基于力生長因子和鎂合金的復(fù)合骨修復(fù)材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明基于力生長因子和鎂合金的復(fù)合骨修復(fù)材料及其制備方法；在鎂合金表面負(fù)載力生長因子。力生長因子為力生長因子24肽。鎂合金基體去掉表面的氧化層帶有一層穩(wěn)定的正電荷；選擇帶不同電荷的電解質(zhì)材料作為載體，將鎂合金基體依次置于載體A-力生長因子-載體A-載體B中；其中載體A為含有羧基官能團(tuán)的帶負(fù)電聚電解質(zhì)，載體B為含有胺基官能團(tuán)的帶正電聚電解質(zhì)，并且載體A、載體B都具有生物相容性，在體內(nèi)完全降解，通過靜電作用，交替沉積在基體表面。本發(fā)明通過將力生長因子負(fù)載到鎂合金表面，植入體內(nèi)及時(shí)釋放從而刺激成骨細(xì)胞的增長，來克服應(yīng)力不足引起的問題。改性用的聚電解質(zhì)溶液和力生長因子在體內(nèi)都可完全降解，生物相容性好。
【專利說明】基于力生長因子和鎂合金的復(fù)合骨修復(fù)材料及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于生物材料領(lǐng)域，特別涉及采用力生長因子對鎂合金進(jìn)行表面改性。

【背景技術(shù)】
[0002] 鎂合金作為一種擁有巨大潛力的植入材料，重量輕、密度小，有高強(qiáng)度/重量比； 彈性模量（45GPa)更接近于正常骨組織，可避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)對新生骨和塑性的影響；并 且能夠在體內(nèi)降解，可避免二次手術(shù)給患者帶來痛苦，其降解產(chǎn)物鎂離子是人體含量豐富 的陽離子，主要貯存于骨骼中，是多種酶的輔助因子，是核糖體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一；鎂離子還 能夠刺激骨折端硬骨痂的生成、誘導(dǎo)成骨，促進(jìn)骨折愈合，并刺激軟骨生成。這些特性使鎂 及其合金有可能成為理想的骨植入材料。然而鎂合金降解速率過快等問題導(dǎo)致鎂合金在植 入體內(nèi)后受傷骨組織愈合之前就會(huì)完全降解，從而不能起到良好的支撐作用。而力生長因 子是一種能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖，修復(fù)損傷的活性因子，所以用力生長因子對鎂合金進(jìn)行 表面改性能夠促進(jìn)損傷骨組織的快速愈合。同時(shí)，力生長因子具有生物活性，必須選用載體 攜帶負(fù)載在鎂合金表面，而載體又會(huì)在鎂合金表面形成保護(hù)膜，從而能抑制鎂合金的快速 降解。
[0003] 層層自組裝（layer-by-layer assembly, LBL)技術(shù)是基于電解質(zhì)陰陽離子說帶正 負(fù)電荷的相互作用，將帶相反電荷的聚電解質(zhì)交替組裝的超薄膜制備方法。該發(fā)明采用此 種技術(shù)實(shí)現(xiàn)對鎂合金的表面改性過程。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對鎂合金降解速率過快的問題，提供一種利用層層自組裝技術(shù) 制備負(fù)載在鎂合金表面力生長因子24肽（氨基酸序列如SEQ ID No. 1所示）的方法，從而 使鎂合金作為植入材料更好地發(fā)揮作用。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] 本發(fā)明的力生長因子表面改性鎂合金，是在鎂合金表面負(fù)載力生長因子。
[0007] 所述力生長因子為力生長因子24肽。
[0008] 本發(fā)明的力生長因子表面改性鎂合金制備方法，包括以下幾步：
[0009] (1)改性之前鎂合金需要使用砂紙打磨，去掉表面的氧化層。
[0010] (2)對鎂合金進(jìn)行預(yù)處理，一方面使使基體表面帶上負(fù)電荷以便聚電解質(zhì)和力生 長因子24肽的上載，另一方面會(huì)在基體表面覆蓋一層抗腐蝕的保護(hù)膜。預(yù)處理方法可以選 擇堿化處理和氟化處理。
