阅读说明：本技术 一种可降解镁合金表面包含金属有机框架mof和聚己内酯pcl复合涂层的制备方法 (Preparation method of composite coating containing metal organic framework MOF and polycaprolactone PCL on surface of degradable magnesium alloy ) 是由 刘想梅 郑祺瑶 吴水林 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种可降解镁合金表面包含金属有机框架MOF和聚己内酯PCL复合涂层的制备方法,包括以下步骤：(1)镁合金机械抛光处理,(2)制备叶酸修饰的MOF粉末,(3)制备PCL-MOF复合涂层。本发明将叶酸修饰的HKUST-1(MOF-FA)与PCL溶液混合,并将混合溶液滴加于AZ31镁合金表面形成复合涂层(PCL-MOF)。在该涂层中,MOF可以和PCL之间形成氢键,以提高PCL的致密性,达到延缓镁合金腐蚀的效果。同时MOF-FA也可以作为铜离子的载体,在涂层降解的过程中缓慢释放铜离子,来促进成骨细胞的增殖和分化。(The invention provides a preparation method of a composite coating containing metal organic framework MOF and polycaprolactone PCL on the surface of a degradable magnesium alloy, which comprises the following steps: (1) mechanical polishing treatment of magnesium alloy, (2) preparation of folic acid modified MOF powder, and (3) preparation of PCL-MOF composite coating. The invention mixes folic acid modified HKUST-1(MOF-FA) with PCL solution, and drops the mixed solution on the surface of AZ31 magnesium alloy to form composite coating (PCL-MOF). In the coating, the MOF can form hydrogen bonds with the PCL so as to improve the compactness of the PCL and achieve the effect of delaying corrosion of the magnesium alloy. Meanwhile, MOF-FA can also be used as a carrier of copper ions, and the copper ions are slowly released in the coating degradation process to promote the proliferation and differentiation of osteoblasts.)

一种可降解镁合金表面包含金属有机框架MOF和聚己内酯PCL 复合涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及金属有机框架材料，聚合物涂层，生物可降解金属材料技术领域，具体的说是一种可降解镁合金表面包含金属有机框架MOF和聚己内酯PCL复合涂层的制备方法。

背景技术

由于其合适的力学性能和特殊生物学功能，镁(Mg)及其合金在生物材料领域表现出了极大的潜能，在骨科植入物和心血管支架方面都具有良好的前景。与其他骨科植入物材料相比，镁合金的生物可降解能力具有明显的优越性，因为在愈合的过程中，植入的镁合金可以在组织重新形成的同时缓慢降解，并且提供足够的力学性能，因此可以避免第二次移除手术。此外，镁元素作为人体内的一种必要元素，它几乎参与了所有的新陈代谢通路。大约60％的镁储存在骨基质中，它也可以帮助骨的愈合。但是在水溶液中镁极易失去电子形成阳离子，因此镁合金极易腐蚀，而且腐蚀速率不可控。镁合金的腐蚀会引起材料力学性能的过早丧失、局部pH的升高和大量氢气的生成，这会对成骨能力造成影响。因此，控制镁合金的降解速度对于发展镁合金在生物医疗材料方面的应用是非常重要的。

在镁合金的表面改性方法中，涂覆聚合物是一种常见的方法，其中聚己内酯(PCL)因为其独特的性能而受到广泛的关注。PCL具有极好的生物相容性，已经被食品和药物管理局批准，而且它是生物可降解聚酯。在体内环境中，聚己内酯可以被吞噬体水解，其唯一的代谢物是6-羟基己酸。此外，PCL可以提高骨和植入体的结合力，并且阻止基体释放气体，它的结晶性也可以为基体提供良好的抗腐蚀能力。然而有实验表明覆有PCL涂层的镁合金在72小时的浸泡后会失去其大约23％的重量，无法满足更长时间降解的需求。此外，PCL也需要进一步提高它的骨传导能力。

