一种基于γ-聚谷氨酸的电活性防腐涂层及其制备方法

摘要

本发明涉及一种基于γ‑聚谷氨酸的电活性防腐涂层及其制备方法，该涂层在具有较好防腐性能的同时，能保持基材原有的细胞相容性。该涂层的制备方法包括：将电活性小分子苯胺四聚体通过酰胺化反应接入天然聚多肽γ‑聚谷氨酸中，然后在选择性溶剂中进行自组装，最后通过电泳沉积技术在镁合金表面制备电活性防腐涂层。该涂层能较好的调控镁合金的降解行为，同时，涂层也具有较低的细胞毒性和较好的细胞相容性。另外，整个制备过程操作简单，能耗低，适用范围广，易于实现工业化。

权利要求

1.一种基于γ-聚谷氨酸的电活性防腐涂层的制备方法，包括下列步骤：

(1)电活性γ-聚谷氨酸(γ-PGA)的制备：称取适量γ-PGA溶于有机溶剂中，加热搅拌溶解，加入1-羟基苯并三唑(HOBt)和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC.HCl)活化羧基，然后加入电活性小分子苯胺四聚体(TANi)进行反应，反应结束后在乙醇中沉淀，获得不同改性率的电活性γ-PGA-TANi；

γ-PGA，TANi，HOBt和EDC.HCl的投料摩尔比范围为：1:0.2:1:1或1:0.5:1:1或1:1:1:1或1:1.5:1:1或1:2:1:1或1:1:2:1，反应温度为30℃-60℃，所得产物中TANi对γ-PGA的改性率为10～35％；

(2)电活性自组装胶体粒子溶液的制备：将步骤(1)中所制备的γ-PGA-TANi溶于有机溶剂中，以醇类为选择性溶剂，通过选择性溶剂法制备得到稳定的电活性胶体粒子溶液；

γ-PGA-TANi的初始浓度为1～20mg/mL，自组装胶体粒子成球状，直径范围为50～

200nm，荷电量范围为-10～-50mV；

(3)镁合金表面电活性防腐涂层的制备：以步骤(2)中制备的胶体粒子醇分散液为电沉积液，然后以镁合金为阳极，铂片为对电极，在恒电压下促使粒子移动，于镁合金片表面制备电活性防腐涂层；

沉积电压范围为50～300V，沉积时间为2min～30min。

说明书

一种基于γ-聚谷氨酸的电活性防腐涂层及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电活性小分子通过化学反应接入天然多肽链中，然后自组装形成球状胶体粒子，最后通过电泳沉积技术在镁合金表面二次组装形成防腐涂层，属于高分子自组装、生物医用高分子和生物医用金属防腐技术领域。技术背景

[0002] 目前，人口老龄化的加剧，使得骨修复材料的需求更为广泛。但是现在临床应用上常用的不锈钢、钛合金等属于生物惰性材料，存在着不可降解、应力遮挡和有毒离子释放等问题，从而增加了患者的痛苦和负担。然而镁及镁合金能有效的解决这些问题，并被称为“21世纪绿色工程材料”，有望在生物可降解医用金属材料领域实现应用(Progress in Materials Science,2017,89,92-193)。但由于镁的化学性质及其活泼，当其植入含有有机酸、氯离子等电解质的的生理体液中，很容易发生腐蚀，从而使得植入失效，并且在降解过程中产生大量的氢气会使得周围组织难以黏附，甚至导致炎症的产生。因此，有效降低镁的降解腐蚀速率成了亟待解决的问题。

[0003] 涂层技术是已被公认的一种提高镁及镁合金耐腐蚀性的有效手段。传统的涂层多是钙磷涂层，虽然其主要成分与人骨中的无机成分相似，但是与镁基材的结合强度低，植入体内后易开裂剥落，使得保护时间较短(中国专利，201310420462.4)。聚合物涂层能通过特定基团与镁的相互作用，提高涂层与基材之间的结合强度。天然多肽γ-聚谷氨酸(γ-PGA)是一种具有生物相容性、生物可降解性的天然大分子，且主链含有大量的羧基，易于改性。Joana C.Antunes等(Biomacromolecules,2011,12,4183-4195)通过层层自组装的方法将γ-PGA和壳聚糖固定于不锈钢表面，制备得到的复合涂层有良好的细胞相容性，有望在组织工程、药物缓释等领域实现应用；Sun Jiadi等(Langmuir,2014,30,11002-11010)选用光敏小分子对γ-PGA改性，然后将其沉积在镁合金表面，并进行光交联，通过物理屏蔽作用实现对镁基材的保护，结果表明交联之后的涂层致密性有明显的提高，从而使得涂层的防腐性能也明显的有所改善。

