一种基于表面处理的镁合金与丝素蛋白连接方法与流程

本发明属于生物医用材料技术领域，涉及一种镁合金与丝素蛋白的连接方法，具体涉及一种基于等离子体或短波长光表面处理的镁合金与丝素蛋白之间的低温连接方法。

背景技术

医用镁合金作为可降解医用材料被誉为第三代生物医用材料。这类新型医用金属材料抛弃人们通常将金属植入材料作为生物惰性材料使用的传统思想，而巧妙地利用镁基金属材料（纯镁及镁合金）在人体环境中易发生腐蚀（降解）的特性来实现金属植入物在体内逐渐降解直至最终消失的医学临床目的。镁合金材料作为可降解硬组织植入材料同现已开始临床应用的陶瓷、硫酸钙和聚乳酸相比具有很大的优势：首先镁合金的降解产物生物相容，不会对人体产生明显的负作用，且微量释放的镁离子对组织生长有益；其次作为可降解硬组织植入材料，镁合金力学性能能较好的满足作为骨科植入材料的要求，尤其是其较低的弹性模（大约42gpa）与不锈钢（189~205gpa）、钛合金（105~117gpa）和co-cr(230gpa)合金相比，与人骨更为接近（2~20gpa），可以大大减少应力遮挡效应。但是镁合金存在于应用上的问题主要是降解速率过快，难以实现有效控制。现有不少改性方法如碱热处理、热处理和阳极氧化与微弧氧化与离子注入等方法，但是还不能有效解决降解速度过快的问题。采用aptes（3-氨丙基三乙氧基硅烷）等硅烷偶联剂实现了有机生物大分子材料丝素蛋白与镁合金化学连接，丝素蛋白涂覆层可以有效减缓植入镁合金的降解，但是引入的aptes对生物体具有潜在细胞毒性，且丝素蛋白被覆层与镁合金复合结构放置一段时间后会出现不同程度的开裂，影响对镁合金降解速率的可控性。因此，采用生物无毒性方法实现镁合金与丝素蛋白被覆层的可靠连接对于有效延缓镁合金降解速率、扩大镁合金在生物医用材料领域的应用具有重要研究意义。

技术实现要素：

针对镁合金现有改性方法以及现有与丝素蛋白连接方法出现的问题，本发明提供了一种基于表面处理的镁合金与丝素蛋白连接方法，在不引入生物毒性物质及不改变镁合金性能的情况下，实现丝素蛋白与镁合金的牢固结合，有效减缓镁合金降解速率，在众多镁合金表面改性以及采用硅烷偶联剂连接丝素蛋白与镁合金的方法中具有很大优势。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于表面处理的镁合金与丝素蛋白连接方法，如图1所示，按照以下步骤实现镁合金与丝素蛋白之间的连接：镁合金表面机械抛光→镁合金表面化学抛光及清洗→镁合金表面等离子体或短波长光处理→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：

步骤一：将镁合金表面用砂纸机械抛光处理，然后置于去离子水中清洗；

步骤二：将机械抛光后的镁合金置于硝酸和硫酸的混合液中15~30s进行化学抛光，随后依次用乙醇和去离子水清洗，然后干燥；

步骤三：将经过酸洗后的镁合金用等离子体处理0.5~1.5min或短波长光照射10~20min；

步骤四：将丝素蛋白溶液涂覆至处理过后的镁合金表面，并进行干燥处理；

步骤五：将干燥后的丝素蛋白-镁合金样品浸泡于甲醇溶液中6~12h，使得丝素蛋白水溶性结构向不溶于水的结构转变，完成丝素蛋白与镁合金的连接。

本发明中，所述镁合金为镁基生物医用合金。

本发明中，所述镁合金表面用100目、240目、600目、800目砂纸依次机械抛光处理。

本发明中，所述机械抛光过程中每一种砂纸打磨过程为3~5min。

本发明中，所述硝酸和硫酸的体积比为8：1。

本发明中，所述去离子水和乙醇清洗时均有超声辅助，清洗时间为5~15min。

本发明中，所述等离子体为氧等离子体，短波长光波长为100~400nm。

本发明中，所述步骤二和步骤四中的干燥均在60℃的恒温湿热箱中进行，干燥时间为1h。

本发明中，所述步骤五中丝素蛋白结构转变时采取室温干燥。

本发明中，所述丝素蛋白溶液的质量浓度为1~10%。

本发明中，所述甲醇溶液的体积浓度为80%。

本发明的原理如下：

首先采用机械抛光的方式在镁合金表面形成微米乳突，增大与丝素蛋白涂覆层的接触面积，然后经过化学抛光去除表面氧化物和污染物得到洁净表面，随后用等离子体或短波长光对镁合金表面进行处理，使表面带有羟基，羟基与涂覆的丝素蛋白有机官能团反应，干燥后与镁合金形成牢固连接。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的方法中温度不超过60℃，无需加压，无复杂操作步骤即可实现丝素蛋白与镁合金的可靠连接。

