一种导电基底表面功能化改性的方法
【专利摘要】本发明公开了一种导电基底表面功能化改性的方法，包括以下步骤：(1)采用三电极工作体系在导电基底表面修饰儿茶酚胺聚合物涂层，其中，铂电极作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，导电基底为工作电极；电解液为含有10-5～1g/mL儿茶酚胺的磷酸盐缓冲液，或者含有10-5～1g/mL儿茶酚胺的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液；(2)将步骤(1)得到的修饰有儿茶酚胺聚合物涂层的导电基底置于功能分子的溶液中反应，得到表面功能化的导电基底，所述功能分子为硝酸银、带有氨基或巯基的聚合物、多肽或蛋白。本发明能够实现对导电基底表面物理化学性质的调控，具有简便、高效、环境友好，易于工业化应用等优点。
【专利说明】一种导电基底表面功能化改性的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及固体材料表面改性领域，具体涉及一种导电基底表面功能化改性的方 法。
【背景技术】
[0002] 因金属材料具有良好的机械性能、抗疲劳性能以及优异的抗腐蚀性，且便于加工， 其被广泛用于人工关节、人工骨骼、血管支架等医疗器械。然而，由于生物惰性的金属材料 表面缺乏人体细胞能够识别的功能基元，与人体组织的相容性较差，最终常常导致各种临 床不良事件的发生。
[0003] 金属材料的表面物理化学性质对于其功能的正常发挥具有至关重要的作用。当前 金属材料表面改性的方法主要有等离子体法、溶胶-凝胶法、层层自组装、表面硅烷化后 固定功能分子等方法。这些方法虽然能够在一定程度上实现对金属材料表面理化性质的调 控，但同时也存在很大的局限性，例如，需要特殊的昂贵设备，操作步骤复杂、耗时，稳定性 较差，受到金属种类及形状的限制或者需使用有毒有害的试剂等。
[0004] 受自然界贻贝粘附机制的启发，近来有研究表明多巴胺分子在碱性条件下会发生 氧化自聚合，能够在各种固体基底表面形成一个结合牢固的聚多巴胺涂层。由于反应条件 温和、操作步骤简单，该方法作为一种新型的表面功能化改性手段引起了广泛关注。
[0005] 但是，该方法也存在着许多难以克服的缺点。首先，碱性条件导致该方法不适用于 易发生碱性腐蚀材料的表面改性；其次，聚多巴胺在基底表面的沉积速率较慢；再次，多巴 胺在碱性条件下的氧化自聚合不仅会在基底表面形成聚多巴胺涂层，而且在溶液中也会形 成大量聚多巴胺颗粒。这些聚多巴胺颗粒的形成不仅极大地降低了多巴胺分子的有效利用 率，而且吸附于聚多巴胺涂层表面后会导致涂层表面粗糙度的增加。这些缺点严重阻碍了 聚多巴胺表面修饰技术的应用。
[0006] 因此，针对当前技术存在的不足，确有必要寻求一种快捷、高效且具有良好适用性 的材料表面功能化改性的方法。
【发明内容】
[0007] 本发明提供了一种导电基底表面功能化改性的方法，通过在导电基底表面进行儿 茶酚胺的电化学氧化聚合以及功能分子的固定，实现对导电基底表面物理化学性质的调 控，具有简便、高效、环境友好，易于工业化应用等优点。
[0008] -种导电基底表面功能化改性的方法，包括以下步骤：
[0009] (1)采用三电极工作体系在导电基底表面修饰儿茶酚胺聚合物涂层，其中，钼电极 (钼片电极或钼丝电极）作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，导电基底为工作电极；
[0010] 电解液为含有ΚΓ5?lg/rnL儿茶酚胺的磷酸盐缓冲液，或者含有ΚΓ 5?lg/mL儿 茶酚胺的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液。
[0011] 电化学氧化聚合是制备聚合物薄膜的一种有效方法，多巴胺等儿茶酚胺类化合物 具有很强的电化学活性，以待修饰的导电基底作为工作电极，通过儿茶酚胺的电化学氧化 聚合可以在基底表面快速并且可控地沉积一个具有潜在反应性的聚合物涂层。利用该聚合 物涂层的化学反应活性，可以将各种功能分子引入导电基底材料表面，从而实现对于基底 表面物理化学性质的调控。
