一种生物功能化的碳/碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于生物医学领域，具体涉及一种碳/碳复合材料表面生物功能化修饰方法。利用化学修饰方法使碳/碳复合材料获得复合临床使用要求的表面修饰层，并且通过接枝共聚技术将血管内皮生长因子固定于碳/碳复合材料表面。采用自由基取代和偶联接枝的方法实现碳/碳复合材料基体表面多糖分子和血管内皮生长因子的固定化，通过构建与碳/碳复合材料基体具有化学键合特征的表面生物功能化修饰层，提高碳/碳复合材料人工骨材料的骨整合性能，赋予其良好的骨组织相容性；采用抑菌分子基团和具有调控骨细胞分化增殖的血管内皮生长因子进行碳/碳复合材料表面生物功能化修饰可以克服现有碳/碳复合材料基人工骨长期骨整合效果不佳的问题，可以满足临床应用。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于生物医学领域，具体涉及一种碳/碳复合材料表面生物功能化修饰方法。利用化学修饰方法使碳/碳复合材料获得复合临床使用要求的表面修饰层，并且通过接枝共聚技术将血管内皮生长因子固定于碳/碳复合材料表面。
技术介绍
：碳/碳复合材料继承了碳材料固有的生物惰性特征，能够满足对人工骨材料生物相容性的基本要求。与传统的医用金属和生物陶瓷材料相比，其弹性模量与人体骨组织更为接近，肌体组织对其力学适应性好，因而更加符合现代骨科治疗的生物学固定原则。同时，该材料在体内环境中具有长期稳定、耐腐蚀、强度高、耐疲劳、韧性好，可通过结构设计调整材料的性能以满足特定要求等显著优点。但是，其被植入人体后，由于材料表面缺乏生物活性，骨缺损修复呈现纤维组织膜内化成骨的改建模式，新生骨结构主要由纤维组织延钙化形成。这就容易出现术后种植体表面骨接触百分比不足，无法形成有效的骨性结合的现象，即骨整合缺陷。同时，未经处理的碳/碳复合材料表面是疏水性的，容易受到细菌感染，致使术后修复不稳定。为了解决这两大问题，研究者们分别采用了反应烧结、表面等离子体喷涂与生物活性膜沉积等多种技术手段提高碳/碳复合材料的骨组织相容性。本专利申请人也曾采用等离子体喷涂羟基磷灰石技术、等离子体化学气相沉积类金刚石薄膜、浸渍烧结碳化硅薄膜等方法尝试对医用碳/碳复合材料进行表面改性和相关生物学性能评价。上述方案制备的涂层或薄膜材料虽然起到了防止碳/碳复合材料表面游离碳颗粒脱落和改善生物活性的作用，但均存在界面结合强度不足和生物降解速率过慢等临床应用问题，因而未能真正赋予人工骨材料加速骨整合速度和抗感染的生物功能。本专利技术利用化学共聚接枝技术在不改变材料整体结构性能可以安全使用的同时，获得与碳/碳复合材料基体具有化学键结合特征的生物活性改性层，从而克服了传统人工骨表面改性技术存在的改性层/基体界面结合强度不足、改性层化学不均匀性、生物功能单一等技术缺陷，具有十分重要的经济效益和工程应用价值。基于上述原因，专利技术设计一种新的碳/碳复合材料表面生物功能化的修饰方法显得尤为必要。
技术实现思路
：本专利技术的目的为，提供一种新的碳/碳复合材料表面生物功能化的修饰方法。利用该方法得到的碳/碳复合材料在保留原有生物力学性能优势的前提下，显著提高了材料的骨组织相容性。改性层与基体为化学键结合，界面强度高。该制备方法相对于传统生物涂层制备方法具有设备工艺简单的突出优势。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种生物功能化的碳/碳复合材料，以碳/碳复合材料为基体，在基体表面接枝有抑菌功能化基团和血管内皮生长因子；所述的抑菌功能化基团选自羧甲基壳聚糖或透明质酸。制备生物功能化的碳/碳复合材料的方法，制备方法如下：首先对碳/碳复合材料基体进行预处理；在预处理后的碳/碳复合材料基体表面，修饰单层的抑菌功能化基团；再在抑菌功能化基团修饰的碳/碳复合材料基体表面，通过接枝共聚技术将血管内皮生长因子固定于碳/碳复合材料基体表面，即得到生物功能化的碳/碳复合材料；所述的抑菌功能化基团选自羧甲基壳聚糖或透明质酸。所述的制备生物功能化的碳/碳复合材料的方法，所述的碳/碳复合材料基体预处理包括碳/碳复合材料基体石墨化处理和等离子辉光表面处理两步；具体步骤如下：1)碳/碳复合材料基体石墨化处理将碳/碳复合材料基体加工成规格为的样品，经表面抛光后，将样品依次置于二氯甲烷、丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声波清洗10分钟，再在Ar保护气氛中进行2400℃×2h的退火处理，即得到石墨化处理后的碳/碳复合材料基体；碳/碳复合材料石墨化处理是为了保证碳/碳复合材料基体表面化学结构和组织成分的均匀性。2)等离子辉光表面处理采用射频等离子气相反应炉对步骤1)所得到的石墨化处理后的碳/碳复合材料基体表面进行“冲洗”，得到预处理的碳/碳复合材料基体。