[0011] (3)為使基體表面帶有一層穩(wěn)定的正電荷，將基體浸泡在聚乙烯亞胺溶液中，由于 鎂合金在液體環(huán)境中十分活潑，所以浸泡時(shí)間應(yīng)小于10分鐘。
[0012] (4)選擇帶不同電荷的電解質(zhì)材料作為載體，將鎂合金基體依次置于載體A-力生 長因子-載體A-載體B中。
[0013] 其中載體A為含有羧基官能團(tuán)的帶負(fù)電聚電解質(zhì)（包括海藻酸鈉，聚苯乙烯磺酸 鈉等），載體B為含有胺基官能團(tuán)的帶正電聚電解質(zhì)（包括殼聚糖，聚L賴氨酸溴化物等）， 并且載體A、B都具有生物相容性，在體內(nèi)可以完全降解，通過靜電作用，交替沉積在基體表 面。此上載過程重復(fù)進(jìn)行m次，每進(jìn)行1次算作一層，共負(fù)載m層力生長因子，力生長因子 的上載量和上載層數(shù)成正比。m優(yōu)選為20-40。
[0014] 步驟（2)所述的預(yù)處理方法進(jìn)一步優(yōu)選為：將鎂合金基體浸入60°C、4-6mol/L的 氫氧化鈉溶液中2小時(shí)，然后用去離子水清洗，之后再在60°C下干燥。
[0015] 步驟（3)優(yōu)選為將預(yù)處理后的鎂合金基體置于3-6g/L的聚乙烯亞胺溶液中10分 鐘，取出后用去離子水沖洗1分鐘。
[0016] 步驟（4)具體步驟優(yōu)選：本發(fā)明中用到的聚電解質(zhì)溶液可以選擇殼聚糖（CS)和海 藻酸鈉（ALG)，其中殼聚糖為帶正電的聚電解質(zhì)溶液，海藻酸鈉為帶負(fù)電的電解質(zhì)溶液。這 兩種物質(zhì)在體內(nèi)可以完全降解，一部分被身體吸收，另一部分可以順利排出體外。每完成一 次聚電解質(zhì)溶液的上載，需要用去離子水沖洗1分鐘，再進(jìn)行下一次聚電解質(zhì)的上載。同樣 是由于鎂合金在水中十分活潑，所以在沖洗干凈的前提下，水洗時(shí)間越短越好。
[0017] 由于鎂合金在聚電解質(zhì)溶液中十分活潑，會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，所以上述聚電解質(zhì) 溶液的上載需要借助勻膠機(jī)（型號(hào)可根據(jù)試樣尺寸選擇）進(jìn)行。
[0018] (a)將完成步驟⑶的鎂合金基體放置于勻膠機(jī)中，將2. 5g/L的殼聚糖溶液
[0019] 滴涂在基體上，水洗1分鐘。
[0020] (b)將0· 36g/L的力生長因子滴涂在基體上，水洗1分鐘。
[0021] (c)重復(fù)步驟（a)。
[0022] (d)將2g/L的殼聚糖滴涂在基體上，水洗1分鐘。
[0023] (e)以上四個(gè)步驟重復(fù)進(jìn)行m次。
[0024] 本發(fā)明方法中，根據(jù)常用的層層自組裝方法，選擇殼聚糖（CS)和海藻酸鈉（ALG) 做電解質(zhì)材料，兩者結(jié)構(gòu)如圖1，他們分子鏈上分別含有正電基團(tuán)（-NH3+)和負(fù)電基團(tuán) (-CO(T)。因?yàn)樵诰垡蚁﹣啺罚≒EI)溶液中浸泡后，基體表面帶正電荷，所以交替將海藻酸 鈉（ALG)、力生長因子24肽、海藻酸鈉（ALG)、殼聚糖（CS)通過靜電作用，負(fù)載在鎂合金基 體表面。
[0025] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0026] 同未改性的鎂合金相比，能夠刺激成骨細(xì)胞的增長，并且能夠降低鎂合金在體內(nèi) 的降解速率。本發(fā)明的改性鎂合金有望能克服骨組織修復(fù)或再生治療過程中應(yīng)力不足引起 的相關(guān)問題。鎂合金作為骨科移植材料，彈性模量還是略高于正常骨組織，會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng) 力遮擋效應(yīng)，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松，骨折延遲愈合，甚至不愈合，通過將力生長因子負(fù)載到鎂合金 表面，植入體內(nèi)及時(shí)釋放從而刺激成骨細(xì)胞的增長，來克服應(yīng)力不足引起的問題。并且改性 后的鎂合金生物相容性良好，改性用的聚電解質(zhì)溶液和力生長因子在體內(nèi)都可完全降解， 不會(huì)產(chǎn)生使身體產(chǎn)生排異反應(yīng)的物質(zhì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1殼聚糖（CS)和海藻酸鈉（ALG)的結(jié)構(gòu)式