[0012] 儿茶酚胺是一类含有邻苯二酚基本结构单元的胺类化合物，包括多巴、多巴胺、去 甲肾上腺素和肾上腺素以及它们的衍生物，该类物质具有很强的电化学活性，儿茶酚胺经 过电化学聚合得到的儿茶酚胺聚合物涂层中富含醌基、酚羟基等活性基团，并具有一定的 还原性，能够通过化学反应将各种功能分子引入到导电基底的表面。
[0013] 步骤（1)中，儿茶酚胺通过三电极体系条件下的恒电位法或循环伏安法在导电基 底的表面进行电化学氧化聚合反应，电化学氧化聚合反应在室温、氮气气氛保护的条件下 进行。
[0014] 作为优选，儿茶酚胺的电化学氧化聚合采用循环伏安法进行。较之恒电位法，循环 伏安法所制得的儿茶酚胺聚合物涂层与导电基底粘附更为牢固，并且可以有效避免所生成 的儿茶酚胺聚合物被过度氧化。为了便于电化学氧化聚合反应的发生，在进行修饰前，将导 电基底清洗干净。
[0015] 为了增加电解质溶液的导电性，作为优选，所述三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液 中含有支持电解质。
[0016] 磷酸盐缓冲液以及三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液主要用于维持pH值，对于其 离子强度没有特殊要求。
[0017] 作为优选，所述儿茶酚胺为多巴、多巴衍生物、多巴胺、多巴胺衍生物、去甲肾上腺 素或去甲肾上腺素衍生物中的一种。这些儿茶酚胺能够在导电基底表面通过电化学氧化聚 合反应形成牢固的，且具有潜在化学反应性的儿茶酚胺聚合物涂层。
[0018] 作为工作电极的导电基底，其种类和形状没有特殊要求，可以为各种能够导电或 表面能够导电的芯片或医疗器械等。
[0019] 儿茶酚胺的含量过少，则儿茶酚胺进行电化学氧化聚合的速度较慢，儿茶酚胺聚 合物涂层的形成速度较慢；加入量过多，会增加生产成本，作为优选，电解液中儿茶酚胺的 含量为ΚΓ3?500mg/mL，进一步优选，电解液中儿茶酚胺的含量为10_ 3?500mg/mL。
[0020] 作为优选，所述电解液的pH值为6?11。进一步优选，所述电解液的pH值为6. 5? 7. 5。
[0021] pH过低，则儿茶酚胺的电化学氧化聚合反应难以进行；pH过高，会导致某些金属 材料发生碱性腐蚀。
[0022] 本发明中对儿茶酚胺的电化学聚合反应时间并无特殊限定，但聚合时间过短，形 成的儿茶酚胺聚合物涂层难以在整个导电基底表面实现完整、均匀的覆盖；聚合时间过长， 会增加能耗、提高生产成本。通过控制电化学聚合反应的时间，可以对儿茶酚胺聚合物涂层 的厚度进行精确地调控，以满足其具体的使用要求。
[0023] 作为优选，所述工作电极相对饱和甘萊电极的电位为-1?IV，在导电基底表面修 饰得到儿茶酚胺聚合物涂层的时间为1?300分钟。即在导电基底表面进行1?300分钟 的儿茶酚胺电化学氧化聚合反应得到儿茶酚胺聚合物涂层。
[0024] 通常情况下，所述儿茶酚胺聚合物涂层的厚度为1?200nm。优选地，所述儿茶酚 胺聚合物涂层的厚度为1?l〇〇nm。
[0025] 进一步优选，在导电基底表面修饰得到儿茶酚胺聚合物涂层的时间为120?180 分钟。
[0026] (2)将步骤（1)得到的修饰有儿茶酚胺聚合物涂层的导电基底置于功能分子的溶 液中反应，得到表面功能化的导电基底，所述功能分子为硝酸银、带有氨基或巯基的聚合物 (例如末端至少带一个巯基的PEG2000,巯基与儿茶酚胺聚合物涂层中的活性基团进行反 应）、多肽或蛋白。
[0027] 儿茶酚胺聚合物涂层与功能分子反应后，经去离子水清洗、氮气吹干后处理步骤， 得到表面功能化的导电基底。
[0028] 所述的功能分子均来源广泛、易得，并且能够与儿茶酚胺聚合物涂层发生化学反 应、实现表面固定，从而赋予导电基底表面各种不同的物理化学性质。
[0029] 依据功能分子种类的不同，采用相应的溶剂进行溶解，功能分子的溶液浓度无特 殊限定，但浓度过低，会大大降低表面功能化的效果，浓度过高则会增加成本，因此，作为优 选，所述功能分子的溶液浓度为1〇_ 5?lg/mL。进一步优选，所述功能分子的溶液浓度为 0· 5 ?200g/mL。
[0030] 步骤（2)的反应时间无特殊限定，但反应时间过短，儿茶酚胺聚合物涂层与功能 分子的反应可能不充分，影响导电基底表面的均匀改性；反应时间过长，则会增加时间成 本。
[0031] 作为优选，步骤（2)的反应时间为1?48h。进一步优选，步骤（2)的反应时间为 12 ?24h。
