【摘要】：純鎂及其合金作為新型可降解醫(yī)用金屬植入材料,已成為生物材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),并越來越受到生物、材料和醫(yī)學(xué)界的關(guān)注和重視。與鈦合金、不銹鋼等傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料相比,鎂及其合金具有良好的生物相容性、生物可降解性、及適宜的機(jī)械性能,不但可以避免植入材料所引起的應(yīng)力遮蔽效應(yīng),且不需要二次手術(shù)取出。但由于鎂是一種化學(xué)性質(zhì)極為活潑的金屬,導(dǎo)致鎂及其合金降解速率過快,極大的限制了其在臨床上的應(yīng)用。為了調(diào)控其降解速率,表面涂層處理成為常用方法之一,在眾多涂層當(dāng)中,大分子涂層由于良好的生物相容性、可降解性、易于功能化等特點(diǎn),成為鎂表面防腐涂層材料研究的新熱點(diǎn),相關(guān)成果豐碩。但從植入材料角度考慮,尚存在一些難以忽視的問題,如涂層制備工藝對醫(yī)用鎂及其表面涂層性能的改變,大分子的結(jié)構(gòu)、組成及聚集形態(tài)對涂層性能的影響,涂層的化學(xué)結(jié)構(gòu)及組分對鎂及鎂合金生物相容性和降解速率等的影響,以及涂層本身的生物活性和降解產(chǎn)物的細(xì)胞毒性、生理毒性等。大分子自組裝及其組裝聚集體一直是高分子科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,大分子自組裝發(fā)展至今,研究熱點(diǎn)已逐漸從組裝體結(jié)構(gòu)和形貌的調(diào)控向功能性組裝基元的構(gòu)筑及應(yīng)用等領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。由于大分子自組裝可以在自然、溫和的條件下構(gòu)建新物質(zhì)、新型功能材料、智能化材料,組織和器件等,因而關(guān)注以構(gòu)造新型功能材料為主要目標(biāo)的大分子自組裝研究意義尤為重大。一直以來,我們小組都致力于大分子自組裝和功能涂料方面的研究,所以很自然地想到將自組裝基元拓展到鎂表面功能涂層研究當(dāng)中。希望通過大分子設(shè)計(jì)及聚集形態(tài)的調(diào)控構(gòu)建穩(wěn)定、可控、具有生物相容及功能性的醫(yī)用鎂表面防腐涂層,是一種新的嘗試。基于上述背景,本文以大分子自組裝膠體粒子為基本基元,通過電誘導(dǎo)二次界面組裝技術(shù)在鎂及鎂合金表面構(gòu)筑功能涂層材料,以調(diào)控鎂及鎂合金的降解速率,增加其作為醫(yī)學(xué)植入金屬器件的成功幾率,同時(shí)將自組裝膠體粒子拓展到鎂表面功能涂層研究領(lǐng)域�？紤]到鎂化學(xué)性質(zhì)活潑,電沉積過程中會與溶劑水反應(yīng),抑制涂層形成并影響涂層的性能,因而本文嘗試構(gòu)建能在非水相進(jìn)行自組裝的功能大分子體系,并實(shí)施電沉積過程,在鎂及鎂合金表面制備功能涂層材料。本文的研究主線是:首先,以天然聚多肽為自組裝基元,選定無水乙醇為組裝環(huán)境制備自組裝膠體粒子溶液,并實(shí)施電沉積將膠體粒子固定在醫(yī)用鎂表面,驗(yàn)證電沉積大分子自組裝膠體粒子可在醫(yī)用鎂表面制備功能涂層材料;其次,引入功能小分子藥物與大分子聚多肽進(jìn)行復(fù)合自組裝,制備功能膠體粒子,進(jìn)而制備功能涂層材料;進(jìn)一步拓展,利用雜化自組裝技術(shù)制備大分子聚多肽/無機(jī)粒子雜化膠體粒子,并在醫(yī)用鎂表面制備功能雜化涂層,提高醫(yī)用鎂樣品在體內(nèi)及體外的長效耐腐蝕性。最后,通過小分子單體的選擇、設(shè)計(jì)制備可在無水乙醇中自組裝的合成大分子樣品,并研究其膠體粒子的組成、粒子的電沉積條件對涂層的生物相容性及體內(nèi)體外降解速率的影響,再次拓寬研究思路。