[0028] A是殼聚糖的結(jié)構(gòu)示意圖，在水中會(huì)獲得質(zhì)子成為帶正電的聚電解質(zhì)。B是海藻酸 鈉的結(jié)構(gòu)示意圖，在水溶液中會(huì)電離成帶負(fù)電的聚電解質(zhì)。
[0029] 圖2力生長因子24肽改性鎂合金涂層㈧和三種純物質(zhì)（殼聚糖、海藻酸鈉、力 生長因子24肽）（B)的紅外光譜圖。
[0030] 圖3力生長因子24肽改性鎂合金表面的掃描電子顯微鏡圖
[0031] A是負(fù)載20層力生長因子24肽改性鎂合金的掃描電鏡圖。B是負(fù)載40層力生長 因子24肽改性鎂合金的掃描電鏡圖。
[0032] 圖4力生長因子24肽改性鎂合金表面的原子力顯微鏡圖，其中：
[0033] A是負(fù)載20層力生長因子24肽改性鎂合金的原子力顯微鏡的平面圖；
[0034] B是負(fù)載20層力生長因子24肽改性鎂合金的原子力顯微鏡的三維圖；
[0035] C是負(fù)載40層力生長因子24肽改性鎂合金的原子力顯微鏡的平面圖；
[0036] D是負(fù)載40層力生長因子24肽改性鎂合金的原子力顯微鏡的三維圖。

【具體實(shí)施方式】
[0037] 以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。在本發(fā)明中使用的力 生長因子24肽購自無錫邁默拓普生物科技有限公司。
[0038] 實(shí)施例1基于力生長因子（殼聚糖、海藻酸鈉做載體）改性鎂合金材料的制備（m =20)。
[0039] 1、預(yù)先準(zhǔn)備5mol/L氫氧化鈉溶液，5g/L的聚乙烯亞胺溶液，2g/L的殼聚糖聚電解 質(zhì)溶液，2. 5g/L的海藻酸鈉電解質(zhì)，0. 36g/L的力生長因子24肽溶液。由于購買的殼聚糖 難溶于水，易溶于醋酸溶液，所以先將3g/L的醋酸溶液稀釋為1 %，再加入殼聚糖粉末，最 終配置為2g/L的殼聚糖聚電解質(zhì)溶液。
[0040] 2、依次用400#、600#、1200#、1500#、2000#水磨砂紙對鎂合金基體表面進(jìn)行逐步 打磨，將打磨光滑后的基體用去離子水沖洗，隨后放入無水乙醇中超聲清洗10分鐘，自然 風(fēng)干。
[0041] 3、將清洗干凈的基體放入60°C、5mol/L的氫氧化鈉溶液中浸泡2小時(shí)，取出后用 去離子水清洗，再置于60°C干燥箱中干燥。
[0042] 4、將鎂合金基體置于配置好的聚乙烯亞胺溶液中10分鐘，取出后用去離子水沖 洗，自然風(fēng)干。
[0043] 5、將鎂合金基體放置于勻膠機(jī)上，調(diào)節(jié)勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，周期為lmin。 打開勻膠機(jī)，將一滴海藻酸鈉（ALG)滴涂在基體上，勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)1分鐘后停止；再次打開勻 膠機(jī)，將一滴去離子水滴涂在基體上，起到?jīng)_洗的作用，同樣勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)1分鐘后停止。之 后重復(fù)上述過程，需要把海藻酸鈉（ALG)換成力生長因子24肽、海藻酸鈉（ALG)、殼聚糖 (CS)。這樣，就完成了一層力生長因子24肽的沉積。
[0044] 6、重復(fù)步驟5的方法20次，實(shí)現(xiàn)在鎂合金基體表面負(fù)載20層力生長因子24肽的 制備。
[0045] 實(shí)施例2基于力生長因子（殼聚糖、海藻酸鈉做載體）改性鎂合金材料的制備（m =40)。
[0046] 1、預(yù)先準(zhǔn)備5mol/L氫氧化鈉溶液，5g/L的聚乙烯亞胺溶液，2g/L的殼聚糖聚電解 質(zhì)溶液，2. 5g/L的海藻酸鈉電解質(zhì)，0. 36g/L的力生長因子24肽溶液。由于購買的殼聚糖 難溶于水，易溶于醋酸溶液，所以先將3g/L的醋酸溶液稀釋為1 %，再加入殼聚糖粉末，最 終配置為2g/L的殼聚糖聚電解質(zhì)溶液。
