CN109825835B - 表面具有硅烷/透明质酸钠复合涂层的镁及镁合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种表面具有硅烷/透明质酸钠复合涂层的镁及镁合金的制备方法。该方法是将镁及镁合金在碱性溶液中水热处理，获得带活性羟基的氢氧化镁膜，作为具有保护性作用的基底和提高与硅烷结合力的预处理层；再将硅烷分子通过分子键组装到镁及镁合金上；最后用浸渍法在硅烷化样品表面得到共价键嫁接的EDC/NHS交联改性的透明质酸钠涂层，经干燥后得到复合涂层。本发明所述方法能有效控制镁及镁合金的腐蚀速度，降低腐蚀速率，无有害杂质引入，具有良好的生物相容性和可降解性，缓慢释放的镁离子对眼科疾病治疗也发挥积极作用，保证手术成功率，且产品成本低，降低患者费用，有望成为新的眼科介入性治疗方法，为眼科疾病治疗带来新思路。

Description

表面具有硅烷/透明质酸钠复合涂层的镁及镁合金的制备 方法

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，特别涉及一种表面具有硅烷/透明质酸钠复合涂层的镁及镁合金的制备方法。

背景技术

镁及镁合金作为一种新兴生物医用可降解镁合金，具有重量轻、高生物相容性、无毒等优点，与传统医用金属(钴基合金、不锈钢、钛基合金)材料相比较，最大特点就是在人体类可以完全降解，一方面可以避免二次手术给患者带来的疼痛和经济负担；另一方面在生物体内的降解产物不产生毒副作用，避免了植入物长期存在于体内带来的隐患，降解时缓慢释放的镁离子在眼部可以发挥举足轻重的作用，例如：(1)维持视网膜的生理功能和角膜正常结构和功能，(2)调节细胞内的离子水平，(3)作为钙离子通道阻滞剂，具有改善眼血流、保护视神经的功能，这对眼科疾病（白内障、青光眼、角膜疾病、视神经视网膜病变等）的治疗具有积极作用，因此镁及镁合金在眼科介入性治疗上具有广泛的应用前景，受到了生物医学界的广泛关注。

然而，由于镁及镁合金因其活性较高，在植入体内后会释放大量氢气以及使植入部位pH发生变化，这对植入部位组织是不利的，过高的腐蚀速度成为了其应用的最大阻碍，如何控制镁及镁合金的腐蚀速度成为了目前研究的重点之一。

目前，用来调控镁及镁合金耐腐蚀性的技术主要有三种：提高镁的纯度、设计新型镁合金以及材料表面改性技术。材料表面改性技术在控制镁合金降解速度的同时还能改变材料表面性能，因此，如何改善其生物相容性和生物活性等，是提升材料性能的重要手段和研究热点。

硅烷化表面改性处理是一种能有效防腐且成本低的表面涂层处理方法。硅烷偶联剂在水中发生水解反应生成硅醇基团（Si-OH），并与镁金属材料表面经过水热处理后提供的羟基发生脱水缩合反应生成共价键（Si-O-metal）；同时其余硅醇基团（Si-OH）通过形成硅氧烷键（Si-O-Si）进行自交联，形成有机化学结合的保护层的基板，它同时也能使涂层功能化，例如与其它有机高分子复合。

透明质酸钠是构成皮肤、玻璃体、关节滑液和软骨组织的重要成分，具有很好的粘弹性、亲水性、调节渗透压以及抑制炎症反应，以及抑制成纤维细胞增生和抗疤痕化有明显的效果，已广泛的用于眼科疾病（白内障、青光眼、干眼、角膜炎等）的治疗中，是一种生物相容性非常好的有机高分子植入材料。但是由于透明质酸钠存在稳定性差、对透明质酸酶及自由基敏感、在体内保留时间短、在水体系中缺乏力学强度等缺点，因此有必要对其进行化学改性，以提高其力学强度和抗降解性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种表面具有硅烷/透明质酸钠复合涂层的镁及镁合金的制备方法，该方法通过水热处理得到均匀致密的氢氧化镁膜，作为具有保护性作用的基底和提高与硅烷结合力的预处理层。随后采用硅烷处理极大改善涂层的耐蚀性，该过程操作简单，无有害杂质引入，成本低，最后通过共价键作用在其上复合经过EDC\NHS改性的透明质酸钠涂层，从而获得具有生物相容性以及耐腐蚀的硅烷/透明质酸钠涂层。

