一种在丝素蛋白包覆下可延缓镁合金降解的复合结构的制作方法

本发明属于生物医用材料技术领域，涉及一种在丝素蛋白包覆下可延缓镁合金降解的复合结构。

背景技术：

生物医用材料是应用于医学上来对生物进行诊断、治疗、修复或替换病损组织、器官或增进其功能的特殊材料。常用的临床生物医用材料主要有陶瓷材料、有机高分子材料、复合材料以及金属材料。其中，医用金属材料相比于其它几种医用材料具有明显的强度高、耐疲劳和易于加工等优势，应用十分广泛。

目前主要的医用金属材料包含不锈钢、钴基合金和钛合金等。然而，临床应用发现上述医用金属材料在力学性能和生物相容性方面依旧存在很大的不足。人骨的弹性模量为10~30 GPa，但不锈钢的为200 GPa左右，钛合金约为100 GPa，正是基于弹性模量的巨大差距，医用金属材料往往在生物体内易于产生“应力遮挡效应”，致使愈合迟缓，新生成的骨骼强度降低，甚至会植入失败。并且材料中含有Al、Ni、Cr、V等金属离子，对人体健康具有潜在的危害。对于短期植入，在人体自身机能恢复之后，材料必须通过再次手术取出，不仅增加了医疗费用负担更给患者带来了巨大的精神和肉体上的痛苦。镁合金作为医用金属材料的一种，具有与骨骼相近的弹性模量（~45 GPa），低密度，高强度，可在体内降解且对人体健康无潜在危害等特点，一直深受致力于生物医用材料领域研究人员的关注。但其化学性质活泼，在生物体内的降解速率大于骨组织的修复速率，致使一直无法开展更加广泛的应用。因此，降低镁合金在生物体内的降解速率对于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：

针对上述镁合金在生物体内降解速率过快的问题，本发明提供了一种在丝素蛋白包覆下可延缓镁合金降解的复合结构，以在不改变镁合金性能和不影响生物体健康的情况下，实现大大减缓镁合金降解速率的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种在丝素蛋白包覆下可延缓镁合金降解的复合结构，从内到外依次为镁合金基体、表面修饰层和丝素蛋白膜。

本发明中，所述镁合金基体为生物医用Mg-Zn-Ca合金，杂质元素为生物体所必需元素，对生物体无副作用且降解产物可被生物体吸收或者排出体外。

本发明中，所述镁合金基体与表面修饰层之间、表面修饰层与丝素蛋白膜之间均为化学键连接，其中：

所述表面修饰层起到连接镁合金基体和丝素蛋白膜的作用，由镁合金基体浸泡在硅烷基有机溶液中制得，其厚度为1~100 μm；

所述丝素蛋白膜由经过硅烷基表面修饰的镁合金基体浸泡在质量浓度为1~10%的丝素蛋白水溶液中经30~150℃干燥30~120min后在甲醇中浸泡2~12h制得，其厚度为1 ~100μm。

上述在丝素蛋白包覆下可延缓镁合金降解的复合结构的各层存在原因及作用关系如下：

丝素蛋白是一种具有降解作用的天然高分子纤维蛋白，生物相容性非常好，其包覆在镁合金表面，一方面能够对镁合金起到保护作用，有效的降低镁合金的降解速率；另一方面支持骨髓间充质干细胞、表皮细胞、成纤维细胞、神经细胞等多种细胞的黏附、生长、发育、增殖、分化。由于无机材料和有机生物大分子之间无法直接形成化学键，相互之间只能形成物理连接，强度很低易于脱落，所以在二者之间引入硅烷偶联剂以使其形成稳定的化学连接。

