CN107537071A - 一种表面载药镁合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面载药镁合金材料及其制备方法和应用，表面载药镁合金材料包括镁合金、以及位于镁合金表面的镁铝层状双金属氢氧化物，所述镁铝层状双金属氢氧化物的层间含有药物分子。本发明的表面载药镁合金材料在提高镁合金的抗腐蚀性的同时，具有良好的抗癌性能。

Description

一种表面载药镁合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种生物医用镁合金的表面改性方法，具体说是涉及一种先后通过水热处理、高温处理以及浸泡处理在材料表面构建载药涂层的方法，属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术

当前，以NiTi合金、Ti及其合金、不锈钢、Co-Cr合金等为代表的不可降解医用金属支架材料广泛应用在由于恶性肿瘤造成的胆管、食道、气管、支气管阻塞的姑息性治疗中(Radiology 1993,187:661-665.)。然而不可降解支架在临床应用中主要存在的问题是需要二次手术将其体取出，否则很容易引起宿主反应，而二次手术又增加了患者的精神和经济负担。因此，具有完全生物可降解性以及机械性能良好的镁合金在支架材料领域具有巨大的应用前景。

镁合金作为医用材料的缺点为电化学势太低，腐蚀速率过快。快速的腐蚀会导致镁合金过早地失去机械性能，使得支架失效。此外针对应用于恶性肿瘤造成的病变部位还需要支架材料具有一定的抗癌效果，否者癌细胞的快速繁殖很容易造成支架部位的再堵塞。因此，单纯的提高镁合金的抗腐蚀性并不能完全满足临床需求。如何提高镁合金的抗腐蚀性，使其降解速率与病变部位愈合速率相匹配，同时又使其表面具有抗癌效果是医用镁合金在肿瘤支架应用研究的重点与难点。

发明内容

本发明为了解决可降解镁合金作为支架在肿瘤治疗中的降解速率过快与抗癌效果不理想的问题，提供了一种新型的表面载药镁合金材料及其制备方法和应用。

一方面，本发明提供一种表面载药镁合金材料，其包括镁合金、以及位于镁合金表面的镁铝层状双金属氢氧化物，所述镁铝层状双金属氢氧化物的层间含有药物分子。

根据本发明，镁合金表面的镁铝层状双金属氢氧化物可以阻隔腐蚀液与基底镁合金之间的接触，从而有效地提高镁合金的抗腐蚀性；同时，当表面载药镁合金材料浸没在体液或培养基中，可通过镁铝层状双金属氢氧化物与溶液之间的离子交换作用，释放药物分子(优选为抗癌药物分子)，达到抗癌的效果或者其它药理效果。因此，本发明的表面载药镁合金材料在提高镁合金的抗腐蚀性的同时，具有良好的抗癌性能。

本发明一优选的实施方式中，所述镁合金的表面具有纳米片状的氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物混合相。也就是说，所述镁铝层状双金属氢氧化物是和氢氧化镁一起以混合相形成纳米片。由此，可以更好地提高镁合金的抗腐蚀性。

另一方面，本发明提供上述表面载药镁合金材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在镁合金表面构建镁铝层状双金属氢氧化物层；

(2)通过加热处理将所述镁铝层状双金属氢氧化物层转化成金属氧化物；

(3)将步骤(2)所得的材料浸泡于含药物分子的水溶液中，使所述金属氧化物转化成镁铝层状双金属氢氧化物并负载药物而得到所述表面改性镁合金材料。

本发明在镁合金表面，先后通过水热处理、高温处理以及浸泡处理构建载药涂层，在提高镁合金的抗腐蚀性的同时，赋予其良好的抗癌性能。如果直接在构建镁铝层状双金属氢氧化物层时负载药物，则由于构建镁铝层状双金属氢氧化物层的反应条件较为苛刻(例如温度较高、碱性条件等)，有些药物在该反应条件下容易失效，本发明通过条件温和的浸泡处理来负载药物，更具有广泛性，不会对药物分子的药效造成影响。

较佳地，步骤(1)中，将镁合金置于含铝源的碱性溶液中，在60～160℃下水热处理5～15小时，从而在镁合金表面构建镁铝层状双金属氢氧化物层。

较佳地，步骤(1)中，所述铝源选自硝酸铝、硫酸铝、醋酸铝中的至少一种；所述含铝源的碱性溶液中，铝离子的浓度为0.01～0.05mol/L，所述含铝源的碱性溶液的pH值为9～12。

