一种新型涂层化医用多孔锌材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种新型涂层化医用多孔锌材料及其制备方法，通过在聚氨酯海 绵表面电沉积纯锌镀层得到孔径均匀，孔隙率高的多孔锌材料，并在表面负载mg 基mofs涂层。该材料与松质骨结构相似，孔相互连通且孔隙率高，有利于在其 内部形成毛细血管，为骨再生提供各类营养物质，且具有良好的生物相容性，可 诱导骨再生，属于生物医用金属材料设计和制备技术领域。


背景技术：

2.多孔金属材料又称泡沫金属，是一种性能优良的多功能材料，已广泛应用于 汽车、环保、航天等领域，在生物医用植入材料领域也展现出巨大的应用前景。 传统加工的金属植入物在体内由于弹性模量与骨不匹配会产生应力遮蔽效应，导 致植入体过早失效，而生物医用多孔金属可通过控制孔径以及孔隙率降低材料强 度以及弹性模量，改善生物力学相容性使其与骨组织更加匹配。此外，开孔多孔 金属的孔之间相互连通形成通道，有利于在体液和营养物质可在材料中进行传输， 进一步促进骨组织的再生和修复。
3.目前人们对于医用多孔金属的研究主要集中于不锈钢、钛合金、钽和钴铬合 金等惰性金属。然而，这些不可生物降解的材料都会引起慢性局部炎症和生理刺 激，无法避免二次手术的取出。近年来，人们对生物可降解金属在生物医学上的 应用产生了越来越大的兴趣。可降解金属固有的强度和延展性可以使其应用于骨 等硬组织的修复，生物可降解性又可以使患者免受二次取出手术的痛苦。目前研 究最广泛的可降解金属包括镁、铁、锌及其合金，其中锌相比镁和铁表现出更合 适的降解速率，且其降解产物完全可生物吸收，不会释放过量的氢气。而且作为 人体必需的微量元素，锌不仅可以促进成骨、抑制骨组织丢失和炎症相关疾病， 还在软骨基质代谢(sox9)和软骨ii基因表达中发挥重要作用，采用纯锌制备 的医用多孔金属有望成为新一代骨植入材料。
4.制备多孔金属的方法主要包括烧结法、粉末冶金法以及渗流铸造法等。这些 方法普遍存在孔隙连通性较差，孔隙率不高等问题，很难用于制备孔隙结构要求 较高的医用多孔锌。
5.此外纯锌的生物相容性依赖于体内锌离子的浓度，即低浓度的锌离子对细胞 有利，而高浓度的锌离子则对细胞有害。直接制备的纯锌多孔材料在比表面积增 大的同时会带来锌离子快速释放的风险，在其表面负载生物相容性优异的的涂层 是解决该问题的有效方法。有机金属骨架(mofs)是一种有机配体与金属离子 通过配位键自组装形成的晶体材料，具有高比表面积、高孔隙率、易功能化等优 点，在生物医用领域具有广泛的应用前景。通过mofs涂层可将生物活性金属元 素负载在多孔锌表面，提高材料的生物相容性及生物功能性。镁是一种人体所必 需的营养元素，具有优异的生物相容性，可以促进骨组织再生，镁基mofs材料 也是制备工艺较为成熟的一种mofs材料，目前已有一些针对镁基mofs材料的 相关研究，均表明其具有作为功能性生物涂层的潜力。
6.目前制备出一种结构与骨组织相似，孔相互连通且孔隙率高，并具有良好的 生物
相容性及生物功能性的多孔锌材料对于骨缺损修复治疗具有重要意义。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于制备一种生物医用多孔锌材料，本发明中的多孔锌具有高 度连通的三维通孔，孔隙率高，结构均匀，同时本发明在多孔锌表面负载cu－ mg基涂层，提高了材料的生物相容性，使其具有一定生物功能性，可促进骨再生。
8.本发明的一种新型涂层化医用多孔锌材料的制备方法，包括有下列步骤：
9.步骤一，模板预处理；
10.步骤11，试样准备；
11.将聚氨酯海绵裁成所需尺寸(长
×
宽，50mm
×
50mm)大小，成为第一试 样；
12.所述的聚氨酯海绵试样孔径为40ppi、50ppi、60ppi。
