生物医用镁合金表面大分子自组装功能涂层的研究

Magnesium (Mg) and its alloys are promising to be used as degradable metallic materials in orthopaedic implantations due to their degradability and resemblance to human cortical bone. However, the high corrosion rate and released hydrogen gas during degradation limit its clinical application. In this project, we plan to use a new strategy to control the corrosion rate of Mg alloy by electrodeposition of self-assembled colloidal particles onto Mg alloy surfaces as a protection coating. Moreover, additional functions such as anti-inflammatory could be provided by loading functional factors into colloidal-particle coating. The relationship between the structure of amphiphilic copolymers and self-assembly process with the properties of prepared colloidal-particle coating will be investigated. The in vitro and in vivo degradation behavior of colloidal-particle coating protected Mg alloys will be explored by corrosion test and animal experiments. The effect of amphiphilic polymer, solvent, pre-self-assembled colloidal particle, and multiple assembly process on coating properties and degradation behaviors of Mg alloy will be investigated. This project will explore the basic laws and mechanism in fabrication of macroscopic functional materials and devices from nanoscale colloidal particles by self-assembly.

本申请拟以双亲性大分子自组装及镁合金表面电诱导界面组装-多级组装方法，在医用镁合金表面构建具有生物相容性、降解速率可控的自组装胶体功能涂层，赋予镁合金植入材料以理想的性能及功能。针对醇类选择型溶剂设计一系列含有光交联基团的双亲性大分子，以双亲性大分子为基本组装基元、引入功能因子作为复合自组装基元，在非水相选择性溶剂中自组装制备胶体粒子；在电场作用下胶体粒子在镁合金表面组装形成功能涂层，经紫外光交联固定涂层结构；对涂层进行结构及性能表征，重点探讨涂层的微结构及化学组分对镁合金植入器件降解性能的影响。系统研究双亲性大分子结构、组装环境、组装基元结构对胶体粒子界面多级组装过程及涂层功能的影响；探索大分子结构、组装基元微结构及界面组装过程对涂层功能及镁合金植入物降解速率的影响。探索本项目涉及的自组装及功能涂层构建机制，从微观、介观及宏观尺度探究大分子自组装体系功能化、材料化、器件化过程的基本规律。

摘要：. 镁金属具有与人骨极为相近的力学性能，可以实现植入后无需二次手术取出，但因其化学性质极为活泼，在镁基表面构筑稳定的功能涂层极具挑战性。科学家必须设计、合成具有特殊结构的可降解双亲大分子，并以特殊方式构筑功能涂层。考虑到医用植入材料的功能需求，如促进细胞增长及抗菌等多功能，有不少难以解决的科学问题。本项目将大分子自组装功能化与镁金属功能涂层研究相结合，提出了自组装电沉积构筑功能涂层的新方法。通过大分子设计及聚集形态的调控，电诱导复合组装构建稳定、可控、具有生物相容性的镁金属功能涂层，并研究其多级组装功能涂层构建机理。. 本项目主要研究内容首先是以双亲性大分子自组装及镁合金表面电诱导界面组装-多级组装方法，针对醇类选择型溶剂设计一系列含有光交联基团的双亲性大分子，以双亲性大分子为基本组装基元、引入功能因子作为复合自组装基元，在乙醇选择性溶剂中自组装制备胶体粒子，在电场作用下胶体粒子在镁合金表面组装形成功能涂层。系统研究双亲性大分子结构、组装环境、组装基元结构对胶体粒子界面多级组装过程及涂层功能的影响；在活性镁金属骨钉表面成功构筑了含有羟基磷灰石和抗菌因子的功能涂层，该涂层有合适的降解速度、可促进骨组织生长，无毒副作用。并研究了自组装及功能涂层构建机制，从微观、介观及宏观尺度探究大分子自组装体系功能化、材料化过程的基本规律。. 在前期研究基础上，大分子自组装电沉积构筑涂层的方法拓展到其他各种植入金属材料体系，如镁合金、钛合金、钴镍合金、不锈钢等金属表面功能涂层的构筑，得到了满意的研究成果。大分子自组装电沉积构筑功能涂层的方法理论上可适用于所有导电材料，故近期我们又尝试将该方法用于化学传感界面(电极)修饰，得到了性能优异、结构特殊的传感涂层材料。