一种用于镁合金与丝素蛋白之间连接的方法与流程

本发明属于材料连接技术领域，涉及一种无机材料和有机生物大分子之间的连接方法，尤其涉及一种用于镁合金与丝素蛋白之间的低温连接方法。

背景技术：

镁合金是一种重要的生物医用材料之一，具有良好的生物相容性，而且是人体的常量元素之一。与其它医用金属材料（例如：不锈钢、钴基合金、钛合金等）相比，由于其具有与骨骼相近的弹性模量（~40 GPa）和可在体内无危害降解等特性，能够有效的避免“应力遮挡效应”所造成的新生骨骼强度低以及二次手术给患者带来的经济和精神上的双重负担。但是，由于镁合金在体内的降解速率要大于骨组织的修复速率，致使一直无法对其在生物医用材料领域开展更加广泛的应用。丝素蛋白作为一种蛋白质，在类人体体液的溶液中和植入生物体后，其降解速度十分缓慢。作为生物材料，丝素蛋白较其它天然纤维机械特性好，能与许多高性能的纤维毗美，并且降解产物不仅对组织无毒副作用，而且还对周围组织有营养与修复作用。因此，将丝素蛋白包覆在镁合金的表面用以降低镁合金的降解速率和提供骨组织修复所需的营养是十分可行的方案。但是无机材料与有机生物大分子之间只能直接形成不稳定的物理连接。因此，实现镁合金与丝素蛋白之间的化学连接（又称“键合”）对于延缓镁合金的降解速率和扩大镁合金在生物医用材料领域的应用具有重要的研究意义。

技术实现要素：

针对上述镁合金与丝素蛋白之间的连接问题，本发明提供了一种用于镁合金和丝素蛋白之间低温连接（30~150℃）的方法，以在不改变镁合金力学性能及生物相容性和丝素蛋白活性的情况下，实现二者之间稳定的化学连接的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于镁合金和丝素蛋白之间低温连接的方法，按照以下步骤实现镁合金与丝素蛋白之间的连接：镁合金表面清洗→利用硅烷偶联剂对镁合金表面修饰→丝素蛋白溶液涂覆于镁合金表面→干燥处理，具体实施步骤如下：

一、将表面抛光、清洗后的镁合金浸泡于硅烷偶联剂甲苯溶液中5~15 h。

本步骤中，所述镁合金的抛光方法为机械抛光。

本步骤中，所述镁合金的清洗方法如下：将镁合金置于丙酮溶液中，采用声波降解法清洗3~15min，随后依次用乙醇和去离子水清洗1~10min并干燥。

本步骤中，所述硅烷偶联剂甲苯溶液的体积浓度为2%。

本步骤中，所述镁合金为Mg基生物医用合金。

二、将经过硅烷偶联剂处理过的镁合金浸泡于纯甲苯中，随后将镁合金先后浸泡于乙醇和去离子水溶液中清洗并干燥。

本步骤中，所述硅烷偶联剂的一端具有硅烷基基团，另一端具有羟基或羧基基团，如：3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）、3-氨基丙基－三甲氧基硅烷（APTMS）、甲基三乙氧基硅烷（MTES）等。

本步骤中，所述经过偶联剂处理过的镁合金浸泡于纯甲苯溶液中的时间为30~120min，分三次进行，每次20~40min。

本步骤中，所述经过纯甲苯浸泡过的镁合金浸泡于乙醇和去离子水溶液中的时间为1~3min。

三、向清洗后的镁合金表面倾倒戊二醛溶液，室温放置3~8h，随后去离子水清洗并干燥。

本步骤中，所述戊二醛溶液的体积浓度为1~5%。

四、利用涂覆的方法将丝素蛋白溶液涂覆于经戊二醛处理过的镁合金表面。

本步骤中，所述丝素蛋白溶液的质量浓度为1~10%。

五、对涂覆过丝素蛋白溶液的镁合金进行干燥处理，随后浸泡于甲醇溶液中2~12h，使得水溶性丝素蛋白膜转变为不溶的丝素蛋白膜，完成镁合金与丝素蛋白溶液的连接。

本步骤中，所述干燥处理的温度为30~150℃，时间为30~120min。

本步骤中，所述甲醇溶液的体积浓度为80%。

本发明具有如下优点：

1、本发明以具有双官能团的硅烷偶联剂作为媒介，分别在镁合金表面和丝素蛋白表面形成了—Si—O—和—NH—CO—化学键，实现了无机材料和有机生物大分子彼此之间的化学连接，使其结合更加的稳定。

2、降解后的产物为人体所需的大量元素Mg⁺ 、CO₂、H₂O等，对人体无害。

3、硅烷偶联剂不会对镁合金形成侵蚀，也不会降低丝素蛋白的生物活性，因此对镁合金的力学性能和生物相容性无任何影响，所形成的丝素蛋白包覆镁合金结构能够有效的缓解镁合金在体液或组织液中的降解。

4、连接过程中的温度较低，最高温度不超过150℃，而丝素蛋白链解的温度为200℃，所以不会破坏丝素蛋白原有的物理化学性质。

附图说明

图1为镁合金与硅烷偶联剂形成化学连接原理示意图，图中：1为清洗过的镁合金表面带有的羟基，2为硅烷偶联剂分子，X代表可水解的基团，Y代表有机官能团；3为镁合金被硅烷偶联剂表面后的状态；4为处理过镁合金与丝素蛋白连接过程。