根据以上理由，本发明提供的在丝素蛋白包覆下可延缓镁合金降解的复合结构具有以下优点：

1、表面修饰层既不会对镁合金造成腐蚀，能使镁合金保持原有的力学性能及生物相容性，也不会影响丝素蛋白的化学活性，能保证其对细胞的承载能力不发生改变。

2、由于丝素蛋白也具有降解的作用，且产物对人体无害，所以该结构植入体内后，在生物体内可完全发生降解，无需取出，不会对患者造成二次伤害。

3、由于丝素蛋白对镁合金的整体包覆，最外层的丝素蛋白先发生分解，待镁合金暴露后，镁合金才发生降解。因此该结构在体液内时，可使镁合金的降解速率大大降低。

4、丝素蛋白能够粘附骨髓间的充质干细胞、表皮细胞等多种干细胞，并能够促进其分裂、分化等基本的生理活动，更加地有利于骨组织的修复。

附图说明

图1为本发明丝素蛋白包覆下的镁合金结构图；

图2为本发明所制备的样品实物图；

图3为本发明镁合金与丝素蛋白连接界面的横截面扫描电镜照片；

图4为本发明包覆镁合金丝素蛋白膜的X射线衍射分析结果；

图5为镁合金样品与和丝素蛋白包覆镁合金的样品在标准模拟体液中降解质量变化曲线；

图6为利用细胞毒性试验来验证丝素蛋白包覆镁合金复合结构生物相容性的结果；

图中：1为丝素蛋白膜，2为表面修饰层，3为镁合金基体。

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。

如图1和2所示，本发明的在丝素蛋白包覆下可延缓镁合金降解的复合结构从内到外依次为镁合金基体3、表面修饰层2和丝素蛋白膜1，其中：

所述镁合金基体3为边长为10 mm、厚度为2 mm镁片，其为生物医用Mg-Zn-Ca合金，元素组成及含量分配为Zn：1~2%，Ca：0.2~1%，Al：3~5%，Mn＜0.5%，其余为Mg和不可避免的杂质元素；

所述表面修饰层2由镁合金浸泡在体积浓度为2%的硅烷基有机溶液中制得；

所述丝素蛋白膜1由经过硅烷基表面修饰的镁合金基体浸泡在质量浓度为3%的天然高分子丝素蛋白水溶液中经40℃干燥1小时后在甲醇中浸泡10小时制得。

图3为本发明的在丝素蛋白包覆下可延缓镁合金降解的复合结构的镁合金与丝素蛋白连接界面的横截面扫描电镜照片，由纵截面的电子扫面图像中可知，镁合金基体的厚度为2 mm，表面修饰层的厚度为约为1 μm，丝素蛋白膜的厚度为8 μm。

图4为包覆镁合金丝素蛋白膜的X射线衍射(XRD)分析，结果表明：天然高分子丝素蛋白由溶液中可溶的α态，在镁合金表面涂覆并经过干燥和甲醇浸泡后部分转变β折叠态，具有不溶性，且具有一定的硬度。

图5为上述镁合金样品与和丝素蛋白包覆镁合金的样品分别浸泡在标准模拟体液(SBF溶液)中，降解质量减少百分数随时间(10~100天)变化的曲线。图中显示，经过100天的浸泡镁合金样品已有较大程度的降解(1.0 wt.%)，而丝素蛋白包覆镁合金的样品仅有极少量的降解(<0.1 wt.%)。对比两条曲线可以看出复合结构可以有效延缓镁合金降解速率。

图6为利用细胞毒性试验来验证丝素蛋白包覆镁合金复合结构生物相容性的结果。图中纵坐标表示光吸收量，光吸收量越大表示组织液中细胞数量越多。对比用1-空白组织液，2-浸泡丝素蛋白包覆镁合金的组织液，3-浸泡镁合金的组织液和4-浸泡丝素蛋白的组织液的培养的细胞的光吸收量可以看出细胞数量随着时间增加而增大，且其余三组实验与空白组织液细胞数量基本持平，这表示丝素蛋白包覆镁合金复合结构对细胞无毒性，具有良好的生物相容性，这说明了在不影响镁合金生物相容性的情况下，既能有效的延缓镁合金降解的时间，又能承载骨髓间的充质干细胞、表皮细胞等多种干细胞，并能够促进其分裂、分化等基本的生理活动。