生物医用镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层及其制备

1.本发明属于生物医用镁合金技术领域，涉及一种生物医用镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层及其制备，尤其涉及一种生物医用镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合功能涂层设计及制备和用途。


背景技术：

2.镁合金由于其优异的生物相容性、生物可降解性、促进骨的生长和与人骨相似的弹性模量等一系列的优点，在生物医用领域有着光明的发展前景。目前，镁合金骨钉已处于临床测试当中。然而，镁基植入体仍面临着巨大的挑战，主要表现为其在生理环境中过快的腐蚀速率，这就会导致植入体结构的提前失效。并且，镁基植入体过快的腐蚀过程会带来局部氢气的聚集和过碱性的微环境，这些都限制了镁合金在组织工程支架、心血管支架、医用导管等领域的进一步应用。
3.因此，调控镁合金的腐蚀速率可控显得至关重要。合金化和表面改性都是提高镁合金耐蚀性的有效方法。其中，表面改性在提高镁合金耐蚀性的同时更可以赋予体系功能化。受海洋贻贝粘附蛋白的启发，聚多巴胺以涂层的形式被广泛应用在材料表面。并且聚多巴胺具有良好的生物相容性和结合力，进而在医用金属(不锈钢、钛合金、镁合金等)表面得到了大量研究。申请人前期专利cn105126168b公开了一种用于镁基医用材料及器件的仿生多功能涂层。该专利是将多巴胺单体溶于碱性催化剂-有机溶剂中，通过自聚合反应生长获得聚多巴胺膜层。专利中指出聚多巴胺膜层在生理ph值下呈现负电性，通过静电排斥作用来阻碍氯离子的渗透进攻，从而提高镁合金材料及器件的耐腐蚀性能。但在长期的动态植入环境中，特别是针对可降解镁合金比表面积较高的材料和器械，聚多巴胺涂层的保护效果由于其亲水性和分子/离子的可穿透性而相对有限。
4.石墨烯具有独特的化学稳定性和对大多数分子不可渗透性，这使得其在抗腐蚀涂层方面也一定应用。石墨烯是由单层的碳原子形成的蜂窝状透明的二维材料。并且，石墨烯具有高强度杨氏模量和极高的硬度，这就对耐磨性有严格要求的骨科植入体提供了涂层设计的新思路。此外，石墨烯涂层具有高导电性，这种电子传导能力使得其应用在医用导管方面可以进行电信号的传递并可能促进轴突的生长，进而加速神经的修复【文献：bo weng.et al,bio-interface of conducting polymer-based materials for neuroregeneration.advanced materials interfaces 2(2015)1500059】。但直接涂覆单一的石墨烯涂层，将显著加速镁合金的腐蚀。研究表明，石墨烯的电化学活性是低于镁合金的(镁电极电位更负)，这样活性更高的镁合金会充当阳极，石墨烯相对惰性会充当阴极，进而发生电偶腐蚀反而促进镁腐蚀降解【文献：chenlong cui.et al，a cautionary note on graphene anti-corrosion coatings.nature nanotechnology9(2017)12：834-835】。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种生物医用镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层及其
制备，其同时具有良好的耐蚀性，耐磨、提高生物相容性和生物活性(如促神经修复、促血管内皮化等)的功能。本发明对镁合金首先进行预处理使用绝缘转化层作为“隔离层”阻断了石墨烯与镁合金的电偶腐蚀。在此基础上又制备了具有良好生物相容性同时又属于半导体材料的聚多巴胺涂层，再复合上具有化学稳定性和优异导电性的石墨烯涂层，构建了聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层。
6.本发明首次成功的把石墨烯以外涂层的形式应用于镁合金，创新性的构建了聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层。这其中，聚多巴胺属于半导体材料，石墨烯涂层属于导体，两者直接接触自然会在半导体内生成表面肖特基势垒。该势垒是一个高阻区域，高阻的势垒相当于一个阻挡层。电子必须积聚足够高的能量才能超越势垒的顶点越过阻挡层进入石墨烯涂层(图1)。并且加上外层石墨烯涂层的化学稳定性和对分子不可渗透性的特点，双效协同显著降低镁合金的降解速率。