2、本发明的方法不会改变镁合金性质，不会影响后续应用。

3、本发明能够实现丝素蛋白涂覆层镁合金的直接连接，没有中间层。

4、本发明所需设备简单，连接过程安全便捷，连接周期短，不引入有毒性物质。

5、本发明的方法连接后的丝素蛋白-镁合金复合结构相较于其他连接方法连接强度高、贮存时间长。

附图说明

图1为本发明的连接工艺流程图。

图2为丝素蛋白涂覆试样的纳米划痕图像，图中：a为采用aptes做中间层的连接试样，b为等离子体处理表面的连接试样，c为短波长光处理表面的连接试样。

图3为室温贮存30天后的丝素蛋白涂覆试样图像，图中：a为采用aptes做中间层的连接试样，b为等离子体处理表面的连接试样，c为短波长光处理表面的连接试样。

图4为镁合金表面接触角图像，图中：a为未经处理镁合金试样，b为有aptes层的镁合金试样，c为等离子体处理镁合金试样，d为短波长处理镁合金试样。

图5为丝素蛋白-镁合金复合结构界面图象，图中：a为经等离子体处理后连接的试样，b为经短波长光处理后连接的试样，1为丝素蛋白，2为镁合金。

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采用等离子体处理镁合金表面从而实现镁合金与丝素蛋白之间低温连接的方法，具体实施步骤如下：

（1）机械抛光：将直径为10mm、厚度为2mm的镁合金分别用100目、240目、600目、800目的砂纸依次打磨，在光学显微镜下观察到表面纹理均匀后放入去离子水中超声辅助清洗10min后取出。

（2）化学抛光：配置体积浓度为8%硝酸和1%硫酸的混合溶液，然后将第一步清洗后的镁合金放入酸液中20s，然后依次用乙醇和去离子水经超声辅助清洗10min，取出后经60℃恒温湿热干燥。

（3）等离子体表面处理：将干燥后的镁合金置于等离子体腔中，氧等离子体处理1min后取出。

（4）丝素蛋白涂覆：将3g丝素蛋白冻干粉溶于3ml去离子水中得到丝素蛋白溶液，然后将丝素蛋白溶液均匀涂覆至经等离子体处理过的镁合金表面；在60℃的恒温湿热干燥箱中干燥1h。

（5）丝素蛋白结构转变：将二次干燥的丝素蛋白-镁合金复合结构取出后，放入体积浓度为80%的甲醇中浸泡5h，取出后室温晾干即可。

按照本实施例所述方法制得的样品表面及纳米划痕结果如图2b所示，同图2a采用aptes作为中间层的样品相比可知样品连接强度高，镁合金表层丝素蛋白被覆层连续性好。

图3b为采用等离子体处理方法连接的丝素蛋白-镁合金复合结构室温贮存30天后的结果，与图3a采用aptes作为中间层的样品丝素蛋白被覆层破裂相比，采用等离子体处理方法丝素蛋白被覆层与镁合金连接可靠性更高。

图4c为经等离子体处理的镁合金表面接触角图像，同图4a未经处理的镁合金表面及图4b经aptes处理的镁合金表面相比，经等离子体处理过后的镁合金表面接触角出现很大程度地减小，几乎变为完全亲水，由此可以证明经等离子体处理过后镁合金表面羟基数量增多，是产生丝素蛋白与镁合金可靠连接的基础。

图5a为经等离子体处理后的丝素蛋白与镁合金连接界面图，可以看到丝素蛋白与镁合金连接紧密，界面处无空洞。

实施例2：

本实施例提供了一种采用短波长光照射镁合金表面从而实现镁合金与丝素蛋白之间低温连接的方法，具体实施步骤如下：

（1）机械抛光：将直径为10mm、厚度为2mm的镁合金分别用100目、240目、600目、800目的砂纸依次打磨，在光学显微镜下观察到表面纹理均匀后放入去离子水中超声辅助清洗10min后取出。

（2）化学抛光：配置体积浓度为8%硝酸和1%硫酸的混合溶液，然后将第一步清洗后的镁合金放入酸液中20s，然后依次用乙醇和去离子水经超声辅助清洗10min，取出后经60℃恒温湿热干燥。

（3）短波长光表面照射：干燥后的镁合金置于短波长光装置中，经波长为172nm的短波长光辐照15min后取出。

（4）丝素蛋白涂覆：将3g丝素蛋白冻干粉溶于3ml去离子水中得到丝素蛋白溶液，然后将丝素蛋白溶液均匀涂覆至经等离子体处理过的镁合金表面；在60℃的恒温湿热干燥箱中干燥1h。

（5）丝素蛋白结构转变：二次干燥的丝素蛋白-镁合金复合结构取出后，放入体积浓度为80%的甲醇中浸泡5h，取出后室温晾干即可。

按照本实施例所述方法制得的样品表面及纳米划痕结果如图2c所示，同图2a采用aptes作为中间层的样品相比可知样品连接强度高，镁合金表层丝素蛋白被覆层连续性好。

图3c为采用短波长光处理方法连接的丝素蛋白-镁合金复合结构室温贮存30天后的结果，与图3a采用aptes作为中间层的样品丝素蛋白被覆层破裂相比，采用短波长光处理方法丝素蛋白被覆层与镁合金连接可靠性更高。

图4d为经短波长光处理的镁合金表面接触角图像，同图4a未经处理的镁合金表面及图4b经aptes处理的镁合金表面相比，经短波长光处理过后的镁合金表面接触角出现很大程度地减小，几乎变为完全亲水，由此可以证明经短波长光处理过后镁合金表面羟基数量增多，是产生丝素蛋白与镁合金可靠连接的基础。

图5b为经短波长光处理后的丝素蛋白与镁合金连接界面图，可以看到丝素蛋白与镁合金连接紧密，界面处无空洞。