而对转化层的覆盖程度产生影响;多酚转化层对不同镁合金耐蚀能力的提高存在差异,说明基底的合金成分或其他因素会影响转化层的形成;时间、温度、浓度和pH值对多酚转化层的形成也有较大影响。本研究通过成膜后形貌和电化学腐蚀评价,发现EGCG转化层具有最好的耐蚀能力,而CA转化层的耐蚀能力最差,在MgZnMn表面构建EGCG转化层的最佳工艺参数为:2.5mg/mL,20℃,12h,pH=8.5。本章结果并为后续研究中的沉积工艺提供指导。(2)EGCG转化层在生物医用镁合金表面的构建与研究。EGCG是绿茶茶多酚的主要组成成分,具有抗菌、抗氧化、抗炎等多种功能,并且它在MgZnMn合金表面制备的转化层具有较好的耐蚀行为,该部分研究在MgZnMn表面通过简单的浸泡法制备EGCG转化层,进一步深入分析转化层的形成机理,改性层的理化性质,耐腐蚀能力以及体内外生物相容性。电化学结果显示,MgZnMn自腐蚀电流密度为64.57 μA/cm2,而改性后样品自腐蚀电流密度明显降低,特别是MgZnMn-2.5EGCG的自腐蚀电流密度最低,为0.03μA/cm2。浸泡实验结果显示,MgZnMn在浸泡了 320h后,析出约25 ml/cm2的氢气,明显多于EGCG改性后样品的析氢量。成膜机理和耐蚀行为的研究发现,该转化层中的EGCG-金属络合物成分是其具有耐蚀能力的主要原因,而EGCG转化液的浓度直接影响转化层中的EGCG-金属络合物含量。通过体外生物相容性评价发现,镁合金表面制备浓度较低的EGCG转化层时,由于减缓了基底的腐蚀速率,可以改善裸材表面的内皮细胞生长状态,而转化层中EGCG浓度过高,会产生一定的细胞毒性。EGCG在镁合金表面形成转化层后,仍然保持了其抗炎的功效,对于巨噬细胞炎症因子的释放有一定的抑制作用,皮下植入后,改性后样品的囊壁厚度为70±6μm,MgZnMn 的囊壁厚度为 180±32 μm。(3)二元酚胺交联转化层在生物医用镁合金表面的构建及其在心血管材料中的应用研究。该部分的研究提出一种在酚类转化液中引入PEI,来克服单纯酚类转化层的缺陷的方法。多酚与PEI可由酚羟基氧化后与氨基发生迈克尔加成和席夫碱的反应发生酚胺交联。简而言之,就是将具有最简儿茶酚结构的CA和富含胺基的枝化PEI共同在镁合金表面沉积,制备具有交联网状的酚胺交联转化层。引入支化大分子PEI后,可增强各结构单元之间的结合,从而减少开裂,增强防腐蚀能力。电化学阻抗图谱显示,MgZnMn-CA/PEI在所有转化层样品中Rct值最大(13.9 kΩ/cm2),MgZnMn-CA为5.35 kΩ/cm2,MgZnMn-PEI为3.77 kΩ/cm2。更重要的是,该酚胺交联转化层可以在表面提供更多的氨基、酚羟基和醌基,这些官能团可以将多种生物分子固定在镁合金表面,使得镁植入物获得抗凝、抗炎、促内皮等多种生物学功能,约70 μg/cm2的肝素固定在MgZnMn-CA/PEI表面。在接枝肝素后,进行了相关的生物相容性评价,该转化层表现出良好的抗凝血、血管内减缓镁基底腐蚀和抑制增生形成的功能。(4)基于层层自组装模型的二元交替生长的生物医用镁合金转化层的研究。利用层层自组装的模型,本章在MgZnMn合金表面,通过酚胺层层交替沉积的方式制备EGCG/PEI的转化层。该方法将EGCG和金属的络合,EGCG和PEI的交联等反应集中到样品表面,可避免溶液中大量无效沉积的发生。该方法可以明显改善涂层的结合力,提高耐蚀能力且具有很强的可控性,可以通过控制酚胺交替沉积的次数,调控其耐蚀能力和对内皮、平滑肌、成骨和巨噬细胞的生长影响,随沉积次数从MgZnMn-1L增加至MgZnMn-7L,转化层膜厚增加,耐蚀行为增强,而MgZnMn-9L由于结合力下降导致耐蚀能力减弱。皮下植入后,改性后样品相比较于裸材的重量损失降低了约60%。并且,改性后样品具有抗炎作用,可抑制植入物周围纤维囊的增厚,相比于裸材周围的纤维囊厚度减薄约100 μm左右。EGCG/PEI转化层可实现在生物医用镁合金表面构建多功能改性平台。综上所述,本文选择茶多酚组分,借助茶多酚与金属离子的络合作用,在镁合金表面构建多酚转化层,对沉积工艺进行了合理优化,分别在镁合金表面制备了 EGCG转化层和CA/PEI酚胺交联转化层两种有机转化层,并对其进行了理化性质、耐蚀行为以及体外与体内生物相容性评价。在此基础上,提出了通过层层交替沉积的方法进行镁合金表面EGCG/PEI酚胺交联转化层的构建,并通过理化性质、体外耐蚀行为和细胞相容性对其进行了初步评价,结果显示EGCG/PEI转化层具有生物医用镁合金表面构建多功能改性平台构建的潜力。本文为将茶多酚类物质用于生物医用镁合金的表面改性提供了重要的数据支持,也为生物医用镁合金的表面改性提供了新思路。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08;TG174.4