13.步骤12，配制化学脱脂液；
14.配制1l的化学脱脂液中所需naoh为20～40g、na2co为20～30g、 na3po4为5～10g、op乳化剂为0.5～1.0ml和余量的去离子水。
15.脱脂液ph值保持在10～12之间。
16.步骤13，有机溶剂的脱脂处理；
17.将第一试样浸入无水乙醇中反复挤压搅拌10～60s进行有机溶剂脱脂，取 出后用蒸馏水冲洗5～10分钟，得到第二试样；
18.步骤14，化学脱脂处理；
19.将第二试样浸入步骤12制得的化学脱脂液中，反复挤压搅拌5～10分钟进 行化学脱脂，取出后用蒸馏水冲洗5～10分钟，得到第三试样；
20.步骤二，粗化－除膜处理；
21.步骤21，配制粗化液；
22.配制1l的粗化溶液所需kmno4为0.5～1.0g、h2so4为0.03～0.06ml 和余量的去离子水。
23.粗化溶液ph值保持在2～3之间。
24.步骤22，配制除膜液；
25.配制1l的除膜溶液所需c2h2o4(草酸)为5～10g和余量的去离子水。
26.步骤23，粗化处理；
27.将粗化溶液加热至45℃，然后将第三试样浸入加热后的粗化溶液中，反复 挤压搅拌5～10分钟进行粗化，取出后用蒸馏水冲洗5～10分钟，得到第四试样；
28.步骤24，除膜处理；
29.将除膜溶液加热至55℃，然后将第四试样浸入加热后的除膜溶液中，反复 挤压搅拌5～10分钟进行热除膜，取出后用蒸馏水冲洗5～10分钟，再晾干，得 到第五试样；
30.步骤三，导电化处理；
31.将石墨导电胶充分涂匀在第五试样上，得到第六试样；
32.将第六试样在真空干燥箱中固化或在室温下自然固化，得到第七试样；
33.在真空干燥箱中的固化温度为60℃～90℃，固化时间为1～2h；
34.在室温25℃下自然固化时间为24h。
107354335a公开了一种用于制备医用开孔泡沫锌材料的方法及装置，该方 法通过烧结氯化钙预制体，将金属锌置于真空渗流装置中升温加压进行渗流铸造， 再通过水溶除去预制体颗粒，这种方法得到的多孔锌材料孔隙率为59％～70％； cn 110449584a公开了一种医用可降解开孔泡沫锌的方法，该方法通过混合锌 粉及造孔剂在模具中进行加压烧结，再通过水溶除去造孔剂，该方法得到的开孔 泡沫锌孔隙率为40～78％，孔径0.8～2mm。以上两种公开的多孔锌制备方法开 孔率较低，孔径较大且难以控制，而且无法保证内部孔的均匀分布及连通性，会 存在部分闭合的孔。而本发明采用电沉积法，以聚氨酯为模板，所制备的多孔锌 孔径尺寸分布均匀且孔隙率高，克服了现有技术存在的开孔率低，孔径不均匀的 问题。此外，通过更换不同的聚氨酯海绵基体还可以调节多孔锌的孔径及孔隙率。
62.②
本发明采用无毒环保的硫酸锌盐作为电镀液主要成分，通过控制电流密 度、沉积时间以及调节电镀液配比可以得到镀层均匀，表面较为光滑完整的开孔 多孔锌结构。
63.③
本发明所制备的多孔锌具有高度连通的开孔，与松质骨结构相似，有利于 在其内部形成毛细血管网络，促进体液及营养物质的输送，降低骨缺损中心部位 因缺血发生坏死的风险。
64.④
现有的多孔纯锌因较大的比表面积存在锌离子释放较快，生物相容性较差 的问题，本发明所制备的多孔锌表面负载mg基mofs涂层，可以提高材料的生 物相容性，促进缺损部位的骨再生，在此基础上添加生物活性金属元素，如具有 抗菌、促血管化作用的铜离子，使材料具有多种生物功能性。
65.因此，本发明与现有技术相比可制备高孔隙率、高连通性的医用开孔多孔锌 材料，并且具有良好的生物相容性，在骨缺损填充修复等组织工程支架领域具有 广阔的应用前景。
附图说明
66.图1是本发明实施例1中制备至步骤五结束时的多孔锌材料的扫描电镜图 像，图中可观察到该材料呈三维网状结构，内部孔隙均匀且连通，孔平均直径为 0.51mm，孔隙率97％。