实现本发明的技术方案是：

表面具有硅烷/透明质酸钠复合涂层的镁及镁合金的制备方法，有以下步骤：

1）清洗镁及镁合金材料，打磨后再超声清洗；随后放入pH=10～12的NaOH溶液中进行水热处理，水热处理的温度为100～140℃，保温时间为2～6h；

2）将步骤1）所得的镁及镁合金材料在无水乙醇中超声清洗，吹干；随后放入经水解的硅烷乙醇溶液中浸泡30～60s，氮气吹干，得到具有硅烷过渡层的镁及镁合金材料；

3）将步骤2）所述的具有硅烷过渡层的镁及镁合金材料在放入交联后的透明质酸钠溶液中反应2～6h；

4）将步骤3）所得镁及镁合金材料置于-10～-20℃冷冻室中冷冻，再移入-20～-80℃冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到表面具有硅烷/透明质酸钠复合涂层的镁及镁合金。

步骤1）所述超声清洗，在无水乙醇中进行，其超声清洗的时间为10～20min。

所述硅烷乙醇溶液的配置方法：100体积份的硅烷乙醇溶液中的硅烷体积份为3～7份，去离子水体积份为8份，余量为无水乙醇；

水解时间为24～72h。

步骤2）所述硅烷为烷基类硅烷或氨丙基类硅烷或环氧基类硅烷等溶于有机溶剂的无毒性的硅烷偶联剂。

步骤2）所述的硅烷过渡层的固化温度为100～120℃，固化时间为0.5h～1.5h。

步骤3）所述交联透明质酸钠的制备方法是，将透明质酸钠溶解于去离子水中24h后，加入EDC/NHS交联剂，室温下反应4h～6h，用0.01mol/L HCl调节并保持溶液的pH值4-5。

所述透明质酸钠的质量浓度为5～20g/L，交联剂的质量浓度为5g/L。

交联剂EDC：NHS的摩尔比为4:1。

步骤4）所述的冷冻时间为12～48h，冷冻干燥时间为6～36h。

本发明有以下优点：

1.与传统医用金属材料相比较，镁及镁合金具有材料成本低、加工成本低等优点，而且本发明工艺简单、产品生产成本低。

2.本发明有效的控制了镁及镁合金在生物体内的腐蚀速率。申请人的电化学测试结果表明经本发明方法处理的材料的腐蚀电流密度比未采用本发明方法处理的材料减小了两个数量级。

3.本发明适用于各种形状的镁及镁合金材料，经本发明方法都会获得具有耐腐蚀性、生物相容性好的多功能涂层，该涂层很薄，不会影响材料的尺寸。

4.本发明通过在NaOH溶液中水热处理，在镁合金表面获得了带活性羟基的均与致密的氢氧化镁膜，作为具有保护性作用的基底和提高与硅烷结合力的预处理层，不仅提高了基体的耐腐蚀性，还提供了羟基，使得与硅烷水解后的硅醇基团形成共价键紧密结合在一起，而若直接在镁及镁合金表面直接涂敷硅烷，则不能很好的结合。

5.本发明所述的方法中，硅烷化处理是将硅烷分子通过分子键组装到镁及镁合金上，一方面可以极大提高基体的耐腐蚀性，另一方面可以通过共价键作用在其上复合经过EDC/NHS改性的透明质酸钠涂层，其具有良好的生物相容性以及耐腐蚀性能。与传统硅烷化处理不同的是，本发明所述方法处理的镁及镁合金在乙醇硅烷溶液中浸泡后进行氮气吹干，可以有效防止硅烷膜在固化干燥时裂纹的产生，提高涂层的耐蚀性和产品成品率。

6.本发明所述的方法中，透明质酸钠的交联改性可以提高透明质酸钠的力学强度和抗降解性能，极大延长了透明质酸钠在眼部环境中的降解时间，且本发明的交联剂EDC/NHS比例若不是4：1，则交联反应不能完全进行，同时透明质酸钠的交联改性反应时pH值应当控制在4～5，如果 pH值过低,则会破坏透明质酸钠链的完整性和溶解性；如果pH值过高,则会使透明质酸钠与EDC/NHS的反应不完全。