具體研究內(nèi)容分為以下幾個(gè)部分:1.光敏γ-聚谷氨酸自組裝及鎂表面功能涂層材料研究本章首先以天然聚多肽γ-聚谷氨酸(γ-PGA)和光敏小分子香豆素(AMC)為原料,1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(EDC·HCl)、1-羥基苯并三唑(HOBt)為催化劑,通過酰胺化反應(yīng)制備γ-聚谷氨酸-7-氨基-4-甲基香豆素(γ-PGA-AMC)光敏大分子,并用UV-vis、DLS及TEM等方法研究大分子在非水溶劑中的組裝行為及影響因素。接著采用電誘導(dǎo)二次界面組裝技術(shù)將膠體粒子固定在醫(yī)用鎂(Mg-Ca合金)表面,制備功能涂層材料,探討沉積條件(時(shí)間、電壓、沉積液濃度等)對涂層形成過程的影響,以SEM、FTIR、XPS、XRD等表征手段探討涂層的物理化學(xué)性質(zhì)。最后,使用電化學(xué)測試系統(tǒng)探究涂層對Mg-Ca合金在模擬人體液(SBF)中降解速率的影響,并運(yùn)用MTT法表征不同樣品降解產(chǎn)物的細(xì)胞毒性。初步探討大分子有機(jī)相組裝機(jī)理、電沉積成膜機(jī)制及涂層的防護(hù)機(jī)理。結(jié)果表明:γ-聚谷氨酸主鏈上引入了光敏小分子基團(tuán)7-氨基-4-甲基香豆素,光敏大分子γ-PGA-AMC中小分子香豆素的改性率約為20%;該大分子可在選擇性溶劑二甲亞砜/無水乙醇中發(fā)生自組裝,組裝機(jī)理主要基于氫鍵及分子間作用力誘導(dǎo)組裝。膠體粒子在乙醇溶液中有著良好的穩(wěn)定性,表面呈荷負(fù)電,且對光敏大分子初始濃度、溶液pH環(huán)境、鹽濃度、UV光照具有響應(yīng)性。粒子粒徑隨γ-PGA-AMC初始濃度、溶液pH、鹽濃度的增加而增大;隨著光照時(shí)間的增加,粒子發(fā)生光二聚粒徑逐漸減小。在無水乙醇中可實(shí)施一步電沉積過程在醫(yī)用鎂表面構(gòu)建功能涂層,涂層的最佳制備條件為150 V、30 min、pH~7.5,涂層制備過程中鎂基材的物理化學(xué)性質(zhì)并未發(fā)生變化;并可通過改變膠體粒子沉積液的濃度,調(diào)控基材表面涂層的沉積量及厚度;膠體粒子在鎂表面形成涂層的機(jī)制主要是基于膠體粒子在電場中的DLVO沉積理論。所制備的涂層材料提高了醫(yī)用鎂樣品在模擬人體液中的初始耐腐蝕性,且隨著樣品表面涂層厚度的增加,樣品的耐腐蝕性依次提升,降解產(chǎn)物也具有優(yōu)良的細(xì)胞相容性。2.鎂表面載藥功能涂層的制備及性能研究本章在前一章節(jié)研究的基礎(chǔ)上以γ-PGA-AMC光敏大分子自組裝膠體粒子為功能載體,在無水乙醇中組裝得到載藥功能膠體粒子,并通過電沉積技術(shù),在醫(yī)用鎂(Mg-Ca合金)表面構(gòu)建功能涂層材料,調(diào)控鎂合金降解速率的同時(shí),賦予其功能載藥特性。所采用的功能藥物模板為維生素M(Vm),一種B族維生素,是人體生命活動(dòng)的必需元素且只能從食物中獲取,它不但可以促進(jìn)細(xì)胞的粘附、分化、及增殖,且具有一定的抗炎作用。通過改變藥物的加入量,制備不同載藥量的載藥膠體粒子,進(jìn)而制備不同特性的載藥功能涂層。探討γ-PGA-AMC光敏大分子與功能藥物在無水乙醇中的組裝機(jī)理;探究功能藥物的引入對涂層的化學(xué)結(jié)構(gòu)、微觀形貌、厚度、及性能(耐蝕性、細(xì)胞相容性)的影響,研究藥物的釋放機(jī)制及釋放過程對涂層腐蝕防護(hù)性能的影響。主要得出以下結(jié)果:γ-PGA-AMC與Vm在無水乙醇中自組裝形成了膠體粒子,兩種組裝基元之間存在靜電和氫鍵相互作用,所加入的藥物均被負(fù)載在膠體粒子上。