[0004] 但是单一的聚合物涂层只能较多的依赖于物理屏蔽效应实现对镁基材的防护作用，防腐原理单一。导电聚合物防腐涂料因其具有良好的环境稳定性，独特的电化学性质，在防腐涂料领域有着广泛的应用。然而常用的导电聚合物不可降解，长期存在于生物体内会引起组织炎症，从而使其在生物材料领域的应用受到一定限制。因此本项目选用了与导电高分子具有相似电化学性质，但是分子量小易于排出体外且具有一定生物相容性的导电高分子低聚物，将其引入生物涂层中，从而进一步提高涂层对于镁合金的防护作用。

发明内容

[0005] 本专利发明了一种基于γ-PGA的电活性防腐涂层及其制备方法，该制备方法操作简单，条件温和，基材适用范围广，且这种电活性涂层不但能通过物理屏蔽作用和氧化还原特性有效降低镁合金在生理环境下的降解速率，而且具有良好的细胞相容性。其具体内容为首先制备电活性的γ-PGA，然后在选择性溶剂中进行自组装得到胶体粒子，最后通过电泳沉积技术将粒子固定于镁合金表面，制备得到生物防腐材料。该涂层能有效降低镁合金在人体模拟液中的腐蚀速率，并且具有良好的细胞相容性。

[0006] 本发明采用如下的技术方案：

[0007] 一种基于γ-PGA的电活性防腐涂层及其制备方法，其特征步骤为：

[0008] (1)电活性γ-PGA的制备：称取适量γ-PGA溶于有机溶剂中，加热搅拌溶解，待形成均一溶液之后，加入1-羟基苯并三唑(HOBt)和1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)，活化羧基，然后加入电活性小分子苯胺四聚体(TANi)进行反应。反应结束后反应液在乙醇中沉淀，离心获得不同改性率的电活性γ-PGA-TANi；

[0009] γ-PGA，TANi，HOBt和EDC·HCl的摩尔量之比为：1:0.2:1:1，1:0.5:1:1，1:1:1:1，1:1.5:1:1，1:2:1:1，1:1:2:1，反应温度为30℃-60℃，其中TANi对γ-PGA的改性率为10～
35％。

[0010] (2)电活性自组装胶体粒子溶液的制备：将步骤(1)中制备的γ-PGA-TANi溶于有机溶剂中，以醇类为选择性，通过选择性溶剂法制备得到稳定的电活性胶体粒子溶液。

[0011] γ-PGA-TANi的初始浓度为1～20mg/mL，自组装胶体粒子成球状，直径范围为50～200nm，荷电量范围为-10～-50mV。

[0012] (3)镁合金表面电活性防腐涂层的制备：以步骤(2)中制备的胶体粒子醇分散液为电沉积液，然后以镁合金为阳极，铂片为对电极，在恒电压下促使粒子移动，于镁合金片表面制备电活性防腐涂层。

[0013] 沉积电压范围为50～300V，沉积时间为2min～30min。

[0014] 本发明的主要优点在于：选用化学改性的方法将苯胺四聚体引入天然多肽链中，与复合添加的方法相比提高了电活性小分子的加入量；在涂层中引入了电活性特征的同时也保持了天然多肽的生物相容性和生物可降解性；且涂层制备方法简单，来源广泛。

附图说明

[0015] 图1为实施例1中自组装胶体粒子的TEM图，粒子成球状，粒径约为70nm。

[0016] 图2为实施例2中胶体粒子的CV曲线图，从图中可以看出胶体粒子具有两对氧化还原峰，说明粒子具有电活性。

[0017] 图3为实施例3中电沉积涂层的极化曲线图，γ-PGA-TANi涂层的自腐蚀电压为-1.5，与裸镁相比(Ecorr＝-1.8V)有明显的提高，且与天然多肽制备的γ-PGA涂层相比也有一定的提高，说明γ-PGA-TANi具有更好的防腐性能。

[0018] 图4为实施例4中电沉积涂层表面的细胞荧光显微镜图片，从图中可以看出，涂层表面有大量的细胞黏附，说明涂层具有良好的细胞相容性。

[0019] 图5为基于γ-聚谷氨酸的电活性防腐涂层的制备方法示意图。

具体实施方式

[0020] 以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此。

[0021] 实施例1

[0022] (1)电活性γ-PGA的制备：称取1mmolγ-PGA溶于10mL二甲亚砜(DMSO)中，加热至70℃搅拌溶解，待形成均一溶液之后，加入1mmol HOBt和1mmol EDC·HCl活化羧基，然后加入0.2mmol的电活性小分子苯胺四聚体(TANi)，在50℃下反应24h，然后在乙醇中沉淀离心，获得改性率为10％的电活性γ-PGA-TANi。