7.本发明的目的是通过以下的技术方案实现的：
8.本发明涉及一种生物医用镁合金表面聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层，所述涂层包括由内至外由聚多巴胺涂层和石墨烯超薄涂层组成的双层涂层。可用于显著调控镁合金降解及提高生物相容性和活性。
9.所述聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层样品，两层都是完整、完备的涂层，致密均匀、结合力好，外表面没有明显褶皱，呈现比较均匀的细小颗粒状形貌，复合涂层外表面具有疏水性。所述复合功能涂层具有优异的抗镁基底腐蚀性、良好的生物相容性、与基体结合力强、并能促进多种细胞的粘附、增殖、迁移、功能表达等。
10.本发明还涉及一种生物医用镁合金表面聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层的制备方法，所述方法包括如下步骤：
11.s1、预处理形成绝缘转化层
12.所述预处理包括氟化处理、碱化处理、磷酸化处理或微弧氧化处理；
13.s2、制备聚多巴胺涂层
14.将经过预处理的镁合金浸泡在多巴胺盐酸盐溶液中20-40℃下反应聚合1-60h；取出后，超声清洗、氮气吹干，真空干燥；
15.s3、沉积石墨烯涂层
16.将载有聚多巴胺涂层的镁合金样品进行物理/化学气相沉积，制备了聚多巴胺-石墨烯复合涂层。
17.优选地，步骤s2中，所述多巴胺盐酸盐溶液包括：多巴胺盐酸盐0.5-5mg/ml、水0-20v％、乙醇65-97v％和氨水3-15v％。
18.优选地，步骤s2中，所述反应聚合12-60h。为根据不同厚度需求进行反复不断浸入新配的多巴胺盐酸盐溶液。
19.优选地，步骤s2中，所述真空干燥的温度为50-150℃；干燥的时间为10-16h。作为本发明的一个实施方案，在真空干燥箱中50-150℃烘过夜，这样有助于聚多巴胺分子弛豫后更均匀、减少缺陷以及氧化度更高。
20.优选地，步骤s2中，制得的聚多巴胺涂层厚度为20-500nm。
21.优选地，步骤s3中，所述物理/化学气相沉积的沉积温度为100-150℃，在高真空环境下通入甲烷、氢气和氩气，沉积石墨烯涂层。具体是在高真空环境下通入氢气和氩气的混
合气体(10-30/100-300sccm)，待达到沉积温度后，注入甲烷气体(0.1-2sccm)，沉积石墨烯涂层。
22.优选地，步骤s3中，沉积得到的石墨烯涂层的厚度为5-300nm。
23.优选地，所述生物医用镁合金包括纯镁、mg-ca系、mg-zn系、mg-li系、mg-re系二元及其他多元镁合金。
24.本发明还提供了一种所述的生物医用镁合金表面的聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层在制备镁基医用植入器械中的用途。
25.所述医用植入器械包括组织工程支架、心血管支架、医用导管或骨科植入器械等。
26.本发明制备出的聚多巴胺-石墨烯复合涂层致密均匀、与镁合金基体具有良好的结合力，通过物理屏障和电化学屏障协同显著降低了镁合金的降解速率，并且具有优异的生物相容性。本发明提出的多巴胺在碱性有机溶液中以自聚合的方式制备聚多巴胺涂层，相对于传统使用tris-hcl溶液调节溶液ph值，减少了溶液中cl-离子的含量，进而降低了对镁基体的腐蚀。并且，使用物理/气相沉积的方法成功的将石墨烯以涂层的形式应用于镁合金表面。构建了半导体与导体复合的(聚多巴胺与石墨烯)双效涂层，表面化学稳定性和势垒效应共同降低镁合金的降解速率。此外，这种导电涂层还便于施加电信号的刺激，可促进如神经轴突、骨组织等的生长，提高生物活性，适用于医用器械、组织工程、再生医学等领域。
27.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
28.1)本发明提供了一种镁合金表面的聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层及其制备，聚多巴胺涂层呈现均匀的球形纳米颗粒状，聚多巴胺-石墨烯双层复合涂层外表面呈现完备平整、疏水的特性，并与基体具有良好的结合力；
29.2)双层复合涂层可同时抑制水分子、氯离子、电子渗透进攻，比单一涂层抗腐蚀效果均优越，可显著保护镁基底材料长期的耐蚀性，并具有良好的生物相容性和生物活性；