通過電沉積將膠體粒子固定在鎂合金表面制備了涂層材料,涂層中各組分間存在相互作用力,且載藥涂層樣品沒有出現(xiàn)宏觀相分離,涂層均勻致密,涂層的厚度和表面疏水性隨粒子中Vm負(fù)載量的增加而增加。體外電化學(xué)測試和靜態(tài)降解實(shí)驗(yàn)表明,載藥功能涂層提高了鎂合金在模擬人體液中的耐腐蝕性能,且涂層的防護(hù)性能隨著涂層厚度的增加及藥物負(fù)載量的增加而增強(qiáng)。此外,涂層中藥物的釋放初期是通過藥物的擴(kuò)散作用釋放,呈一級釋放特征,后期則是由樣品的降解進(jìn)行調(diào)控,屬于典型的零級釋放特性,樣品的降解產(chǎn)物均具有良好的細(xì)胞相容性,且表面制備載藥涂層后,細(xì)胞在樣品表面的粘附性能也得到了較好的改善。3.鎂表面雜化功能涂層的制備及性能研究為改善涂層對鎂基材的長效腐蝕調(diào)控能力,本章引入無機(jī)組分納米羥基磷灰石與γ-PGA-AMC光敏大分子進(jìn)行雜化自組裝,制備雜化自組裝膠體粒子,進(jìn)一步通過電沉積將膠體粒子沉積在鎂基材表面制備雜化功能涂層材料。所引入的雜化因子納米羥基磷灰石(HA)是自然骨無機(jī)質(zhì)的主要成分,具有良好的生物相容性、力學(xué)相容性、和骨傳導(dǎo)作用。首先通過自組裝獲得均一穩(wěn)定的雜化自組裝膠體粒子溶液,用DLS及TEM表征粒子的粒徑大小及形貌,并探究雜化粒子的組裝機(jī)理。進(jìn)一步將其電沉積固定在鎂基材表面制備雜化涂層材料,利用FTIR及SEM考察涂層的化學(xué)組分和表面形貌,考察涂層的均一性和致密性;通過體外電化學(xué)測試及靜態(tài)降解實(shí)驗(yàn)研究樣品在模擬人體環(huán)境下的降解過程,表征降解后各樣品的表面形貌及相組成,分析涂層對鎂基材降解調(diào)控的機(jī)制。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)研究樣品降解產(chǎn)物的細(xì)胞毒性等級,及細(xì)胞在樣品表面的粘附行為;最后通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表征樣品在動(dòng)物體內(nèi)的降解行為,用CT追蹤樣品在動(dòng)物體內(nèi)的降解過程,組織切片染色觀察樣品對動(dòng)物體近期及遠(yuǎn)期組織學(xué)反應(yīng)。結(jié)果表明:γ-PGA-AMC和HA在無水乙醇中形成了穩(wěn)定的雜化自組裝膠體粒子,粒子是納米尺度的,表面呈荷負(fù)電,γ-PGA-AMC和HA兩基元間具有靜電作用力。通過電沉積技術(shù)將雜化粒子固定在裸鎂表面形成功能涂層材料,涂層中含有γ-PGA-AMC和HA兩種組分,且兩基元具有良好的相容性,涂層結(jié)構(gòu)致密均一,且具有一定的厚度。雜化涂層顯著降低了鎂基材的降解速率,涂層的防護(hù)機(jī)理主要是前期起到物理阻隔的作用,后期抑制腐蝕產(chǎn)物的脫落溶解及擴(kuò)散速率,從而達(dá)到長效防腐蝕的效果。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證,雜化涂層能夠提高鎂基材在動(dòng)物體內(nèi)的耐蝕性能,避免鎂樣品植入動(dòng)物體內(nèi)初期的快速降解,保證材料在服役期內(nèi)能夠保持足夠的形態(tài)及理化性能。HE染色觀察結(jié)果說明,雜化涂層能夠有效提高鎂基材在動(dòng)物體內(nèi)的成骨活性,并加速骨組織愈合。4.合成大分子自組裝及鎂表面功能涂層材料研究前面章節(jié)工作表明,天然基大分子可在無水乙醇中自組裝形成膠體粒子,進(jìn)一步電誘導(dǎo)膠體粒子可在醫(yī)用鎂表面構(gòu)建功能涂層。本章節(jié)將進(jìn)一步拓展,通過單體的設(shè)計(jì)及合成制備可在無水乙醇中自組裝的合成大分子體系,拓寬研究思路。