67.图2是本发明实施例1中制备的涂层化多孔锌材料的扫描电镜图像，图中多 孔锌表面覆盖一层致密的cu－mg基涂层。
68.图3是本发明实施例1中制备的涂层化多孔锌表面涂层界面扫描电镜图像， 图中涂层结构为紧密堆积的球状结构，涂层的平均厚度为30μm。图3a是本发明实施例1中制备的涂层化多孔锌表面涂层界面一个测试点的 扫描电镜图像。
69.图4是本发明实施例1中制备的涂层化多孔锌表面涂层的xrd衍射图谱， 材料表面涂层与标准mg－mof－74的特征峰峰值一致，表明试样表面涂层成分 主要为mg－mof－74。
70.图5是本发明实施例1中涂层化多孔锌对于mc3t3－e1细胞毒性检测结 果，试样相比于纯锌材料细胞毒性明显降低，生物相容性有所提高。
具体实施方式
71.下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
72.实施例1
73.步骤一，模板预处理；
74.步骤11，试样准备；
75.将50ppi的聚氨酯海绵裁成长50mm，宽50mm，成为第一试样；
76.步骤12，配制化学脱脂液；
77.配制1l的化学脱脂液中所需naoh为35g、na2co为25g、na3po4为 10g、op乳化剂为0.5ml和余量的去离子水。
78.脱脂液ph值保持在10～12之间。
79.步骤13，有机溶剂的脱脂处理；
80.将第一试样浸入无水乙醇中反复挤压搅拌60s进行有机溶剂脱脂，取出后用 蒸馏水冲洗5分钟，得到第二试样；
81.步骤14，化学脱脂处理；
82.将第二试样浸入步骤12制得的化学脱脂液中，反复挤压搅拌5分钟进行化 学脱脂，取出后用蒸馏水冲洗5分钟，得到第三试样；
83.步骤二，粗化－除膜处理；
84.步骤21，配制粗化液；
85.配制1l的粗化溶液所需kmno4为1g、h2so4为0.05ml和余量的去离 子水。
86.粗化溶液ph值保持在2～3之间。
87.步骤22，配制除膜液；
88.配制1l的除膜溶液所需c2h2o4(草酸)为10g和余量的去离子水。
89.步骤23，粗化处理；
90.将粗化溶液加热至45℃，然后将第三试样浸入加热后的粗化溶液中，反复 挤压搅拌5分钟进行粗化，取出后用蒸馏水冲洗5分钟，得到第四试样；
91.步骤24，除膜处理；
92.将除膜溶液加热至55℃，然后将第四试样浸入加热后的除膜溶液中，反复 挤压搅拌5分钟进行热除膜，取出后用蒸馏水冲洗5分钟，再晾干，得到第五试 样；
93.步骤三，导电化处理；
94.将石墨导电胶充分涂匀在第五试样上，得到第六试样；
95.将第六试样在真空干燥箱中固化，得到第七试样；
96.在真空干燥箱中的固化温度为60℃，固化时间为1h；
97.步骤四，电沉积制锌层；
98.步骤41，配制硫酸盐电镀锌液；
99.配制1l的硫酸盐电镀液所需znso4为250g、al2(so4)3为20g、kal(so4)2为45g、na2so4为30g和余量的去离子水。
100.硫酸盐电镀液ph值保持在3～4之间；
101.步骤42，采用恒流法进行电沉积；
102.将步骤41得到的硫酸盐电镀锌液导入沉积槽中，将沉积槽放在恒温水浴搅 拌装置上，磁子放入电沉积槽中进行搅拌；设置磁力搅拌器转速为600r/min， 镀液温度为35℃，电流密度为0.040a/cm2，沉积时间为1.5h；
103.以第七试样作为阴极，两面用镂空的铜片固定，铜片每一面暴露面积为 16cm2；
104.以两块5mm纯锌板作为双阳极，并放置于阴极两侧，锌板截面为50mm
×ꢀ
50mm的正方形薄板；
105.在本发明中，采用恒流法进行电沉积，设定电流密度为0.040a/mm2，在 沉积期间参照0.3ml/a
·
h的消耗速率分次加入镀锌添加剂(1ml/l的光亮剂 及15ml/l的柔软剂)，电沉积后用蒸馏水清洗并晾干，制得多孔锌，即第八试 样。