本发明所述EDC/NHS交联改性的透明质酸钠凝胶膜具有结构稳定、力学强度高、透明、细胞相容性好的特点。

本发明所述方法能有效控制镁及镁合金的腐蚀速度，降低腐蚀速率，无有害杂质引入，具有良好的生物相容性和可降解性，缓慢释放的镁离子对眼科疾病治疗也发挥积极作用，保证手术成功率，且产品成本低，降低患者费用，有望成为新的眼科介入性治疗方法，为眼科疾病治疗带来新思路。

本发明所述方法的镁合金可以是Mg,Mg-Ca，Mg-Zn，Mg-Mn，Mg-Li，Mg-Li-Ca，Mg-Zn-Ca，Mg-Mn-Ca等。

本发明方法可以提高镁及镁合金的耐腐蚀性，调控镁的降解速率；而且透明质酸钠涂层可促进伤口愈合、抑制炎症反应、抗疤痕化、调节渗透压，对眼科疾病（青光眼、白内障、干眼、角膜病等）有很好的治疗效果，降解时缓慢释放的镁离子对眼科疾病的治疗也具有积极作用。本发明方法弥补了眼科植入高分子材料（如：羊膜、壳聚糖等）由于填充时间不足导致疤痕二次发生的问题，同时与传统的惰性眼科植入材料相比，本发明所用的可降解的表面功能化改性的镁及其合金，不仅消除二次手术带来的痛苦或长期的排异反应；而且兼具透明质酸钠对眼科疾病的治疗作用，也可以发挥镁及镁合金房水引流和镁离子对眼部积极功能的双重作用；另外，本发明制备方法工艺简单方便，成本低，涂层不含用对人体有害物质，具有良好的生物相容性，在眼科植入手术上具有很大的推广应用价值。

本发明所述的体积为升或毫升。

本发明所述试剂均为市售产品，其中，纯镁采用质量分数99.99%的产品；氢氧化钠、无水乙醇均采用分析纯；1,2-二(三乙氧基硅烷)乙烷（BTSE）、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）均采用纯度为99%的产品；N-羟基丁二酰亚胺(NHS) 采用纯度为98%的产品；透明质酸钠采用纯度为97%的产品。

附图说明

图1为镁及镁合金表面多功能涂层制备过程；

图2为镁材料在模拟体液（SBF）中的极化曲线；

图3为复合涂层的红外光谱（FTIR）；

图4为镁材料在改性前后的细胞毒性实验结果图。

具体实施方式

本实施例的试剂：

纯镁(质量分数99.99%，河南宇航金属材料有限公司)；

氢氧化钠（NaOH，分析纯，重庆川东化工有限公司）；

无水乙醇（CH₃CH₂OH，分析纯，重庆川东化工有限公司）；

1,2-二(三乙氧基硅烷)乙烷（BTSE，纯度99%，萨恩化学技术上海有限公司）；

透明质酸钠（艾览上海化工科技有限公司，纯度97%）；

1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC，纯度99%，艾览上海化工科技有限公司）；

N-羟基丁二酰亚胺(NHS，纯度98%，重庆泽恒生物技术有限公司)。

实施例1

取纯镁金属材料按照本发明方法制备多功能涂层：

A.机械除污和清洗：

砂纸打磨至1200#后对纯镁进行清洗，在室温下，无水乙醇中超声清洗20分钟；

B.水热处理：

经清洗的上述纯镁金属材料放置在120℃，pH=12，充满度为50%的NaOH溶液的反应釜中4h；空冷至室温；

C.清洗：

水热处理后的纯镁金属材料在无水乙醇中超声清洗10分钟，吹干；

D.硅烷化处理：

将步骤C清洗的纯镁金属材料置于所述硅烷乙醇溶液的配置方法：100体积份的硅烷乙醇溶液中的硅烷体积份为7份，去离子水体积份为8份，余量为无水乙醇。水解48h的硅烷乙醇溶液中浸泡30s，取出后氮气吹干，再经120℃时间1h固化干燥处理，随炉冷却至室温即得到具有硅烷涂层的纯镁金属材料；