選用丙烯酸異冰片酯(ISA)和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMA)為單體,AIBN為引發(fā)劑,通過自由基聚合制備得到P(ISA-co-DMA)無規(guī)共聚物。將上述無規(guī)共聚物溶于無水乙醇形成溶液;在攪拌條件下,向上述溶液中滴加含單寧酸(TA)抗菌分子的無水乙醇溶液,促使無規(guī)共聚物與單寧酸抗菌分子發(fā)生復(fù)合自組裝,形成復(fù)合納米粒子溶液;最后以復(fù)合納米粒子溶液為電沉積液,采用電沉積技術(shù),在鎂表面制備抗菌耐蝕功能涂層。探討涂層在模擬人體環(huán)境下的耐腐蝕性,及對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑制作用,并通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究樣品在動(dòng)物體內(nèi)的降解行為。結(jié)果表明:P(ISA-co-DMA)無規(guī)共聚物結(jié)構(gòu)單元中ISA:DMA單元比為0.92:1,Mw為1.9×104,分子量的分布為1.27。P(ISA-co-DMA)和TA在無水乙醇中可以形成復(fù)合自組裝膠體粒子,粒子形成過程受P(ISA-co-DMA)和TA量的影響,通過調(diào)節(jié)溶液中乙酸、三乙胺、及氯化鈣的濃度可以調(diào)控復(fù)合膠體粒子的粒徑大小和表面荷電情況。氯化鈣作為添加劑可促使本體系發(fā)生電沉積制備涂層材料,膠體粒子的沉積量隨著氯化鈣濃度的增加呈先增大后減小的趨勢,隨著沉積時(shí)間和沉積電壓的增大而逐漸增加。所制備的涂層表面致密均一,具有優(yōu)異的細(xì)胞相容性、抗菌性,體外降解實(shí)驗(yàn)說明涂層明顯提高了鎂樣品在模擬人體環(huán)境中的耐腐蝕性,制備涂層后,樣品各部位降解速率更加均勻,浸泡40天后XRD和EDS測試說明涂層樣品在降解過程中進(jìn)一步形成無機(jī)轉(zhuǎn)化涂層。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明裸鎂樣品在新西蘭大白兔體內(nèi)迅速不均勻降解,骨腔內(nèi)聚集大量氣體,骨組織遭到損壞。而制備涂層后的樣品在動(dòng)物體內(nèi)降解速率明顯下降,均勻降解,且可與骨組織牢固結(jié)合并促進(jìn)新骨的生成。植入12周后,裸鎂的剩余質(zhì)量僅為31.4%,而涂覆涂層樣品(MgCP30、MgCP60)的剩余質(zhì)量分別為78.4%和89.7%。綜上所述,本文制備了可在無水乙醇中穩(wěn)定分散的天然基大分子及合成大分子自組裝膠體粒子,結(jié)合電沉積技術(shù),在醫(yī)用鎂樣品表面構(gòu)建具有生物相容性、降解速率可控的大分子自組裝功能涂層,賦予鎂基材以理想的性能及功能。由于無水乙醇不與醫(yī)用鎂發(fā)生化學(xué)反應(yīng),在電沉積制備涂層過程中鎂基材的物理化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變;所制備的涂層材料提高了鎂基材的耐腐蝕性及生物相容性;引入功能因子(藥物、雜化因子等)不但可以進(jìn)一步減緩鎂基材的降解速率,還賦予鎂基材功能特性(治療、促生長、抗菌等);涂層本身具有優(yōu)異的生物活性,其降解產(chǎn)物也有著良好的細(xì)胞相容性及組織學(xué)相容性。本文創(chuàng)新性的將自組裝和電沉積技術(shù)結(jié)合在一起,構(gòu)建了一種操作簡單、成本低廉、性能優(yōu)良的醫(yī)用鎂表面功能涂層材料制備方法,拓展了大分子自組裝在鎂表面功能涂層研究領(lǐng)域的應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG178;R318.08
【圖文】：