106.选用江苏梦得电镀化学品有限公司生产的ct
‑
1型光亮剂和ct
‑
1型柔软剂。
107.在本发明中，设置的电流密度0.04a/cm2是以第七试样暴露于电镀液中的 表观面积为基准得到的表观电流密度。
108.步骤五，烧结处理；
109.将第八试样用石英管真空封装，并置于烧结炉中；
110.调节烧结温度为300℃、烧结升温速度为5℃/min，烧结时间1.5h，烧结 完成后在炉内随炉冷却至30℃再取出，得到第九试样。
111.参见图1所示，使用环境扫描电子显微镜对第九试样进行形貌分析，图中可 观察到第九试样具有三维连通的孔道，骨架内部呈中空结构。
112.步骤六，涂层负载；
113.步骤61，配制反应溶液；
114.反应溶液浓度为每70ml溶剂里加入3mmol溶质。
115.所述溶质是639mg的六水合硝酸镁、1mg的六水合硝酸铜及160mg的 dhta(2,5
‑
二羟基对苯二甲酸)。
116.所述溶剂是60ml的dmf中分别加入4ml去离子水和4ml无水乙醇。
117.步骤62，水热反应；
118.将第九试样垂直悬挂于水热釜的聚四氟乙烯内衬里，加入反应溶液，将水热 釜放入烘箱进行水热反应，冷却至30℃后取出，得到第十试样。
119.水热反应温度为120℃，反应时间为4h。
120.步骤63，后处理；
121.将第十试样在dmf中浸泡10min进行除去未反应的溶剂，再用甲醇清洗除 去dmf，得到第十一试样。
122.将第十一试样放入温度为60℃的烘箱中干燥20分钟后，取出得到了第十二 试样。
123.参见图2所示，使用环境扫描电子显微镜对第十二试样进行形貌分析，图中 可观察到第十二试样具有三维连通的孔道，多孔骨架内部呈中空结构，孔隙率 95％以上，平均孔径为0.51mm且分布均匀。
124.参见图3、图3a所示，使用环境扫描电子显微镜对第十二试样进行形貌分 析，图中可观察到第十二试样具有多孔骨架表面被一层平均厚度为30微米的涂 层包裹。
125.参见图4所示(横坐标是衍射角，纵坐标是相对强度)，对第十二试样进行 成分分析，将试样表面涂层刮下，使用x射线衍射仪对涂层粉末进行物相分析， 试验测试条件为：cu kα辐射；x射线发生器功率：2.2kw，扫描范围5～50
°
， 扫描速度5
°
/min。xrd图谱显示第十二试样的特征峰与mg－mof－74的标 准xrd图谱中特征峰峰值一致，表明第十二试样表面涂层成分主要为mg－mof －74。
126.用5ml不含血清的无hepes的α
‑
mem培养基浸泡表面积为2cm2的试样 配置浸提液，在37℃培养箱中浸提72h后在超净台中将浸提液取出存于15ml 离心管。使用cell counting kit
‑
8试剂盒进行细胞毒性检测，将生长状况良好 的mc3t3
‑
e1细胞按每孔3000个细胞100μl的密度接种在96孔板上，在37 ℃的co2培养箱中培养1天使细胞贴壁，吸出旧培养基，阳性对照组加入100μl 的体积比浓度为50％、25％、10％浸提液，阴性对照组加入100μl的α
‑
mem 完全培养基，培养2天后取出旧培养基，每孔加入100μl含10％的cck8的α
ꢀ‑
mem培养液，在37℃的co2培养箱中孵育1h，用酶标仪测量450nm下每孔 的吸光度值，计算细胞活力。参见图5所示(横坐标是不同涂层材料，纵坐标是 细胞存活率)，对第十二试样进行细胞毒性分析，图中可观察到第十二试样相比于 纯锌材料，在不同浓度浸提液培养下细胞存活率均有提高，在25％浸提液培养下 细胞存活率提高至80％以上，细胞毒性明显降低，生物相容性有所提高。
127.试样性能分析所需要的主要仪器如表1所示：
128.表1实验所用主要仪器
[0129][0130]
试样性能分析所需要的主要试剂如表2所示：