近年来，金属有机框架(MOF)吸引了广泛的关注。MOF由金属结点和有机配体构成，它具有多孔性和结晶性。此外，一些MOF具有良好的生物安全性和生物活性，已经被应用于生物材料领域，比如药物装载、抗癌、抗菌和伤口愈合等领域。HKUST-1是MOF材料的一种，它由铜结点和均苯三甲酸有机配体组成。在HKUST-1水解的过程中，它作为铜离子的载体可以缓慢释放铜离子，而铜离子被证明可以提高成骨细胞的增殖和分化。然而HKUST-1中含有较多的羧基，水分子很容易进入它的孔中破坏其结构。因此有研究表明可以利用叶酸来修饰HKUST-1以提高它的水稳定性。

发明内容

针对这种情况，本发明提供了一种可降解镁合金表面包含金属有机框架MOF和聚己内酯PCL复合涂层的制备方法，将叶酸修饰的HKUST-1(MOF-FA)与PCL溶液混合，并将混合溶液滴加于AZ31镁合金表面形成复合涂层(PCL-MOF)。在该涂层中，MOF可以和PCL之间形成氢键，以提高PCL的致密性，达到延缓镁合金腐蚀的效果。同时MOF-FA也可以作为铜离子的载体，在涂层降解的过程中缓慢释放铜离子，来促进成骨细胞的增殖和分化。

可有效解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：一种可降解镁合金表面包含金属有机框架MOF和聚己内酯PCL复合涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)镁合金机械抛光处理

在抛光机上用2400目砂纸打磨AZ31镁合金，将抛光后的AZ31镁合金置于无水乙醇中超声清洗14-16分钟，室温下自然干燥，备用；

2)制备叶酸修饰的MOF粉末

将35-40mL叶酸溶于二甲亚砜得到叶酸溶液，将所述叶酸溶液与0.5-1mL均苯三甲酸的乙醇溶液搅拌混合，加入30-35mL乙醇，然后逐滴加入0.5-2mL一水合醋酸铜水溶液，并在300rpm条件下搅拌反应40分钟得混合溶液，将所述混合溶液用离心机在8000rpm转速下离心2分钟，然后用二甲亚砜、无水乙醇、去离子水混合溶剂清洗三次，最后用无水乙醇清洗三次，置于真空干燥箱中干燥，得到粉末MOF-FA；

3)制备PCL-MOF复合涂层

将步骤2)所得MOF-FA粉末加入二氯甲烷溶剂，超声分散20分钟后，将该溶液与PCL的二氯甲烷溶液混合，得到均匀的PCL-MOF溶液，将所述PCL-MOF溶液滴加于步骤1)所得的镁合金的表面，然后置于烘箱中干燥，待完全干燥后，再次滴加所述PCL-MOF溶液于该镁合金表面并干燥处理，得到样品Mg-PCL-MOF。

优选的，步骤2)中所述叶酸浓度为1-2mmol/L，所述均苯三甲酸的乙醇溶液浓度为250-300mol/L，所述乙醇体积分数为50％，所述一水合醋酸铜水溶液浓度为350-400mol/L。

优选的，步骤2)中所述混合溶剂体积比为二甲亚砜2：无水乙醇1：去离子水1。

优选的，步骤3)中所述PCL-MOF混合溶液中MOF和PCL的最终浓度分别为0.5wt％和6wt％。

优选的，步骤3)中每次滴加所述PCL-MOF溶液的体积为50μL。

优选的，步骤3)中所述烘箱干燥温度为37℃。

本发明所具有的有益效果为：

(1)本发明使用MOF和PCL混合的溶液在AZ31镁合金表面制备复合涂层，MOF可以通过氢键与PCL连接，因而具有良好的致密性，可以为AZ31镁合金提供长期的抗腐蚀能力。