第一章 緒論在涂層當(dāng)中負(fù)載慶大霉素，則慶大霉素的釋放速率會隨著涂層中漸下降。Jia 等[51]在鎂合金表面制備生物活性的自修復(fù)腐蝕防護(hù)微弧氧化處理在鎂合金表面制備多孔氧化物涂層(MAO)，然后通涂層(CSCe)，進(jìn)而得到 MAO/CSCe 復(fù)合涂層材料。體外短期降高了鎂合金的耐腐蝕性能且具有一定的自修復(fù)作用，主要是由于 Mg2+和 OH-兩種離子，其易被涂層捕獲與涂層中的三價(jià)鈰離子形到修復(fù)涂層的作用，為鎂及鎂合金表面功能涂層的制備提供新視

u 等[112]通過旋轉(zhuǎn)涂布法在 ZK60 鎂合金表面制備聚甲基丙烯酸甲酯(PM高鎂合金的耐腐蝕性能和生物相容性。研究結(jié)果表明，涂層厚度在 4鎂合金提供較好的防護(hù)性能，同時(shí)促進(jìn) MC3T3-E1 成骨細(xì)胞的粘附[113]首先對 AZ91 鎂合金進(jìn)行陽極氧化處理，然后通過浸涂法在其表面C)膜材料，如圖 1-2 所示；研究結(jié)果表明 PVC 膜的水接觸角隨著浸提加而逐漸增加，當(dāng) PVC 的含量大于 40%時(shí)，可在鎂基材表面形成粘涂層材料，對鎂合金基材具有優(yōu)異的腐蝕防護(hù)性能。Gu 等[114]在鎂支酯載藥(紫杉醇)涂層材料，以改善鎂支架作為心血管材料的風(fēng)險(xiǎn)問題裸鎂支架及涂覆 PLGA 涂層的鎂支架而言，聚氨酯載藥涂層材料對鎂蝕防護(hù)作用，同時(shí)可以抑制血小板的粘附并由于紫杉醇的釋放可以抑細(xì)胞的增殖，是一種良好的心血管涂層材料。Zhang 等[115]在鎂樣品表丁酸-co-3-羥基乙酸)共聚物(PHBHHx)載阿魏酸涂層材料，并探究 HUV面的細(xì)胞響應(yīng)行為，研究表明載藥涂層可以促進(jìn) HUVECs 細(xì)胞的粘附

江南大學(xué)博士學(xué)位論文共價(jià)鍵的相互作用下自發(fā)組裝而成，組裝單元包含大分子、小分子、及納米粒元之間在靜電、疏水、氫鍵和主客體等弱相互作用下形成的組裝體為多組分組在多組分組裝方面已經(jīng)有諸多研究者開展了相關(guān)研究，例如 Nielsen 等[131]探究與 -酪蛋白、 -乳清蛋白、 -乳球蛋白、生長激素等之間的多組分復(fù)合自組裝果表明多組分復(fù)合功能納米粒子的長效穩(wěn)定性與所選用的蛋白質(zhì)的種類及組溫度相關(guān)，說明各組分之間的非共價(jià)鍵作用是誘導(dǎo)多組分復(fù)合自組裝的主要原過控制條件可制備具有高負(fù)載效率的殼聚糖/蛋白質(zhì)多組分復(fù)合自組裝粒子。32]利用荷正電的殼聚糖(CS)與荷負(fù)電的三磷酸腺苷(ATP)間的靜電自組裝，在溶 CS/ATP 自組裝納米粒子，結(jié)果顯示 CS/ATP 復(fù)合粒子呈球狀形貌，粒子在磷用下逐漸發(fā)生降解，如圖 1-3 所示，粒子具有良好的生物相容性，在藥物輸送應(yīng)器領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，上述工作為酶響應(yīng)性殼聚糖基納米粒子的大規(guī)供了簡便的制備方法。

【參考文獻(xiàn)】

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1 曾榮昌;劉麗君;駱凱捷;沈俐;張芬;李碩琦;鄒玉紅;;AZ31鎂合金表面層層組裝PSS/GS膜的體外耐蝕與抗菌性能(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2015年12期

2 陳良建;趙俊;余琨;陳暢;戴翌龍;喬雪巖;余志明;;殼聚糖涂層影響鎂基生物復(fù)合材料體外降解行為的研究（英文）[J];稀有金屬材料與工程;2015年08期

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本文編號：2798068