[0131]
表2实验所用主要试剂
[0132]
实验试剂生产公司mem alpha培养基美国赛默飞世尔gibco0.25％胰蛋白酶美国赛默飞世尔gibco胎牛血清美国赛默飞世尔gibcocell counting kid
‑
8试剂盒日本同仁化学研dojindo磷酸盐缓冲液溶液(pbs)北京索莱宝科技有限公司
[0133]
实施例2
[0134]
实施例2与实施例1的不同之处在于：
[0135]
步骤一，模板预处理；
[0136]
将步骤11中选取的聚氨酯海绵的孔径为40ppi；
[0137]
步骤四，电沉积制锌层；
[0138]
将步骤42中镀液温度为30℃，沉积时间为1h；
[0139]
步骤五，烧结处理；
[0140]
将步骤五中烧结时间为1h。
[0141]
步骤六，涂层负载；
[0142]
步骤61，配制反应溶液；
[0143]
反应溶液浓度为每70ml溶剂里加入3mmol溶质。
[0144]
所述溶质是640mg的六水合硝酸镁及160mg的dhta。
[0145]
所述溶剂是60ml的dmf中分别加入4ml去离子水和4ml无水乙醇。
[0146]
步骤62，水热反应；
[0147]
将第九试样垂直悬挂于水热釜的聚四氟乙烯内衬里，加入反应溶液，将水热 釜放入烘箱进行水热反应，冷却至40℃后取出，得到第十试样。
[0148]
水热反应温度为125℃，反应时间为6h。
[0149]
性能分析
[0150]
经实施例2方法制得的多孔锌材料具有三维连通的孔道，多孔骨架内部呈中 空结构，孔隙率95％以上，平均孔径为0.64mm且分布均匀，多孔骨架表面被 一层平均厚度为30微米的涂层包裹。
[0151]
实施例3
[0152]
实施例3与实施例1的不同之处在于：
[0153]
步骤一，模板预处理；
[0154]
将步骤11中选取的聚氨酯海绵的孔径为60ppi；
[0155]
步骤四，电沉积制锌层；
[0156]
将步骤42中镀液温度为40℃，沉积时间为1h；
[0157]
步骤五，烧结处理；
[0158]
将步骤五中烧结保温时间为2h。
[0159]
步骤六，涂层负载；
[0160]
步骤61，配制反应溶液；
[0161]
反应溶液浓度为每70ml溶剂里加入3mmol溶质。
[0162]
所述溶质是638mg的六水合硝酸镁、2mg的六水合硝酸铜及160mg的 dhta。
[0163]
所述溶剂是60ml的dmf中分别加入4ml去离子水和4ml无水乙醇。
[0164]
性能分析
[0165]
经实施例3方法制得的多孔锌材料具有三维连通的孔道，多孔骨架内部呈中 空结构，孔隙率95％以上，平均孔径为0.42mm且分布均匀，多孔骨架表面被 一层平均厚度为20微米的涂层包裹。
[0166]
实施例4
[0167]
实施例4与实施例1的不同之处在于：
[0168]
步骤一，模板预处理；
[0169]
将步骤11中选取的聚氨酯海绵的孔径为60ppi；
[0170]
步骤四，电沉积制锌层；
[0171]
将步骤42中镀液温度为25℃，沉积时恒电流密度为0.06a/cm2，；
[0172]
步骤五，烧结处理；
[0173]
将步骤五中烧结保温时间为2h。
[0174]
步骤六，涂层负载；
[0175]
步骤61，配制反应溶液；
[0176]
反应溶液浓度为每70ml溶剂里加入3mmol溶质。
[0177]
所述溶质是637mg的六水合硝酸镁、3mg的六水合硝酸铜及160mg的 dhta。
[0178]
所述溶剂是60ml的dmf中分别加入4ml去离子水和4ml无水乙醇。
[0179]
性能分析
[0180]
实施例4制得的多孔锌材料骨架表面被一层平均厚度为20微米的涂层包裹， 整体仍具有三维连通的孔道，多孔骨架内部呈中空结构，孔隙率95％以上，平均 孔径为0.42mm且分布均匀。