[0047] 2、依次用400#、600#、1200#、1500#、2000#水磨砂紙對鎂合金基體表面進(jìn)行逐步 打磨，將打磨光滑后的基體用去離子水沖洗，隨后放入無水乙醇中超聲清洗10分鐘，自然 風(fēng)干。
[0048] 3、將清洗干凈的基體放入60°C、5mol/L的氫氧化鈉溶液中浸泡2小時(shí)，取出后用 去離子水清洗，再置于60°C干燥箱中干燥。
[0049] 4、將鎂合金基體置于配置好的聚乙烯亞胺溶液中10分鐘，取出后用去離子水沖 洗，自然風(fēng)干。
[0050] 5、將鎂合金基體放置于勻膠機(jī)上，調(diào)節(jié)勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，周期為lmin。 打開勻膠機(jī)，將一滴海藻酸鈉（ALG)滴涂在基體上，勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)1分鐘后停止；再次打開勻 膠機(jī)，將一滴去離子水滴涂在基體上，起到?jīng)_洗的作用，同樣勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)1分鐘后停止。之 后重復(fù)上述過程，需要把海藻酸鈉（ALG)換成力生長因子24肽、海藻酸鈉（ALG)、殼聚糖 (CS)。這樣，就完成了一層力生長因子24肽的沉積。
[0051] 6、重復(fù)步驟5的方法40次，實(shí)現(xiàn)在鎂合金基體表面負(fù)載40層力生長因子24肽的 制備。
[0052] 實(shí)施例3基于力生長因子（聚L賴氨酸溴化物、聚苯乙烯磺酸鈉做載體）改性鎂 合金材料的制備（m = 20)。
[0053] 1、預(yù)先準(zhǔn)備5mol/L氫氧化鈉溶液，5g/L的聚乙烯亞胺溶液，2. 5g/L的聚L賴氨酸 溴化物聚電解質(zhì)溶液，5g/L的聚苯乙烯磺酸鈉電解質(zhì)，0. 36g/L的力生長因子24肽溶液。
[0054] 2、依次用400#、600#、1200#、1500#、2000#水磨砂紙對鎂合金基體表面進(jìn)行逐步 打磨，將打磨光滑后的基體用去離子水沖洗，隨后放入無水乙醇中超聲清洗10分鐘，自然 風(fēng)干。
[0055] 3、將清洗干凈的基體放入60°C、5mol/L的氫氧化鈉溶液中浸泡2小時(shí)，取出后用 去離子水清洗，再置于60°C干燥箱中干燥。
[0056] 4、將鎂合金基體置于配置好的聚乙烯亞胺溶液中10分鐘，取出后用去離子水沖 洗，自然風(fēng)干。
[0057] 5、將鎂合金基體放置于勻膠機(jī)上，調(diào)節(jié)勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，周期為lmin。 打開勻膠機(jī)，將一滴聚苯乙烯磺酸鈉（PSS)滴涂在基體上，勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)1分鐘后停止；再次 打開勻膠機(jī)，將一滴去離子水滴涂在基體上，起到?jīng)_洗的作用，同樣勻膠機(jī)旋轉(zhuǎn)1分鐘后停 止。之后重復(fù)上述過程，需要把聚苯乙烯磺酸鈉（PSS)換成力生長因子24肽、聚苯乙烯磺 酸鈉（PSS)、聚L賴氨酸溴化物（PLL)。這樣，就完成了一層力生長因子24肽的沉積。
[0058] 6、重復(fù)步驟5的方法20次，實(shí)現(xiàn)在鎂合金基體表面負(fù)載20層力生長因子24肽的 制備。
[0059] 實(shí)施例4基于力生長因子改性鎂合金材料的定性鑒定。
