金属材料表面共价接枝生物分子的方法及其产品和用途技术

本发明专利技术公开了一种金属材料表面共价接枝生物分子的方法。首先在金属植入材料表面构建类金刚石薄膜，然后对薄膜进行活化，进而将材料浸入到含有促成骨功能的生物分子溶液中，即可将生物分子共价接枝在金属植入材料表面。另一方面，本发明专利技术技术操作简便，工艺简单，反应条件温和，可在常温下进行，效率高，成本低，可重复性好，后续清洗程序简单，并且不使用硅烷偶联剂及交联剂，不存在试剂残留风险，有利于工业化生产。因此，根据本发明专利技术的方法制备的产品在医用植入材料领域具有很高的应用前景。

Methods of covalent grafting of biomolecules on the surface of metal materials and their products and uses

The invention discloses a method of covalently grafting biomolecules on the surface of a metal material. First, the diamond-like carbon films are deposited on the surface of metal implanted materials, then activated the films, and then immerse the materials into biomolecular solutions containing bone function, which can graft the biomolecules onto the surface of metal implants. On the other hand, the technology of the invention has the advantages of simple operation, simple process, mild reaction conditions, can be carried out at room temperature, high efficiency, low cost, good repeatability, subsequent cleaning procedure is simple, without the use of silane coupling agent and crosslinking agent, there is no reagent residue risk, suitable for industrial production. Therefore, the product prepared according to the method of the invention has a very high application prospect in the field of medical implant materials.