30.3)双层复合涂层中，石墨烯导体与聚多巴胺半导体接触的界面会产生势垒，阻挡了电子的运动，进而进一步降低了镁合金的电化学腐蚀速率；
31.4)本发明制备的涂层厚度可控，并可根据不同植入位置对降解速率的具体要求，调控反应时间和沉积次数来控制涂层厚度；具体来说，通过调节浸渍多巴胺盐酸盐溶液的反应时间，合成不同厚度的聚多巴胺涂层，更适用于组织工程支架和心血管支架；控制石墨烯涂层沉积的层数，制备出耐蚀性能更优异的聚多巴胺-石墨烯复合涂层，适用于医用导管和骨科植入等领域；
32.5)本发明提出的制备方法简单易行，适合于大规模工业化生产。
33.6)本发明适用生物医用领域广泛，适合目前纯镁及镁合金的组织工程支架、心血管支架、医用导管和骨科植入器械。
附图说明
34.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
35.图1为制备jdbm镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层的界面示意图；
36.图2为实验例2所制备的jdbm镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层表面微观形貌
sem图，右上角为放大图；
37.图3为实施例2所制备的jdbm镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层表面eds示意图；
38.图4为实施例2所制备的jdbm镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层的接触角图；
39.图5为实施例2所制备的jdbm镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层的拉曼谱图；
40.图6为实施例2所制备的jdbm镁合金表面氟化预处理、聚多巴胺涂层和聚多巴胺-石墨烯复合涂层在细胞培养液中镁离子的释放曲线；
41.图7为实施例2所制备的jdbm镁合金表面氟化预处理、聚多巴胺涂层和聚多巴胺-石墨烯复合涂层和对照组血旺细胞rsc96粘附的活死染色(live/dead staining)的荧光显微照片；其中，图7(1)为对照组空板的活细胞荧光显微照片；图7(2)为氟化预处理样品表面的活细胞荧光显微照片；图7(3)为聚多巴胺涂层样品表面的活细胞荧光显微照片；图7(4)为聚多巴胺-石墨烯复合涂层样品表面的活细胞荧光显微照片；
42.图8为实施对比例1所制备的jdbm镁合金表面聚多巴胺涂层表面微观形貌sem图；
43.图9为实施对比例1所制备的jdbm镁合金表面聚多巴胺涂层表面eds示意图；
44.图10为实施对比例2所制备的jdbm镁合金表面氧化石墨烯涂层表面微观形貌sem图；
45.图11为实施对比例2所制备的jdbm镁合金表面氧化石墨烯涂层表面eds示意图。
具体实施方式
46.下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
47.实施例1
48.本实施例在mg-4％y-3.3％re(nd,gd)-0.5％zr(简称we43镁合金)合金表面制备聚多巴胺-石墨烯双层复合涂层。具体制备步骤如下；
49.1)首先将we43镁合金依次用320#，1200#，3000#水磨砂纸进行打磨，然后用无水乙醇溶液超声10min，冷风吹干。
50.2)将打磨好的镁合金样品放置在浓度为2mol/l的氢氧化钠溶液中，然后室温反应2h，到时取出冷风吹干。
51.3)配置多巴胺盐酸盐溶液：多巴胺盐酸盐1mg/ml，水0％(v％),乙醇90％(v％)和氨水10％(v％)。
52.4)将经过碱化处理的镁合金浸泡在多巴胺盐酸盐溶液中，室温反应60h，并每隔12h更换一次溶液。到时取出，无水乙醇超声，真空干燥箱50℃烘过夜。
53.5)将载有聚多巴胺涂层的镁合金样品置于真空管式炉中，通入氢气和氩气的混合气体(10/150sccm)，温度升到100℃，注入甲烷气体(0.5sccm)，进行物理气相沉积制备石墨烯涂层。
54.采用电感耦合等离子体发射光谱仪测试1个月浸提液中释放镁离子的含量，聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层的样品比经过碱化处理的镁合金样品的降解速率降低了约