[0023] (2)电活性自组装胶体粒子溶液的制备：将步骤(1)中制备的γ-PGA-TANi溶于DMSO中配制成浓度为5mg/mL的溶液，在搅拌状态下逐滴加入醇溶液，通过选择性溶剂法制备得到稳定的电活性胶体粒子溶液，粒子呈球状，直径为70nm，荷电量为-35mV。胶体粒子在干态下的形貌及尺寸图如附图1所示。

[0024] (3)镁合金表面电活性防腐涂层的制备：以步骤(2)中制备的胶体粒子醇分散液为电沉积液，然后以镁合金为阳极，铂片为对电极，在50V恒电压下促使粒子移动，沉积5min后在镁合金片表面制备得到电活性防腐涂层。

[0025] 实施例2

[0026] (1)电活性γ-PGA的制备：称取1mmolγ-PGA溶于10mL二甲亚砜(DMSO)中，加热至70℃搅拌溶解，待形成均一溶液之后，加入1mmol HOBt和1mmol EDC·HCl活化羧基，然后加入0.5mmol的电活性小分子苯胺四聚体(TANi)，在50℃下反应24h，然后在乙醇中沉淀离心，获得改性率为20％的电活性γ-PGA-TANi。

[0027] (2)电活性自组装胶体粒子溶液的制备：将步骤(1)中制备的γ-PGA-TANi溶于DMSO中配制成浓度为8mg/mL的溶液，在搅拌状态下逐滴加入醇溶液，通过选择性溶剂法制备得到稳定的电活性胶体粒子溶液，粒子呈球状，直径为100nm，荷电量为-32mV。胶体粒子的CV曲线图如附图2所示。

[0028] (3)镁合金表面电活性防腐涂层的制备：以步骤(2)中制备的胶体粒子醇分散液为电沉积液，然后以镁合金为阳极，铂片为对电极，在100V恒电压下促使粒子移动，沉积10min后在镁合金片表面制备得到电活性防腐涂层。

[0029] 实施例3

[0030] (1)电活性γ-PGA的制备：称取1mmolγ-PGA溶于10mL二甲亚砜(DMSO)中，加热至70℃搅拌溶解，待形成均一溶液之后，加入1mmol HOBt和1mmol EDC·HCl活化羧基，然后加入1mmol的电活性小分子苯胺四聚体(TANi)，在50℃下反应24h，然后在乙醇中沉淀离心，获得改性率为27％的电活性γ-PGA-TANi。

[0031] (2)电活性自组装胶体粒子溶液的制备：将步骤(1)中制备的γ-PGA-TANi溶于DMSO中配制成浓度为10mg/mL的溶液，在搅拌状态下逐滴加入醇溶液，通过选择性溶剂法制备得到稳定的电活性胶体粒子溶液，粒子呈球状，直径为120nm，荷电量为-28mV。

[0032] (3)镁合金表面电活性防腐涂层的制备：以步骤(2)中制备的胶体粒子醇分散液为电沉积液，然后以镁合金为阳极，铂片为对电极，在150V恒电压下促使粒子移动，沉积20min后在镁合金片表面制备得到电活性防腐涂层。裸镁、γ-PGA涂层、γ-PGA-TANi涂层的极化曲线如附图3所示。

[0033] 实施例4

[0034] (1)电活性γ-PGA的制备：称取1mmolγ-PGA溶于10mL二甲亚砜(DMSO)中，加热至70℃搅拌溶解，待形成均一溶液之后，加入2mmol HOBt和1mmol EDC.HCl活化羧基，然后加入1mmol的电活性小分子苯胺四聚体(TANi)，在50℃下反应24h，然后在乙醇中沉淀离心，获得改性率为31％的电活性γ-PGA-TANi。

[0035] (2)电活性自组装胶体粒子溶液的制备：将步骤(1)中制备的γ-PGA-TANi溶于DMSO中配制成浓度为15mg/mL的溶液，在搅拌状态下逐滴加入醇溶液，通过选择性溶剂法制备得到稳定的电活性胶体粒子溶液，粒子呈球状，直径为135nm，荷电量为-30mV。

[0036] (3)镁合金表面电活性防腐涂层的制备：以步骤(2)中制备的胶体粒子醇分散液为电沉积液，然后以镁合金为阳极，铂片为对电极，在150V恒电压下促使粒子移动，沉积20min后在镁合金片表面制备得到电活性防腐涂层。γ-PGA-TANi涂层表面细胞荧光显微镜图片如附图4所示。