(2)本发明中叶酸修饰的HKUST-1随着涂层的降解而水解，释放出铜离子，可以促进成骨细胞的增殖和分化。

(3)本发明的制备方法简单易行，实施难度小，设备投入少。

附图说明

下图均以实施例3作为对象，且对照组为抛光AZ31镁合金和Mg-PCL(即在AZ31镁合金表面滴加两次PCL溶液所得的聚合物涂层)进行的表征图：

图1为实施例3的步骤2)中获得的MOF-FA粉末以及作为对照的实施例4中获得的HKUST-1粉末的X射线衍射(XRD)图谱；

图2为图1中产品的X射线光电子能谱(XPS)；

图3为实施例3的步骤3)中获得的Mg-PCL-MOF样品、以及作为对照的抛光AZ31镁合金和Mg-PCL样品的X射线衍射(XRD)图谱；

图4为AZ31镁合金、Mg-PCL样品和Mg-PCL-MOF样品的微观形貌以及其元素分析图谱；

图5为AZ31镁合金、Mg-PCL样品和Mg-PCL-MOF样品的极化曲线；

图6为AZ31镁合金、Mg-PCL样品和Mg-PCL-MOF样品的电化学阻抗能奎斯特图谱，表明了产物的电化学阻抗大小；

图7、图8、图9分别为AZ31镁合金、Mg-PCL样品和Mg-PCL-MOF样品在长期浸泡中的pH变化和镁离子和铜离子释放的情况；

图10图11分别为细胞毒性测试和碱性磷酸酶活性测试，分别表示AZ31镁合金、Mg-PCL、Mg-PCL-MOF的细胞存活率以及促进细胞分化的效果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明具体实施例如下：

实施例1：

步骤一，镁合金机械抛光处理

在抛光机上用2400目砂纸打磨AZ31镁合金，直至表面光滑，呈现镜面光泽。将抛光AZ31镁合金置于无水乙醇中超声清洗15分钟，室温下自然干燥，备用；

实施例2：

步骤一，镁合金机械抛光处理

在抛光机上用2400目砂纸打磨AZ31镁合金，直至表面光滑，呈现镜面光泽。将抛光AZ31镁合金置于无水乙醇中超声清洗15分钟，室温下自然干燥，备用；

步骤二，制备PCL涂层，具体步骤为：

1)将PCL溶于二氯甲烷得到浓度为6wt％的溶液

2)将上述溶液滴加于步骤一所得的镁合金的表面，置于37℃烘箱中干燥，待完全干燥后，再次滴加PCL溶液于该镁合金表面并干燥处理，得到样品Mg-PCL。每次滴加溶液的体积为50μL。

实施例3：

步骤一，镁合金机械抛光处理

在抛光机上用2400目砂纸打磨AZ31镁合金，直至表面光滑，呈现镜面光泽。将抛光AZ31镁合金置于无水乙醇中超声清洗15分钟，室温下自然干燥，备用；

步骤二，制备叶酸修饰的MOF粉末，具体步骤为：

1)将36mL叶酸溶于二甲亚砜中得到的溶液(浓度为1.64mmol/L)，与0.8mL均苯三甲酸的乙醇溶液(浓度为260mol/L)搅拌混合，在上述溶液中加入34mL的50％乙醇，并逐滴加入1mL一水合醋酸铜水溶液(浓度为375mol/L)。将转速调整至300rpm，搅拌反应40分钟。

2)将所得溶液用离心机在8000rpm转速下离心2分钟，然后用二甲亚砜、无水乙醇、去离子水混合溶剂(体积比为2:1:1)清洗三次，最后用无水乙醇清洗三次，置于真空干燥箱中干燥，得到粉末MOF-FA。

步骤三，制备PCL-MOF复合涂层，具体步骤为：

1)将以上合成的MOF-FA粉末加入二氯甲烷溶剂，超声分散20分钟，并将该溶液与PCL的二氯甲烷溶液混合，得到均匀的PCL-MOF溶液。混合溶液中MOF和PCL的最终浓度分别为0.5wt％和6wt％。

2)将上述混合溶液滴加于步骤一所得的镁合金的表面，置于37℃烘箱中干燥，待完全干燥后，再次滴加PCL-MOF溶液于该镁合金表面并干燥处理，得到样品Mg-PCL-MOF。每次滴加溶液的体积为50μL。