图2为实施例1中镁合金被3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)表面修饰的原理示意图，图中：5为清洗过的镁合金表面附着的羟基，6为APTES分子，7为镁合金被APTES表面修饰后的状态。

图3为实施例1制得的连接样品，图中：8为镁合金，9为丝素蛋白，10为连接界面。

图4为实施例1制得的镁合金与丝素蛋白连接样品表面纳米压痕实验结果，图中：（a）为划痕位移曲线，（b）为划痕表面的扫描电镜照片。

图5为镁合金与丝素蛋白连接样品表面的XPS分析，图中：（a）为镁元素Mg 1s峰，（b）为氧元素O 1s峰，（c）为氮元素N 1s峰，（d）为碳元素C 1s峰。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1：

本实施例提供了一种利用APTES实现镁合金和丝素蛋白之间的低温连接方法，具体实施步骤如下：

（1）抛光：将直径为10 mm、厚度为2 mm的镁合金进行机械抛光。

（2）清洗：将抛光后的镁合金放入体积浓度为70%的丙酮溶液中并进行超声清洗，温度为25℃；随后依次用乙醇和去离子水溶液分别冲洗3 min。

（3）镁合金表面初次修饰：①量取一定体积的APTES溶液并倒入一定体积的甲苯溶液中，配制体积浓度为2%的APTES甲苯溶液；②将上述镁合金放入配置好的APTES甲苯溶液中浸泡10 h，浸泡温度为室温，利用硅烷偶联剂对镁合金表面修饰。镁合金与APTES形成化学连接的原理如图2所示。

（4）镁合金表面清理：将初次修饰过的上述镁合金先于甲苯溶液中浸泡3次（30min/次），以去除表面上未被固定的APTES分子；随后依次用乙醇和去离子水溶液冲洗1 min。

（5）镁合金表面再次修饰：将表面清洗过的上述镁合金放入体积浓度为2%的戊二醛溶液中，进行表面再次修饰。

（6）配制丝素蛋白溶液：将3 g丝素蛋白粉溶于3 mL去离子水溶液中，制得丝素蛋白溶液（呈淡黄色透明液体，无特异性气味）。

（7）将制得的丝素蛋白溶液涂覆在镁合金表面。

（8）干燥：将上述涂覆丝素蛋白溶液的镁合金放入恒温湿热干燥箱中，在温度为40℃的条件下干燥60min。

（9）丝素蛋白转变处理：将制得的样品放入体积浓度为80%的甲醇中浸泡5h。

按照本实施例所述方法制得的连接样品如图2所示，对其表面进行纳米压痕实验，结果如图3所示，由图3实验结果可知，样品具有一定的连接强度。

图4为利用X射线光电子能谱分析仪对Mg合金、APTES处理Mg合金、Mg合金与丝素蛋白连接样品的表面进行涂层的XPS分析，主要针对镁合金的主元素Mg，丝素蛋白的组成元素C、N、O进行分析。从图4的能谱分析结果可以看出，在小于6 μm的涂层内，对于Mg 1s，镁合金表面有最强峰，表面经APTES硅烷化后，Mg峰含量显著减少，在仪器检测的6 μm厚度内证实了APTES对镁合金表面的修饰作用。从其他各峰看出未处理的镁合金表面发生强烈氧化；APTES处理后表面含有大量N元素，印证了APTES对镁合金表面修饰后存在游离氨基的事实。镁合金与丝素蛋白的连接样品表面除Mg元素外，还有大量的C、N、O的存在，这也证实了丝素蛋白的存在。

实施例2：

本实施例提供了一种利用甲基三乙氧基硅烷实现镁合金和丝素蛋白之间的低温连接方法，具体实施步骤如下：

（1）抛光：将直径为10 mm、厚度为2 mm的镁合金进行机械抛光。

（2）清洗：将抛光后的镁合金放入体积浓度为70%的丙酮溶液中并进行超声清洗，温度为25℃；随后依次用乙醇和去离子水溶液分别冲洗3 min。

（2）镁合金表面初次修饰：①量取一定体积的甲基三乙氧基硅烷溶液并倒入一定体积的甲苯溶液中，配制体积浓度为2%的甲基三乙氧基硅烷甲苯溶液；②将上述镁合金放入配置好的甲基三乙氧基硅烷甲苯溶液中浸泡10 h，浸泡温度为室温，利用硅烷偶联剂对镁合金表面修饰。

（3）镁合金表面清理：将初次修饰过的上述镁合金先于甲苯溶液中浸泡3次（30min/次），以去除表面上未被固定的甲基三乙氧基硅烷分子；随后依次用乙醇和去离子水溶液冲洗1 min。

（4）镁合金表面再次修饰：将表面清洗过的上述镁合金放入体积浓度为2%的戊二醛溶液中，进行表面再次修饰。

（5）配制丝素蛋白溶液：将3 g丝素蛋白粉溶于3 mL去离子水溶液中，制得丝素蛋白溶液（呈淡黄色透明液体，无特异性气味）。

（6）将制得的丝素蛋白溶液涂覆在镁合金表面。

（7）干燥：将上述涂覆丝素蛋白溶液的镁合金放入恒温湿热干燥箱中，在温度为40℃的条件下干燥60min。

（8）丝素蛋白转变处理：将制得的样品放入体积浓度为80%的甲醇中浸泡5h。