等离子辉光表面处理的目的是为了提高基体材料表面的化学结构均一性。一次开展材料高温石墨化处理、超声波清洗和等离子辉光表面预处理，从而获得具有sp2型石墨碳为主要组成的表面网格结构。所述的修饰单层的抑菌功能化基团，具体步骤如下：1)碳/碳复合材料基体表面羟基终端修饰将预处理的碳/碳复合材料基体置于70％异丙醇中超声清洗30分钟之后，将碳/碳复合材料基体放入Piranha酸中浸泡15分钟，取出后用去离子水超声清洗并用氮气吹干，即得到碳/碳复合材料基体表面C-OH终端的修饰体；所述的Piranha酸为体积比为7：3的浓硫酸/双氧水混合液；在碳/碳复合材料表面修饰引入羟基活性基团，进而导入羧甲基壳聚糖或透明质酸两种具有抑菌功能的生物分子基团；2)修饰抑菌功能化基团将抑菌功能化基团固定于步骤1)制备的碳/碳复合材料基体表面C-OH终端的修饰体的表面，即得到抑菌功能化基团修饰的碳/碳复合材料基体。所述的通过接枝共聚技术将血管内皮生长因子固定于碳/碳复合材料基体表面，具体步骤如下：经抑菌基团修饰的碳/碳复合材料基体浸于含有质量分数为1-5％的1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳酰二亚胺盐酸盐和质量分数为0.5-1％的N-羟基丁二酰亚胺的磷酸盐缓冲液中，浸泡30min，以活化接枝点；再将样品置于含有兔血管内皮生长因子的磷酸盐缓冲液中室温浸泡1小时，最后进行磷酸盐缓冲液冲洗和空气自然干燥，即得到生物功能化的碳碳复合材料。所述的修饰抑菌功能化基团的具体步骤如下：将碳/碳复合材料基体表面C-OH终端的修饰体，完全浸泡于5mg/ml的透明质酸水溶液中，于室温下，浸泡24小时，经去离子水清洗和氮气吹干后获得碳/碳复合材料-透明质酸样品。碳/碳复合材料基体表面的羟基与透明质酸的羧基发生缩聚，从而将透明质酸接枝到碳/碳复合材料基体表面。所述的修饰抑菌功能化基团的具体步骤如下：将碳/碳复合材料基体表面C-OH终端的修饰体，置于浓度1mg/ml的多巴胺溶液中室温浸泡24小时，经去超声清洗、真空干燥后；再将产物置于羧甲基壳聚糖浓度为5mg/ml，硫酸铵用量为0.5g/L的溶液中，于室温下浸泡24h，经去超声清洗、真空干燥后，即得到碳/碳复合材料-羧甲基壳聚糖样品，将材料置于4℃恒温冰箱中。碳/碳复合材料基体表面的羟基先与多巴胺的羟基缩合成醚，从而将多巴胺接枝到碳/碳复合材料基体表面，反应原理如图3所示；然后，多巴胺上的氨基与羧甲基壳聚糖分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物功能化的碳/碳复合材料，其特征在于，以碳/碳复合材料为基体，在基体表面接枝有抑菌功能化基团和血管内皮生长因子；所述的抑菌功能化基团选自羧甲基壳聚糖或透明质酸。

【技术特征摘要】
1.一种生物功能化的碳/碳复合材料，其特征在于，以碳/碳复合材料为基体，在基体表
面接枝有抑菌功能化基团和血管内皮生长因子；
所述的抑菌功能化基团选自羧甲基壳聚糖或透明质酸。
2.制备如权利要求1所述的生物功能化的碳/碳复合材料的方法，其特征在于，制备方法
如下：
首先对碳/碳复合材料基体进行预处理；在预处理后的碳/碳复合材料基体表面，修饰单层
的抑菌功能化基团；再在抑菌功能化基团修饰的碳/碳复合材料基体表面，通过接枝共聚技术
将血管内皮生长因子固定于碳/碳复合材料基体表面，即得到生物功能化的碳/碳复合材料；
所述的抑菌功能化基团选自羧甲基壳聚糖或透明质酸。
3.如权利要求2所述的制备生物功能化的碳/碳复合材料的方法，其特征在于，
所述的碳/碳复合材料基体预处理包括碳/碳复合材料基体石墨化处理和等离子辉光表面
处理两步；具体步骤如下：
1)碳/碳复合材料基体石墨化处理
将碳/碳复合材料基体加工成规格为的样品，经表面抛光后，将样品依次
置于二氯甲烷、丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声波清洗10分钟，再在Ar保护气氛中进
行2400℃×2h的退火处理，即得到石墨化处理后的碳/碳复合材料基体；
2)等离子辉光表面处理
采用射频等离子气相反应炉对步骤1)所得到的石墨化处理后的碳/碳复合材料基体表面
进行“冲洗”，得到预处理的碳/碳复合材料基体。
4.如权利要求2或3所述的制备生物功能化的碳/碳复合材料的方法，其特征在于，
所述的修饰单层的抑菌功能化基团，具体步骤如下：
1)碳/碳复合材料基体表面羟基终端修饰
将预处理的碳/碳复合材料基体置于70％异丙醇中超声清洗30分钟之后，将碳/碳复合材料
基体放入Piranha酸中浸泡15分钟，取出后用去离子水超声清洗并用氮气吹干，即得到碳/
碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宁，王勇，张园，杨柏，吕倩，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37