实施例4

步骤一，制备MOF(HKUST-1)粉末

其具体步骤为：将一水合醋酸铜水溶液(浓度为375mol/L)和均苯三甲酸的乙醇溶液(浓度为260mol/L)等体积混合，搅拌30分钟。所得产品经离心后使用50％乙醇洗涤三次，干燥，得到粉末HKUST-1。

以下为实施例3相应的检测结果分析：(其中抛光AZ31镁合金和镁合金上涂覆一层PCL获得的Mg-PCL，作为对照组)

通过对实施例1获得的抛光AZ31镁合金(Mg)、实施例2在AZ31镁合金表面滴加PCL得到的Mg-PCL样品和实施例3中在AZ31镁合金表面滴加PCL-MOF溶液构造的Mg-PCL-MOF这四种样品进行了一系列表征。

如图1所示，通过X射线衍射(XRD)检测，显示MOF-FA样品具有HKUST-1样品的特征峰，表明叶酸的修饰并没有影响HKUST-1的晶体结构。

如图2所示，通过X射线光电子能谱(XPS)分析，显示MOF-FA和HKUST-1中均含有C、H、O和Cu元素，然而只有MOF-FA粉末中含有N元素，该元素来自于叶酸，这证明了叶酸的成功修饰。

如图3所示，通过X射线衍射(XRD)检测，显示这三种样品中具有镁合金的特征峰和结晶聚合物PCL的特征峰，同时在Mg-PCL-MOF样品中还可以观察到MOF-FA粉末的特征峰，位于11.76°，表明MOF-FA被成功地制备于PCL涂层中，形成了复合涂层。

如图4所示，经抛光的AZ31镁合金表面存在有平行的划痕，经过PCL和PCL-MOF涂覆后，划痕被完全覆盖，可以观察到平整的涂层。

图5为产品的电化学极化曲线，通过该曲线可以得到样品的腐蚀电流(Icorr)，其具体数值总结如下：

表明在PCL涂层覆盖后，AZ31镁合金的腐蚀电流可以下降三个数量级，当PCL与MOF-FA形成复合涂层后，可以进一步降低AZ31镁合金的腐蚀电流一个数量级。

图6为产品的电化学阻抗能奎斯特图谱，该曲线表明，相比于抛光AZ31镁合金，Mg-PCL具有更大的阻抗弧，而Mg-PCL-MOF在三种样品中具有最大的阻抗弧，表明Mg-PCL-MOF的阻抗最大，可以进一步延缓AZ31镁合金的腐蚀。

图7、图8为产品在21天的浸泡中的pH变化和镁离子释放的情况，可知在长期浸泡中，PCL和PCL-MOF涂层的样品的pH值都比抛光AZ31镁合金低，而且有更低的镁离子释放量，因此PCL和PCL-MOF涂层可以抑制镁合金基底的腐蚀，而且PCL-MOF的抑制效果更好。

图9为产品Mg-PCL-MOF在21天的浸泡中的铜离子释放情况，可知在长期浸泡中，铜离子随着涂层的降解而缓慢释放，在浸泡500小时左右时释放铜离子的浓度达到1.1ppm。

图10为细胞毒性测试，使用细胞荧光和细胞存活率来表征。与抛光镁合金共同培养的成骨细胞呈现圆形，而与Mg-PCL和Mg-PCL-MOF样品共同培养的细胞呈现多边形而且铺展良好。细胞毒性测试表明材料均没有明显的毒性，而且Mg-PCL-MOF样品组表现出最高的细胞活性。

图11为碱性磷酸酶活性测试，表明Mg-PCL-MOF有最好的促进成骨细胞分化的能力。

上文中未详细描述各功能验证步骤，均使用常规方式获得(例如，图1至图11以及参数总结表的获得，均以常规方式获得，因此，对其过程不做详细赘述)

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。