生物耐蚀抗菌性的镁合金表面的多层分子组装

In this project, multifunctional molecular multilayers are constructed on surface of Mg alloy to overcome issues of its poor biocorrosion resistant and antibacterial performance. Plasma technology is used to fabricate anticorrosive Ca-SiO2 and phytic acid (PA) layers, and the relationship between composition, structure of the layers and anticorrosive performance is expected to reveal. cucurbit[8]uril (CB[8]) and its derivatives loaded with Ag nanoparticles (AgNPs) are connected on Mg alloy substrate in the forms of terminal and bead-type, based on the immobilisation of biocompatible spacer molecule - poly(ethylene glycol) (PEG) and 2-methacryloxyethyl phosphorylcholine polymer (PMPC), click reaction and supramolecular host-guest interaction. Different conjugate ways of CB[8] (and its derivatives) are desired to affect their complexing action to Ag+ and the size of AgNPs as well as its release property. Effects of various linkers on stablity of CB[8] (and its derivatives) are anticipated to reveal by study of the interaction between them. Based on biocorrosion resistant, antibacterial properties and biocompatibility of different assembly systems, the relationship between composition, structure of multilayer molecular on Mg alloy and anticorrosive, antibacterial performances, including the synergism of these two kinds of properties, are expectably revealed. This project will provide novel technologies and methods for designing multifunctional assembly system related to Mg alloy biomaterial.

本研究基于多基元组分复合在镁合金表面构建多功能性组装分子层，以解决镁合金医用材料耐腐蚀性和抗菌性较差等难题。利用等离子体技术分别构建钙二氧化硅及植酸等耐腐蚀性分子层，通过抗腐蚀性能差异性比对，揭示组成、结构与性能的关系；以点击化学反应或超分子作用分别以聚乙二醇及聚磷酰胆碱为连接臂，将葫芦脲及其衍生物以端基化或串珠式连接于目标材料表面以负载纳米银；通过葫芦脲及其衍生物不同结合形式对银离子络合作用差异性研究，揭示其结构对纳米银粒径及缓释性能的影响规律；通过葫芦脲及其衍生物与不同连接臂间的相互作用研究，揭示连接臂对表面组装葫芦脲及其衍生物稳定性的影响规律；通过不同组成与结构特征组装体系的生物腐蚀性、抗菌性、生物相容性研究，揭示镁合金表面组装分子层组成及结构与耐蚀性、抗菌性间的关联性，以及生物耐蚀性和抗菌性双效功能的协同作用规律。该研究工作将为医用金属材料表面多功能化的组装设计提供新的技术和方法。

作为新一代生物医用金属材料，镁合金拥有独特的可降解性和生物活性、良好生物相容性及力学相容性，在骨修复器械、心血管支架等方面具有巨大的市场需求。但是，镁合金在人体环境中的腐蚀降解速率过快、面临细菌感染等问题成为镁合金在医学应用中的瓶颈。本研究基于多元组分复合在镁合金表面构建多功能性分子膜层，以提高镁合金的耐腐蚀性、生物相容性和抗菌性等性能。本项目主要研究内容：(i) 利用液相等离子体技术镁合表面原位制备氧化物膜层与耐腐蚀性能研究；(ii) 利用化学键合作用镁合金表面构建多分子膜层与耐腐蚀性、生物相容性、抗菌性研究；(iii) 利用静电作用镁合金表面构建多分子膜层与耐腐蚀性、生物相容性、抗菌性研究。利用阴极和阳极液相等离子体技术在镁合金表面原位制备了氧化镁膜层，作为生物耐腐蚀保护层以及进一步表面修饰的过渡层。利用(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(MPTS)、多巴胺(DOP)、聚乙烯亚胺(PEI)等分子的联接臂作用，通过点击化学反应、酰胺化反应、层层组装等方法的结合，引入了聚乙二醇甲基丙烯酸酯(PEGMA)、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(MPC)、硫酸软骨素(CS)、海藻酸钠(ALG)等生物性能优异的生物活性分子，以及纳米银、壳聚糖(Ch)、硫酸庆大霉素(GS)等抗菌活性分子，在含氧化物膜层的镁合金表面构建了MgA/MAO-MPTS-PEGMA、MgA/MgO-MPTS-PMPC、MgA/MAO-(PLL/ALG)30、MgA/MAO-PMPC-CB[7](Ag)、MgA/MAO-[P(DOP-co-DMAEMA+)/(DS-Ag)]35、MgA/MAO-[P(DOP-co-DMAEMA+)/(Ge-Ch)]25等十余种多分子膜层体系。通过多种手段与方法研究结果表明，在镁合金表面制备的一系列多功能复合膜层，有效改善了镁合金材料的耐腐蚀性、生物相容性和抗菌性。本研究为医用镁合金表面生物功能化改性研究提供了新途径和新策略，为镁合金材料的临床医学应用奠定了应用研究基础，在医用金属材料领域具有很大的潜在应用价值。本项目取得了一系列研究成果，在Surf. Coat. Technol.、J. Biomater. Appl.、Mater. Chem. Phys.等国际期刊上发表SCI源刊论文18篇，授权专利2项，并获得陕西省科学技术奖二等奖1项、陕西高等学校科学技术奖一等奖1项。