[0032] 步骤（2)的反应温度无特殊限定，但反应温度过低，儿茶酚胺聚合物涂层与功能 分子之间反应缓慢；反应温度过高，则会增加能耗、提高成本。
[0033] 作为优选，反应温度为4?60°C。进一步优选，反应温度为25?37°C。
[0034] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0035] 本发明采用儿茶酚胺的电化学氧化聚合反应实现对导电基底的表面改性，反应条 件温和、操作简便、所用的原料及试剂均无毒无害、绿色环保，对于导电基底的类型及形状 均无特殊要求，尤其适用于对复杂形状导电基底的表面功能化修饰。
[0036] 本发明采用的儿茶酚胺电化学氧化聚合在中性条件下即可实现，与经典的碱性条 件下多巴胺的氧化自聚合方法相比，具有更快的聚合物涂层形成速率，因而可以显著缩短 聚合时间，同时，中性的反应条件还能够有效避免经典方法中存在的材料碱性腐蚀问题。
[0037] 经典的碱性条件下多巴胺氧化自聚合方法不仅会在导电基底表面形成聚多巴胺 涂层，而且在溶液中也会形成大量的聚多巴胺颗粒，这些聚多巴胺颗粒的形成不仅极大地 降低了多巴胺分子的利用效率，而且还容易吸附在聚多巴胺涂层表面，导致涂层粗糙度的 增加。本发明中通过中性儿茶酚胺溶液在惰性气体气氛条件下的电化学氧化聚合，使得儿 茶酚胺的聚合反应主要发生在待修饰的导电基底表面，能够有效避免溶液中聚合物颗粒的 形成，故可以显著提高溶液中自由儿茶酚胺分子的利用效率。
[0038] 本发明中通过儿茶酚胺的电化学聚合得到的儿茶酚胺聚合物涂层具有良好的化 学反应活性，能够通过进一步的化学反应将各种功能分子引入到材料表面以实现不同的功 能。
【专利附图】
【附图说明】
[0039] 图1为实施例1中聚多巴胺（ePDA)修饰前后镀金硅片（Au)的X射线光电子能谱 图；
[0040] 图2为实施例1中电化学氧化聚合方法与经典多巴胺氧化自聚合方法制备的聚多 巴胺涂层的厚度增长动力学曲线图；
[0041] 图3为实施例2中金属裸支架（stent)、聚多巴胺修饰支架（stent-ePDA)和固定 了内皮细胞生长因子的电聚多巴胺修饰支架（stentt-ePDA-VEGF)表面上人脐静脉内皮细 胞培养6天后的细胞骨架染色荧光图片。
【具体实施方式】
[0042] 实施例1
[0043] (1)将清洗干净的镀金硅片作为工作电极置于含有lmg/mL多巴胺的三羟甲基氨 基甲烷盐酸盐缓冲液中（含25mMTris、140mMNaCl和3mMKCl，pH = 7. 4)。
[0044] 电化学聚合反应在CHI660D型电化学工作站上进行，采用三电极系统，其中，参比 电极为232型饱和甘汞电极，对电极为钼片电极。在室温、氮气保护条件下采用循环伏安法 进行多巴胺的电化学氧化聚合，选择电位扫描区间为 -0. 5?0. 5V，扫速为20mV/s，聚合3 小时后取出镀金硅片用去离子水冲洗，氮气吹干后备用。
[0045] (2)将聚多巴胺修饰的镀金硅片置于170mg/mL的硝酸银溶液中于室温下反应2小 时，经去离子水冲洗以及氮气吹干，即可得到表面负载有纳米银颗粒的镀金硅片。该表面对 于大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等常见细菌具有优异的杀灭效果。
[0046] 观察图1可发现，多巴胺电化学聚合修饰前后镀金硅片表面的元素含量变化表明 多巴胺确实在镀金硅片表面发生了电沉积。
[0047] 观察图2可发现，与经典的碱性溶液中多巴胺自聚合方法相比，多巴胺的电化学 聚合方法制备的聚多巴胺涂层厚度增加速度明显更快。
[0048] 实施例2
[0049] (1)将316L不锈钢心血管支架作为工作电极置于含有lmg/mL多巴胺的三羟甲基 氨基甲烷盐酸盐缓冲液中（含25mM Tris、140mM NaCl和3mM KC1，pH = 7. 4)。
[0050] 电化学聚合在CHI660D型电化学工作站上进行，采用三电极系统，其中，参比电极 为232型饱和甘汞电极，对电极为钼片电极。在室温、氮气保护条件下采用循环伏安法进行 多巴胺的电化学氧化聚合，选择电位扫描区间为 -0. 5?0. 5V，扫速为20mV/s，聚合3小时 后取出心血管支架用去离子水冲洗，氮气吹干后备用。