【图文】：
着长期的使用［９１］。有研究显示，茶多酚类物质可以用于形成自发、多功能及不依赖底逡逑物的纳米涂层的前体［９２＿９５］。这些研宄揭示了绿茶儿茶素（ＥＧＣ和ＥＧＣＧ），单宁酸（ＴＡ）逡逑和邻苯三酚（ＰＧ）均具有形成粘附性薄膜的潜力（图１－４），且该类涂层具有吸收紫外逡逑及清除自由基等功能［９６，９７］。茶多酚能够在不同材料的表面成膜主要是由于邻苯二酚结逡逑构的粘附能力和多酚的氧化自聚合。逡逑众所周知，贻贝总是能够牢牢地粘附在岩石、船体、缆绳等固体表面，形成抗水逡逑
耐受风浪冲刷。近年研究揭示了其中的奥秘，发现贻贝足丝中的左旋多巴正逡逑是其能够黏附在不同材料表面的原因，而左旋多巴分子的关键结构，即邻苯二酚，其逡逑中的酚羟基会和岩石、船壳等固体物质的表面结合在一起，如图１－５，。由于氢键和与逡逑金属配位的稳定二齿模式，邻苯二酚结构对多种金属及金属氧化物表面有很强的结合逡逑能力［９８］。目前己有大量关于儿茶酚类化合物在金属表面的配位化学研究工作［９９＿１（）２］。邻逡逑苯二酚结构与金属表面的结合受到ｐＨ值的影响，随着ｐＨ值的增加，一方面会加剧酚逡逑羟基的氧化，导致粘附能力下降；而另一方面又会增强酚羟基与金属的配位能力，使逡逑得酚类物质与基底的结合力增加。在两种竞争效应的共同作用下，显示在ｐＨ为７．５逡逑左右的情况下，粉类物质可以在金属表面产生较高的结合力［１（）３］。逡逑Ａ逦ＰＰＳ邋ＳＳ邋ＰＣ邋Ｎｙｌｏｎ邋ＰＤＭＳ邋ＰＴＦＥ邋ＰＥＥＫ邋ＰＳ邋Ａｕ邋Ｓｉ０２逡逑Ｂａｒｅ逡逑—逦－邋１逡逑＋邋Ａｇ＋逦Ｈｊ逦ｉ邋，逦ｈｈ逡逑「ｐｉｄｉａｌｃ＇．ｌ」，卜：丨邋＿丨＿丨逡逑Ｂ逦？逡逑１００％逦逦？…？^悖浚俊浚垮危玻靛义希珏危垮危垮澹垮义希掊澹福埃ュ澹巍鲥危咤澹玻板义希
本文编号：2794191
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.08;TG174.4
【图文】：
着长期的使用［９１］。有研究显示，茶多酚类物质可以用于形成自发、多功能及不依赖底逡逑物的纳米涂层的前体［９２＿９５］。这些研宄揭示了绿茶儿茶素（ＥＧＣ和ＥＧＣＧ），单宁酸（ＴＡ）逡逑和邻苯三酚（ＰＧ）均具有形成粘附性薄膜的潜力（图１－４），且该类涂层具有吸收紫外逡逑及清除自由基等功能［９６，９７］。茶多酚能够在不同材料的表面成膜主要是由于邻苯二酚结逡逑构的粘附能力和多酚的氧化自聚合。逡逑众所周知，贻贝总是能够牢牢地粘附在岩石、船体、缆绳等固体表面，形成抗水逡逑
耐受风浪冲刷。近年研究揭示了其中的奥秘，发现贻贝足丝中的左旋多巴正逡逑是其能够黏附在不同材料表面的原因，而左旋多巴分子的关键结构，即邻苯二酚，其逡逑中的酚羟基会和岩石、船壳等固体物质的表面结合在一起，如图１－５，。由于氢键和与逡逑金属配位的稳定二齿模式，邻苯二酚结构对多种金属及金属氧化物表面有很强的结合逡逑能力［９８］。目前己有大量关于儿茶酚类化合物在金属表面的配位化学研究工作［９９＿１（）２］。邻逡逑苯二酚结构与金属表面的结合受到ｐＨ值的影响，随着ｐＨ值的增加，一方面会加剧酚逡逑羟基的氧化，导致粘附能力下降；而另一方面又会增强酚羟基与金属的配位能力，使逡逑得酚类物质与基底的结合力增加。在两种竞争效应的共同作用下，显示在ｐＨ为７．５逡逑左右的情况下，粉类物质可以在金属表面产生较高的结合力［１（）３］。逡逑Ａ逦ＰＰＳ邋ＳＳ邋ＰＣ邋Ｎｙｌｏｎ邋ＰＤＭＳ邋ＰＴＦＥ邋ＰＥＥＫ邋ＰＳ邋Ａｕ邋Ｓｉ０２逡逑Ｂａｒｅ逡逑—逦－邋１逡逑＋邋Ａｇ＋逦Ｈｊ逦ｉ邋，逦ｈｈ逡逑「ｐｉｄｉａｌｃ＇．ｌ」，卜：丨邋＿丨＿丨逡逑Ｂ逦？逡逑１００％逦逦？…？^悖浚俊浚垮危玻靛义希珏危垮危垮澹垮义希掊澹福埃ュ澹巍鲥危咤澹玻板义希
本文编号：2794191
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