E.配置交联透明质酸钠溶液：

将质量浓度为10g/L的透明质酸钠溶解于去离子水中24h后，再把质量浓度50g/L的交联剂加入到上述溶液中反应4h，即得到交联后的透明质酸钠溶液；所述交联剂中EDC:NHS的摩尔比为=4:1。

F.把步骤D所得的纯镁金属材料浸泡在37℃的交联透明质酸钠溶液中反应4h，然后放入-20℃冷冻室中冷冻24h后，再放入-80℃冷冻干燥机中冷冻干燥36h，即得到表面具有硅烷/透明质酸钠复合涂层的纯镁金属材料。

图2为本发明实施例1得到的极化曲线。从图中可以知道，相对与未改性的纯镁，复合涂层改性纯镁后，腐蚀电流密度减小了两个数量级，表明了耐腐蚀极大的提高。（注：Mg-OH为水热处理后得到的氢氧化镁，Mg-B为在氢氧化镁表面上制备的硅烷涂层，Mg-B-CHA为硅烷膜上制备的透明质酸钠）

图3为本发明实施例1得到的红外光谱图。从图中可以了解到，在吸收频率为3691cm^-1处为氢氧化镁中的-OH，在Mg-B中的1012cm^-1处为Si-O-Si键，在Mg-B-CHA中的1613cm^-1处为C=O键，表明了复合涂层的成功制备。

图4本发明实施例1得到的细胞毒性实验结果图。从图中可以知道，在培养五天后，未改性纯镁的毒性等级为1级，复合涂层改性的实验的毒性等级为0级，表明纯镁经复合涂层改性后表现出很好的细胞相容性。

实施例2

除将步骤A中的纯镁换成Mg-Ca系合金的ZM61-Ca0.5，其余步骤与实施例1相同，可以得到表面具有硅烷/透明质酸钠复合涂层的镁合金材料。

实施例3

除将步骤B中的120℃换成100℃，4h换成6h，其余步骤与实施例1相同。

实施例4

除将步骤D中的硅烷体积分数由7%变为3%，其余步骤与实施例1相同。

实施例5

除将步骤E中的透明质酸钠的质量浓度由10g/L变为20g/L，其余步骤与实施例1相同。

以上所述实施例仅是为了清楚地说明本发明的几种实施方式，但并不能理解为对本发明专利范围的限制。对本领域的普通技术人员来说，在本发明的基础上，还可以作出一些改进和变动，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种表面具有硅烷/透明质酸钠复合涂层的镁及镁合金的制备方法，其特征在于，有以下步骤：

1）清洗镁及镁合金材料，打磨后再超声清洗；随后放入pH=10～12的NaOH溶液中进行水热处理，水热处理的温度为100～140℃，保温时间为2～6h；

2）将步骤1）所得的镁及镁合金材料在无水乙醇中超声清洗，吹干；随后放入经水解的硅烷乙醇溶液中浸泡30～60s，氮气吹干，得到具有硅烷过渡层的镁及镁合金材料；

3）将步骤2）所述的具有硅烷过渡层的镁及镁合金材料在放入交联后的透明质酸钠溶液中反应2～6h，其中，交联透明质酸钠的制备方法是，将透明质酸钠溶解于去离子水中24h后，加入EDC/NHS交联剂，室温下反应4h，用0.01mol/L HCl调节并保持溶液的pH值4-5；

4）将步骤3）所得镁及镁合金材料置于-20℃冷冻室中冷冻，再移入-20～-80℃冷冻干燥机中进行冷冻干燥，得到表面具有硅烷/透明质酸钠复合涂层的镁及镁合金。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1）所述超声清洗，在无水乙醇中进行，其超声清洗的时间为10～20min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2）所述硅烷乙醇溶液的配置方法：100体积份的硅烷乙醇溶液中的硅烷体积份为3～7份，去离子水体积份为8份，余量为无水乙醇；

水解时间为24～72h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2）所述硅烷为烷基类硅烷或氨丙基类硅烷或环氧基类硅烷溶于有机溶剂。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2）所述的硅烷过渡层的固化温度为100～120℃，固化时间为0.5h～1.5h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3）所述透明质酸钠的质量浓度为5～20g/L，交联剂的质量浓度为5g/L。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3）所述交联剂EDC：NHS的摩尔比比为4:1。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4）所述的冷冻时间为12～48h，冷冻干燥时间为6～36h。

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