[0060] 將制備了 20層力生長因子24肽負(fù)載的鎂合金表面的膜層掛下來進(jìn)行紅外光譜分 析（a)，與純物質(zhì)的殼聚糖（b)、海藻酸鈉（c)、力生長因子（d)紅外光譜圖比較可以看出，如 圖2所示，純物質(zhì)的力生長因子24肽中由于還有絡(luò)氨酸，從而含有苯環(huán)，會(huì)在1453處產(chǎn)生 波峰；海藻酸鈉是一種帶負(fù)電的聚電解質(zhì)，含有羧基，在1609、1418處產(chǎn)生非對稱和對稱的 伸縮振動(dòng)吸收峰；殼聚糖是一種帶穩(wěn)定正電荷的聚電解質(zhì)，含有伯胺，3443、1588處分別是 伯胺基的伸縮振動(dòng)和變振動(dòng)角吸收峰。在所刮下涂層的紅外光譜圖中，可以看到在1449處 產(chǎn)生波峰證明在涂層物質(zhì)中含有苯環(huán)，而只有力生長因子24肽中是含有苯環(huán)的，所以可以 證明力生長因子24肽負(fù)載在了鎂合金表面；而在1654和1590出產(chǎn)生的波峰是由于羧基和 氨基縮合為酰胺基引起的，從而證明海藻酸鈉和殼聚糖也負(fù)載在了鎂合金表面。
[0061] 將制備了 20和40層力生長因子24肽負(fù)載的鎂合金置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行 觀察，結(jié)果如圖3所示，可以看出負(fù)載20層力生長因子24肽的改性鎂合金表面形成了較均 勻的聚電解質(zhì)層，而在負(fù)載40層力生長因子24肽的改性鎂合金表面聚電解質(zhì)層更加光滑。
[0062] 將制備了 20層和40層力生長因子24肽負(fù)載的鎂合金置于原子力顯微鏡下進(jìn)行 觀察，結(jié)果如圖4所示。負(fù)載20層力生長因子24肽的改性鎂合金表面粗糙度（RMS)值為 251，負(fù)載40層力生長因子24肽的改性鎂合金表面RMS值為165,負(fù)載40層力生長因子24 肽的改性鎂合金表面島狀物明顯減少，表面更加光滑，從而生物相容性更加好。
【權(quán)利要求】
1. 一種力生長因子表面改性鎂合金，其特征是在鎂合金表面負(fù)載力生長因子。
2. 如權(quán)利要求1所述的合金，其特征是所述力生長因子為力生長因子24肽。
3. 權(quán)利要求1或2的力生長因子表面改性鎂合金制備方法，其特征是包括以下幾步： (1) 鎂合金基體去掉表面的氧化層； (2) 將步驟（1)鎂合金基體表面帶有一層穩(wěn)定的正電荷； (3) 選擇帶不同電荷的電解質(zhì)材料作為載體，將鎂合金基體依次置于載體A-力生長因 子-載體A-載體B中；其中載體A為含有羧基官能團(tuán)的帶負(fù)電聚電解質(zhì)，載體B為含有胺 基官能團(tuán)的帶正電聚電解質(zhì)，并且載體A、載體B都具有生物相容性，在體內(nèi)完全降解，通過 靜電作用，交替沉積在基體表面。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征是載體A-力生長因子-載體A-載體B為一層組 裝，上載過程重復(fù)進(jìn)行m次，負(fù)載m層力生長因子，力生長因子的上載量和上載層數(shù)成正比。
5. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征是所述m為20-40次。
6. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征是所述步驟（1)所述的預(yù)處理方法為：將鎂合金 基體浸入60°C、4-6mol/L的氫氧化鈉溶液中2小時(shí)，然后用去離子水清洗，再在60°C下干 燥。
7. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征是所述步驟（2)將預(yù)處理后的鎂合金基體置于 3_6g/L的聚乙烯亞胺溶液中10分鐘，取出后用去離子水沖洗。
8. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征是所述步驟（3)電解質(zhì)材料為殼聚糖（CS)和海藻 酸鈉（ALG)，其中殼聚糖為帶正電的聚電解質(zhì)溶液，海藻酸鈉為帶負(fù)電的電解質(zhì)溶液。
9. 力生長因子表面改性鎂合金作為骨科植入材料的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】A61L27/04GK104225686SQ201410520287
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月30日
【發(fā)明者】高紅, 趙津, 陳旭 申請人:天津大學(xué)