93％，比裸镁降低了99％。内皮细胞细胞毒性测试表明，聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层样品的细胞毒性为0级，具有优异的细胞相容性，而对照组裸镁细胞毒性为2级。将聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层制备在镁合金心血管支架上，植入到新西兰大白兔的腹主动脉，表现出促血管内皮化，并有效减少了血管内再狭窄。
55.实施例2
56.本实施例在mg-2.1nd-0.2zn-0.5zr(简称jdbm镁合金)合金表面制备聚多巴胺-石墨烯复合涂层，界面示意图如图1所示，聚多巴胺属于半导体，石墨烯涂层具有优异导电性，两者直接接触产生势垒这一高阻区域阻挡了低能量电子进入石墨烯涂层，进而提高了该复合涂层的耐蚀性。具体制备步骤如下；
57.1)首先将jdbm合金依次用320#，1200#，3000#水磨砂纸进行打磨，然后用无水乙醇溶液超声10min，冷风吹干。
58.2)将打磨好的镁合金样品放置在浓度为40％的氢氟酸溶液中，然后室温振荡反应12h，到时取出冷风吹干。
59.3)配置多巴胺盐酸盐溶液：多巴胺盐酸盐2mg/ml，水5％(v％),乙醇90％(v％)和氨水5％(v％)。
60.4)将经过氟化处理的镁合金浸泡在多巴胺盐酸盐溶液中，室温反应48h，并每隔12h更换一次溶液。到时取出，无水乙醇超声，真空干燥箱80℃烘过夜。
61.5)将载有聚多巴胺涂层的镁合金样品置于真空管式炉中，通入氢气和氩气的混合气体(20/220sccm)，温度升到120℃，注入甲烷气体(0.9sccm)，进行物理气相沉积制备石墨烯涂层。
62.图2为jdbm镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层表面微观形貌sem图，右上角为放大图；该复合涂层表面呈现纳米尺度比较致密的粒状小颗粒。图3为jdbm镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层表面eds示意图；可见，复合涂层表面结构主要是由c、mg、f、o和少量的nd和n元素组成；
63.图4为jdbm镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层的接触角图；复合涂层与基体的接触角为108
°
，呈现疏水性；
64.图5为jdbm镁合金表面聚多巴胺-石墨烯复合涂层的拉曼谱图；在1567cm-1
附近出现石墨烯三个拉曼特征峰(g带)，表明在样品表面成功制备了石墨烯涂层。
65.图6为jdbm镁合金表面氟化预处理、聚多巴胺涂层和聚多巴胺-石墨烯复合涂层在细胞培养液中镁离子的释放曲线；结果表明，在一周内，聚多巴胺-石墨烯复合涂层释放的镁离子浓度最低，比经过氟化处理的镁合金样品的降解速率降低了约89％，说明该复合涂层具有较好的耐蚀性能；
66.图7为jdbm镁合金表面氟化预处理、聚多巴胺涂层和聚多巴胺-石墨烯复合涂层和对照组血旺细胞rsc96粘附的活死染色(live/dead staining)的荧光显微照片；其中图7(1)为对照组空板的活细胞荧光显微照片；图7(2)为氟化预处理样品表面的活细胞荧光显微照片；图7(3)为聚多巴胺涂层样品表面的活细胞荧光显微照片；图7(4)为聚多巴胺-石墨烯复合涂层样品表面的活细胞荧光显微照片；可见，氟化预处理的样品细胞成活率较差，聚多巴胺涂层和聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层大幅度地提高了细胞在镁合金表面的成活率和铺展状态，具有优异的生物相容性。
67.将制得的聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层制备在镁合金神经导管上，植入到大鼠的坐骨神经受损处，表现出良好的神经修复功能。
68.实施例3
69.本实施例在az31镁合金表面制备聚多巴胺-石墨烯复合涂层。具体制备步骤如下；
70.1)首先将az31合金依次用320#，1200#，3000#水磨砂纸进行打磨，然后用无水乙醇溶液超声10min，冷风吹干。
71.2)将打磨好的镁合金样品放置在含有250mmol/l硝酸钙，250mmol/l磷酸二氢钾的水溶液中，120℃水热反应12h，到时取出冷风吹干。
72.3)配置多巴胺盐酸盐溶液：多巴胺盐酸盐3mg/ml，水5％(v％),乙醇85％(v％)和氨水10％(v％)。
73.4)将经过磷酸化处理的镁合金浸泡在多巴胺盐酸盐溶液中，室温反应48h，并每隔12h更换一次溶液。到时取出，无水乙醇超声，真空干燥箱100℃烘过夜。
