适用于多种医用合金表面改性的植酸/硅烷杂化涂层及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一类适用于多种医用合金表面改性的植酸/硅烷杂化涂层及制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002]随着近年来生活和科学技术水平的提高，人类对硬组织替代和骨修复等生物医用材料的要求也越来越高。传统的金属植入材料如不锈钢和钛合金等材料，虽然能够满足目前临床应用的需求，却是生物惰性材料，在骨损伤部位修复的过程中可能会产生血栓等病症。新型可降解植入材料如镁合金，虽然具有很好的力学相容性、生物活性和生物相容性，但是在植入损伤部位后降解速度过快造成一系列不良反应。尽管世界各国的科学家采取很多手段通过表面改性控制镁合金的降解速度，目前为止仍然没有取得实质性的进展。因此，开发一类具有可控降解性、优良生物活性和生物相容性的，适用于医用植入合金表面改性的涂层是亟待解决的问题，这类涂层既能拓展传统金属植入材料在临床的应用，又能推动新型可降解植入材料和器件的研发。
[0003]植酸(phytic acid)，又名肌醇六磷酸酯或环己六醇磷酸酯，主要存在于米糠和谷物当中。植酸是一种少见的优良金属多齿螯合剂，分子中含有能与金属离子配位的24个氧原子、12个羟基和6个磷酸基。当植酸与镁、铝、钙、锌、铜、铁、钴、镍等离子接触时，能在极短时间内与其螯合，并能形成多个螯合环，螯合的产物稳定性极佳，即使在强酸性条件下也能稳定存在。植酸的毒性极低，在人体环境中具有抗氧化功能、抗肿瘤活性和防治心脑血管疾病等作用。此外，植酸在人体内的水解产物是磷脂和肌醇，均为人体内可利用或吸收的物质。北京大学叶成红等人(Applied Surface Science, 2012，258，3420-3427)和西南交通大学万国江等人(ACS Appl.Mater.1nterfaces, 2014, 6, 19531-19543)已经证明医用合金材料表面修饰的植酸转化涂层具有优异的生物活性和生物相容性。然而，单一植酸转化涂层改性的合金材料在模拟浸泡实验中只能为合金基体提供短期的有效保护，不能够满足临床使用的需要。因此，科研工作者们尝试利用植酸转化涂层制备复合涂层提高合金的耐蚀性，并在此方面取得了一定的效果。中国专利CN 101461964B利用多步法制备了中间植酸转化涂层和外层生物活性陶瓷层包覆的医用可降解镁合金。这类双层涂层包覆的镁合金植入体内后溶血率仅为3%，然而该方法没有考虑复合涂层间的结合强度。CN 102671241B也成功在镁合金表面制备了植酸微弧阳极氧化膜及聚乳酸涂层，这类复合涂层具有一定的耐磨、耐蚀和生物活性，但是聚乳酸在体内降解后显酸性，不利于损伤部位的愈合。
[0004]硅烷偶联剂(Silane coupling agents,简称“SCA”或者硅烷)，因具有无毒性、无污染、适应性广、成本低、对有机涂层有优异结合性等特点，多被选为金属表面改性剂。美国专利PCT/US95/02580已经证明在合金的预处理液中加入少于0.1% (体积)的硅烷，就能使合金的耐蚀性得到很大提高，此外，还可以在预处理后的金属表面制备结合性好、厚度大的无机硅酸盐涂层。爱尔兰专利PCT/IE2008/000114制备了一类包含经水解的有机硅烷、有机金属前体和缓蚀剂的溶胶-凝胶涂层组合物，这类涂层能将AA2024-T3合金的自腐蚀电流密度降低至少一个数量级。澳大利亚卧龙岗大学的Liu等人(ActaB1materialia, 2013, 9，8671-8677)已经证实含有硅烷偶联剂的涂层能将镁合金的阻抗提高一个数量级，这类涂层同时具有一定的生物活性和生物相容性。中国专利CN 103751841A利用硅烷偶联剂作为其中一种组分制备了一种改性钛合金生物活性的涂层，该涂层的抑菌性高达90%以上。然而，专利中还引入了其他人体内不存在的金属离子且没有提及涂层与合金基体的结合性。中国专利CN 104189963A在镁合金上制备了一种硅烷偶联剂/聚合物复合涂层，该涂层具有普适性，能将镁合金的自腐蚀电流密度降低到0.14 μ A.cm2,同时将内皮细胞ECV304DE存活率提高约50%，然而没有考虑聚合物在体内的降解产物对人体的影响。由此可见，硅烷偶联剂确实在提高工业合金耐蚀性方面具有极大的应用前景，并且也能用于制备生物涂层。