【技术实现步骤摘要】
金属材料表面共价接枝生物分子的方法及其产品和用途
本专利技术涉及医用金属材料的改性，具体涉及一种金属材料表面共价接枝生物分子的方法及其产品和用途。
技术介绍
金属骨科植入材料因其良好的机械性能、耐蚀性以及优良的生物相容性，已在临床上广泛应用于人工关节、人工骨和牙科种植体等人体硬组织的修复、替代与再生。植入体内的金属材料与机体骨组织在界面处良好的骨性结合是保证力学载荷稳定传递的前提，因此也是保证植入物长期、稳固地在人体行使功能的必要条件。虽然大多数金属植入材料都具有良好的生物相容性，但在体内仍表现为生物惰性而缺乏骨传导性和骨诱导能力，在人体内不能快速、有效地与骨组织形成牢固的骨性结合。由于金属植入材料的生物学性能主要由其表面的物化性质所决定，对其进行表面改性可以在材料自身优点不受影响的前提下提高其生物学性能。在众多表面改性方法中，对金属植入材料进行仿生化修饰，即将具有生物活性的大分子如蛋白质、多糖、多肽、细胞生长因子等，通过共价接枝的方式负载在材料表面，能够使其表面形成一个能与机体环境特异性相互作用的稳定的生物化过渡层，以进一步提高材料的生物学性能或者赋予其特殊的生物学功能[XiaoM,ChenYM,BiaoMN,etal.Bio-functionalizationofbiomedicalmetals.MaterialsScienceandEngineering:C,2017,70:1057-1070]。因此，对金属植入材料进行仿生化修饰以提高其生物活性，使其与骨组织界面更快更好地进行骨整合，能够提高植入成功率，保证植入材料的使用效果及寿命。通过对金属骨科植入材料进行表面仿生化修饰能够大大提高其生物学性能或者赋予其特殊的生物学功能。以往在金属材料表面想实现生物分子的接枝，一般通过硅烷偶联剂以化学交联(chemicalcrosslinking)的方式进行。然而硅烷偶联剂的使用不但存在化学试剂残留的风险，其本身带有的活性基团多含有氯、硅等元素和基团，会向材料表面过量引入元素和基团，植入体内后对人体造成伤害。另外，这种湿法化学交联技术很难同时在表面接枝多种生物活性分子，而顺序接枝多种生物分子又会使接枝过程极端繁琐甚至难以实现。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种简单可行的在金属植入材料表面进行仿生化修饰的方法。本专利技术提供的改性方法在无需使用化学交联剂的情况下，仅需浸泡在含有生物分子的溶液中孵育一段时间，即可实现将具有生物活性的大分子共价接枝负载在金属植入材料表面，实现其仿生化表面修饰。具体而言，本专利技术的目的在于提供一种基于乙炔(C2H2)气体等离子体浸没离子注入(Plasmaimmersionionimplantation，简称PIII)的处理方法，在医用金属植入材料表面构建类金刚石(Diamond-likeCarbon，简称DLC)薄膜并进一步通过气体PIII处理引入活性自由基，进而实现生物活性分子的共价接枝改性。本专利技术首先通过C2H2气体PIII在金属材料表面获得厚度为百微米的渐变过渡DLC薄膜，再通过气体PIII改性活化DLC薄膜表层，然后通过将改性后的表面浸入含有促成骨功能的生物分子溶液中并孵育一段时间以充分反应，即可将溶液中的生物分子共价接枝负载在材料表面，从而实现金属材料表面的生物分子修饰，并达到促成骨的功效。因此，本专利技术的技术方案可分为三步：1.在金属植入材料表面构建类金刚石薄膜；2.利用等离子体浸没离子注入技术活化类金刚石薄膜；3.在含有生物分子溶液中的孵育以共价接枝生物分子。金属植入材料表面类金刚石涂层的构建金属植入材料表面类金刚石涂层的构建是通过乙炔气体等离子体浸没离子注入技术实现的。其工艺参数包括：本底真空度为0.01～0.6Pa，占空比为0.2％～0.5％，含乙炔气体的引入流量为10～200sccm(StandardCubicCentimeterperMinute，标准状态毫升/分)，样品盘所加负偏压为5～30kV，注入脉宽为20～100微秒，注入脉冲频率为50～200Hz，产生等离子体的射频功率为100～300W，注入时间为30～180分钟。优选地，通过等离子体浸没离子注入技术注入乙炔的工艺参数中的注入频率为80～120Hz；含乙炔气体的引入流量为20～100sccm。通过等离子体浸没离子注入技术注入乙炔的工艺参数包括：本底真空度为0.3Pa，注入负偏压为12kV，注入脉宽为50微秒，注入脉冲频率为100Hz，射频功率为200W，注入时间为120分钟。所述金属材料选自不锈钢、钴及其合金、钛及其合金、镍及其合金、镁及其合金。根据该方法得到的类金刚石涂层的厚度为10-500微米，优选50-500微米。类金刚石涂层的活化在构建类金刚石涂层以后，利用气体等离子体浸没离子注入技术可以在类金刚石薄膜表层引入活性基团，即活化，为后续生物分子的接枝提供可能。气体等离子体浸没离子注入处理可以利用氩气、氮气、氨气、氧气等气体。气体等离子体浸没离子注入所使用的工艺参数包括：本底真空度为1×10-3～9×10-2Pa，气体引入流量为10～100sccm，样品盘所加负偏压为5～30kV，注入脉宽为20～200微秒，注入脉冲频率为50～500Hz，射频功率为100～1000W，注入时间为30～180分钟。优选地，本底真空度为1×10-3～9×10-3Pa，气体引入流量为20～80sccm，样品盘所加负偏压为10～30kV。含有生物分子溶液中的孵育将以上经过两步PIII处理的试样浸入含有促成骨功能的生物分子溶液中并孵育一段时间，即可将溶液中含有的生物分子共价接枝在材料表面。生物分子的溶液为能够使生物分子保持活性的缓冲液体系，比如磷酸盐缓冲液(PhosphateBufferedSolution，简称PBS)或生理盐水等；在含有生物分子的溶液中孵育的温度和时间需保证孵育期间生物分子能够保持生物活性，比如在含有生物分子的溶液中于4℃条件下保存12小时以上。所述能够促进成骨功能的生物分子选自RGD多肽、骨钙素、骨钙蛋白、骨形态发生蛋白、成骨生长肽；优选骨形态发生蛋白-2。所述生物分子的溶液的pH值在6.5-8.5之间，优选7.4。并且本领域技术人员可以理解，可以通过在相应生物分子的共混合溶液中孵育一段时间来实现同时负载两种及以上的生物分子；也可以通过本专利技术的方法在金属材料的不同部位接枝不同的生物分子以实现材料的多功能化。本专利技术的另一方面进一步涉及了根据上述方法制备得到的表面共价接枝生物分子的金属材料。所述金属材料具有三层结构，底层为金属材料层，其表面涂覆有一层类金刚石薄膜，该薄膜的的厚度为10-500微米，优选50-500微米。以及所述金刚石薄膜的外表面以共价连接的方式连接生物分子；所述生物分子优选前述具有促成骨功能的生物分子。本专利技术的有益效果本专利技术采用两步气体等离子体浸没离子注入技术处理金属骨科植入材料，在无需使用化学交联剂的情况下即可实现将具有促成骨功能的生物活性分子共价接枝负载在材料表面，实现其表面仿生化修饰。与现有技术相比，本专利技术具备以下优点：1.以往金属材料表面想实现接枝，只能通过硅烷偶联剂实现，而硅烷偶联剂在使用过程中需要通过化学交联的方式连接到金属材料表面，存在化学试剂残留的风险。另外，硅烷偶联剂本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属材料表面共价接枝生物分子的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)采用气体等离子体浸没离子注入法(PIII)通过含乙炔的气体在金属材料表面涂覆类金刚石(DLC)薄膜；2)采用PIII在DLC薄膜表层引入活性基团；3)将处理过的金属材料在含有生物分子的溶液中进行孵育；所述生物分子选自具有促成骨功能的生物分子。

【技术特征摘要】
1.一种金属材料表面共价接枝生物分子的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)采用气体等离子体浸没离子注入法(PIII)通过含乙炔的气体在金属材料表面涂覆类金刚石(DLC)薄膜；2)采用PIII在DLC薄膜表层引入活性基团；3)将处理过的金属材料在含有生物分子的溶液中进行孵育；所述生物分子选自具有促成骨功能的生物分子。2.根据权利要求1所述的一种金属材料表面共价接枝生物分子的方法，其特征在于，所述生物分子选自RGD多肽、骨钙素、骨钙蛋白、骨形态发生蛋白、成骨生长肽。3.根据权利要求2所述的一种金属材料表面共价接枝生物分子的方法，其特征在于，所述具有成骨促进功能的活性生物分子优选骨形态发生蛋白-2。4.根据权利要求1所述的一种金属材料表面共价接枝生物分子的方法，其特征在于，所述步骤2)中PIII所使用的气体选自氩气、氮气、氨气、氧气、氢气。5.根据权利要求1或4所述的一种金属材料表面共价接枝生物分子的方法，其特征在于，所述步骤1)中在金属材料表面涂覆DLC薄膜的方法工艺包括：本底真空度为0.01～0.6Pa，占空比为0.2％～0.5％，含乙炔气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：王怀雨，童丽萍，高昂，朱剑豪，
申请(专利权)人：深圳市创新维度科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44