74.5)将载有聚多巴胺涂层的镁合金样品置于真空管式炉中，通入氢气和氩气的混合气体(30/280sccm)，温度升到150℃，注入甲烷气体(1.3sccm)，进行物理气相沉积制备石墨烯涂层。
75.采用电感耦合等离子体发射光谱仪测试3个月浸提液中释放镁离子的含量，聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层的样品比经过磷酸化处理的镁合金样品的降解速率降低了约74％,比仅用微弧氧化后石墨烯层处理降低了60％,比仅用微弧氧化后聚多巴胺层处理降低了45％。成骨细胞mc3t3细胞毒性测试表明，聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层样品的细胞毒性为0-1级，具有优异的细胞相容性。将聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层制备在镁合金骨钉上，植入到山羊后肢股骨，表现出免疫炎性反应小，良好的界面成骨能力。
76.实施例4
77.本实施例在纯镁表面制备聚多巴胺-石墨烯复合涂层。具体制备步骤如下；
78.1)首先将纯镁依次用320#，1200#，3000#水磨砂纸进行打磨，然后用无水乙醇溶液超声10min，冷风吹干。
79.2)将打磨好的纯镁样品放置在含7g/l硅酸钠，9g/l硼酸钠和6g/l氢氧化钠的微弧氧化处理电解液中，频率选择200hz，占空比10％，300v运行时间5min，到时取出冷风吹干。
80.3)配置多巴胺盐酸盐溶液：多巴胺盐酸盐4mg/ml，水5％(v％),乙醇85％(v％)和氨水10％(v％)。
81.4)将经过微弧氧化处理的纯镁浸泡在多巴胺盐酸盐溶液中，室温反应60h，并每隔12h更换一次溶液。到时取出，无水乙醇超声，真空干燥箱120℃烘过夜。
82.5)将载有聚多巴胺涂层的纯镁样品置于真空管式炉中，通入氢气和氩气的混合气体(10/210sccm)，温度升到100℃，注入甲烷气体(1.4sccm)，进行物理气相沉积制备石墨烯涂层。
83.采用电感耦合等离子体发射光谱仪测试2周浸提液中释放镁离子的含量，聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层的样品比经过微弧氧化处理的纯镁样品的降解速率降低了约83％，比仅用微弧氧化后石墨烯层处理降低了57％，比仅用微弧氧化后聚多巴胺层处理降低了49％。成骨细胞mc3t3细胞毒性测试表明，聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层样品的细胞毒性为0-1级，满足细胞相容性要求。将聚多巴胺-石墨烯双层复合功能涂层制备在镁
合金多孔骨组织工程支架上，植入到大鼠股骨髁缺损处，表现出与周围骨贴合紧密，有大量新骨的产生，比对照组钛更优异的促成骨功效。
84.对比例1
85.本对比例在jdbm镁合金表面制备聚多巴胺-石墨烯复合涂层，其制备步骤基本同实施例2，所不同之处在于：
86.3)配置2g/l的多巴胺溶液(溶解于tris溶液中)。
87.4)将经过氟化处理的镁合金浸泡在多巴胺溶液中，室温反应48h，并每隔12h更换一次溶液。到时取出，无水乙醇超声，真空干燥箱80℃烘过夜。
88.图8为实施对比例1所制备的jdbm镁合金表面聚多巴胺涂层表面微观形貌sem图。样品表面有许多的微裂纹和深坑，此种方法制备的聚多巴胺涂层无法对基体实行有效的保护。
89.图9为实施对比例1所制备的jdbm镁合金表面聚多巴胺涂层表面eds示意图。样品表面主要是由o、mg和c和少量的nd和n，表明聚多巴胺涂层并没有均匀的覆盖在镁合金表面。
90.对比例2
91.本对比例在jdbm镁合金表面制备聚多巴胺-石墨烯复合涂层，其制备步骤基本同实施例2，所不同之处在于：
92.5)将载有聚多巴胺涂层的镁合金样品放入1g/l的氧化石墨烯水溶液中，60℃恒温油浴加热24h；取出清洗并氮气吹干。
93.图10为实施对比例2所制备的jdbm镁合金表面氧化石墨烯涂层表面微观形貌sem图。样品表面膜层分布不均匀，有裂缝状缺陷。
94.图11为实施对比例2所制备的jdbm镁合金表面氧化石墨烯涂层表面eds示意图。样品表面主要是由o和mg和少量的c组成，表明湿化学浸渍法不适用于在镁合金表面制备氧化石墨烯膜层，镁基体已经遭受到了一定的腐蚀。
95.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。