[0005]从现有国内外研究进展和公开的相关专利报道可知，采用单一的植酸转化涂层或者硅烷偶联剂制备的涂层不能同时满足提高合金的耐蚀性和改善生物活性、生物相容性的要求。制备复合涂层虽然可以提高合金的耐蚀性，但是没有考虑涂层与合金的结合性以及使用过程中可能出现的失效形式。此外，采用常见的聚合物涂层作为外涂层其降解后的产物可能对植入部位产生附加伤害，此类涂层改性的合金也难以满足临床要求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于制备一类广泛适用于医用合金表面改性的植酸/硅烷杂化涂层。这种杂化涂层是采用一步法在合金表面制备的，杂化涂层与合金基体的结合强度高，能为合金基体提供长期的保护。首先，采用常见的碱处理工艺改性医用合金基体。其次，利用植酸、硅烷偶联剂制备杂化涂层前驱体溶胶。随后，通过液相反应法在预先碱处理后的合金材料表面原位生长一层致密、无缺陷的植酸/硅烷杂化涂层。最后对杂化涂层包覆的合金进行中低温处理，提高杂化涂层间的网络结构，实现涂层与合金基体间的强结合。
[0007]本发明中涉及适用于多种医用植入合金表面改性的植酸/硅烷杂化涂层，其组成为植酸镁、植酸铝或植酸钛等以及硅烷。所述杂化涂层的特殊结构包括，在基体表面原位生长的植酸螯合物具有椅型构象的六碳环有机结构，掺杂的硅烷成分引入-S1-O-S1-无机网络骨架，此外，植酸分子的-P-OH-会与硅烷水解后生成的-S1-OH-反应生成-P-O-S1-键，使涂层同时具备有机/无机杂化结构。该涂层能将合金的阻抗值提高2?25倍，涂层与合金基体间的结合强度可达5?25MPa。在模拟浸泡实验中，杂化涂层包覆的合金材料产生自愈合性能，浸泡试样的阻抗值为浸泡前的1.2?2.5倍。此外，杂化涂层均匀、致密，具有良好的生物活性。
[0008]本发明中涉及的一类广泛适用于医用合金表面改性的植酸/硅烷杂化涂层的制备方法，步骤如下:
[0009]I)植酸/硅烷杂化溶胶的制备:
[0010]植酸/硅烷杂化溶胶的配制方法为:将植酸溶于任意比例的离子水和无水乙醇混合溶液中，加入三乙胺调节溶液的酸碱度3?10之间，加入硅烷偶联剂；水解后制备成杂化溶胶，静置形成植酸/硅烷杂化涂层的前驱体溶胶；
[0011]2)植酸/硅烷杂化涂层包覆医用合金的制备:
[0012]将医用合金放入植酸/硅烷杂化溶胶中，在水浴锅中反应后取出置于40°C恒温干燥箱中干燥；将干燥的样品在60°C?140°C的温度下固化0.5h?6h自动降至室温，得到植酸/硅烷杂化涂层包覆的医用合金。
[0013]所述的医用合金进行碱处理:配制成浓度为IM?1M的浓碱液；将打磨好的合金试样放入氢氧化钠溶液中，在60°C?100°C的恒温水浴锅中反应0.5h?3h ;样品取出后放入去离子水中清洗。
[0014]所述的步骤I)中水解时间优选为0.25h?18h。
[0015]所述的步骤2)中水浴锅中15°C?95°C条件下反应0.5h?6h。
[0016]所述的步骤2)中干燥箱中优选为干燥时间24h。
[0017]所述的步骤I)去离子水和无水乙醇的体积比优选为9:1?1:9。
[0018]所述的步骤I)的娃烧偶联剂包括具有氣基功能团的娃烧如3_氣基丙基二甲氧基硅烷、N-氨乙基-γ -氨丙基三甲氧基硅烷、二乙烯三胺基丙基三甲氧基硅烷；包括