[0051] (2)将聚多巴胺修饰的心血管支架置于含有500ng/mL的血管内皮细胞生长因子 (VEGF)的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液（10mM，pH = 8. 5)中，于37°C下反应12小时，取 出用PBS(磷酸缓冲液，pH = 7. 410mM)清洗后自然晾干，即得到了固定有VEGF的功能化表 面。
[0052] 观察图3可知，与未修饰的316L不锈钢心血管支架（stent)相比，聚多巴修饰后 的心血管支架（stent-ePDA)能够有效促进人脐静脉内皮细胞的生长；VEGF功能化后的支 架（stent-ePDA-VEGF)可以进一步显著促进人脐静脉内皮细胞的生长。
[0053] 该功能化修饰的支架具有优异的内皮细胞相容性，有利于心血管支架置入人体后 的快速内皮化，能够显著抑制支架内再狭窄的发生。
[0054] 实施例3
[0055] (1)将ΙΤ0导电玻璃作为工作电极置于含有2mg/mL去甲肾上腺素的磷酸盐缓冲液 (含 137mM NaCl、2. 7mM KC1、10mM Na2HP04 和 2mM KH2P04, pH = 7. 4)。
[0056] 电化学聚合在CHI660D型电化学工作站上进行，采用三电极系统，其中，参比电极 为232型饱和甘汞电极，对电极为钼片电极。在室温、氮气保护条件下采用循环伏安法进行 去甲肾上腺素的电化学氧化聚合，选择电位扫描区间为-0.3?0.8V，扫速为10mV/ S。聚 合3小时后取出IT0导电玻璃用去离子水冲洗，氮气吹干后备用。
[0057] ⑵将聚去甲肾上腺素修饰的IT0导电玻璃置于含有50mg/mL末端为巯基的 PEG2000的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液（10mM，pH = 8. 5)中，室温反应12小时。去离 子水清洗后氮气吹干，即得到了固定有PEG2000的功能化表面。
[0058] 该表面能够有效阻抗非特异性生物分子的粘附，具有良好的抗生物污染性能，可 用于船舶等设备的抗污表面改性。
【权利要求】
1. 一种导电基底表面功能化改性的方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 采用三电极工作体系在导电基底表面修饰儿茶酚胺聚合物涂层，其中，钼电极作为 对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，导电基底为工作电极； 电解液为含有1(Γ5?lg/mL儿茶酚胺的磷酸盐缓冲液，或者含有ΚΓ5?lg/mL儿茶酚 胺的三羟甲基氨基甲烷盐酸盐缓冲液； (2) 将步骤（1)得到的修饰有儿茶酚胺聚合物涂层的导电基底置于功能分子的溶液中 反应，得到表面功能化的导电基底，所述功能分子为硝酸银、带有氨基或巯基的聚合物、多 肽或蛋白。
2. 如权利要求1所述的导电基底表面功能化改性的方法，其特征在于，所述儿茶酚胺 为多巴、多巴衍生物、多巴胺、多巴胺衍生物、去甲肾上腺素或去甲肾上腺素衍生物中的一 种。
3. 如权利要求1所述的导电基底表面功能化改性的方法，其特征在于，所述工作电极 相对饱和甘汞电极的电位为-1?IV。
4. 如权利要求1所述的导电基底表面功能化改性的方法，其特征在于，在导电基底表 面修饰得到儿茶酚胺聚合物涂层的时间为1?300分钟。
5. 如权利要求1所述的导电基底表面功能化改性的方法，其特征在于，所述儿茶酚胺 聚合物涂层的厚度为1?200nm。
6. 如权利要求1所述的导电基底表面功能化改性的方法，其特征在于，步骤（2)的反应 时间为1?48h。
7. 如权利要求1所述的导电基底表面功能化改性的方法，其特征在于，步骤（2)的反应 温度为4?60°C。
8. 如权利要求1所述的导电基底表面功能化改性的方法，其特征在于，所述电解液的 pH值为6?11。
9. 如权利要求1所述的导电基底表面功能化改性的方法，其特征在于，所述三羟甲基 氨基甲烷盐酸盐缓冲液中含有支持电解质。
【文档编号】C25D9/02GK104060311SQ201410267358
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】计剑, 任科峰, 王金磊, 李伯超 申请人:浙江大学