较佳地，步骤(2)中，所述加热处理为：将表面构建有镁铝层状双金属氢氧化物层的镁合金于150～300℃保温10～15小时。

较佳地，步骤(3)中，所述含药物分子的水溶液中药物分子的浓度为5～15mg/mL。

较佳地，步骤(3)中，浸泡温度为20～40℃，浸泡时间为1～5小时。

本发明还提供上述表面载药镁合金材料在制造医用支架材料中的应用。

本发明的表面载药镁合金材料降解速率与病变部位愈合速率相匹配，同时其表面具有抗癌效果，可作为应用于恶性肿瘤造成的病变部位的支架材料。

附图说明

图1是经实施例1(a)、实施例2(b)、实施例3(c)和实施例4(d)处理后得到的样品扫描电镜图；

图2是经实施例1(a)、实施例2(b)、实施例3(c)和实施例4(d)处理后样品的XRD图谱；

图3是AZ31镁合金及经实施例1、3、4处理后样品在磷酸缓冲盐溶液中的腐蚀电位图；

图4是人胆管癌细胞在经实施例1、3、4处理后样品表面的增殖速率；

图5是人胆管癌细胞在AZ31镁合金经实施例1、3、4处理后样品表面的粘附测试结果。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

针对医用可降解镁合金在抗癌载药支架应用的需求，本发明一实施方式提供了一种一种具有良好耐腐蚀性和抗癌作用的镁合金材料。

本发明一实施方式中，镁合金材料的表面具有镁铝层状双金属氢氧化物。一个示例中，所述镁合金材料的表面由纳米片状的氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物混合相组成。致密的氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物混合相涂层，可以有效地提高镁合金的抗腐蚀性。氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物混合相纳米片的径向尺寸可为400～600nm，厚度可为50～200nm。各纳米片在镁合金表面无规则排列，形成致密且粗糙的表面结构(微纳结构)。整个涂层的厚度可为1～5μm。

本发明中，镁铝层状双金属氢氧化物是指由带正电的镁铝氢氧化层和带负电的阴离子层组成的类水滑石结构。在镁合金表面的镁铝层状双金属氢氧化物的层间含有药物分子。所述药物分子优选为抗癌药物分子，从而赋予所述镁合金材料抗癌能力。具体而言，当所述镁合金材料浸没在体液或培养基中，可通过镁铝层状双金属氢氧化物与溶液之间的离子交换作用，释放抗癌药物分子，达到抗癌的效果。另外，所述药物优选为阴离子型药物。这是由于层状双氢氧化物层间填充有可交换的阴离子，因此阴离子型药物可与板层间的阴离子发生交换，从而更好地负载于层状双氢氧化物中。作为药物的示例，可举出5-氟尿嘧啶、盐酸阿霉素等。另外，应理解，所述药物分子不限于抗癌药物分子，还可根据需要负载其它药物分子。

本发明中，镁合金是指镁金属或者以镁为基体加入其他元素组成的合金。所述其他元素包括但不限于铝、锌、锆等。由于本发明主要针对临床上使用的镁合金抗腐蚀性较差以及不具备抗癌效果的问题，因此本发明中镁合金优选为医用镁合金，包括但不限于型号为ZK60、JDBM、AZ31、AZ61、AZ91的镁合金中的任意一种。

以下示例性地说明本发明提供的表面载药镁合金材料的制备方法(在镁合金表面构建镁铝层状双金属氢氧化物并进行载药的方法)。

本发明一实施方式中，在镁合金表面，先后通过水热处理、高温处理以及浸泡处理构建载药涂层，在提高镁合金的抗腐蚀性的同时，赋予其良好的抗癌性能。

首先，对镁合金进行水热处理以在其表面原位形成镁铝层状双金属氢氧化物。

镁合金在进行水热处理前，可进行表面预处理，例如进行机械加工和清洗。一个示例中，机械加工过程中，依次采用600#和1000#SiC砂纸将镁合金打磨平整。一个示例中，清洗过程中，采用无水乙醇将打磨平整后的镁合金清洗干净并室温干燥。

水热过程中，将镁合金置于反应釜内，加入含铝源的碱性溶液使其浸没镁合金，并在60～160℃下水热处理5～15小时。铝源可选自硝酸铝、硫酸铝、醋酸铝中的至少一种。含铝源的碱性溶液中，铝离子的浓度可为0.01～0.05mol/L。含铝源的碱性溶液的pH值可为9～12。可通过在含铝源的水溶液中加入碱来调节pH。所述碱例如可为氢氧化钠、氢氧化钾等。通过水热反应，可在镁合金表面形成致密的纳米片，其为氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物的混合相。

然后，在高温下，将层状双金属氢氧化物转化成金属氧化物。高温处理的温度能使镁铝层状双金属氢氧化物发生分解，变成镁铝金属氧化物即可。一个示例中，高温过程中，将水热处理后的镁合金材料置于150～300℃的电热鼓风干燥箱中，并保温10～15小时。

接着，将表面形成有金属氧化物的镁合金浸泡于含有药物的水溶液中，金属氧化物回复到双金属氢氧化物相，并将药物分子负载于双金属氢氧化物的层间。含有药物的水溶液中药物的浓度、浸泡温度、浸泡时间可根据需要负载的量来合理选择。例如，药物的浓度可为5～15mg/mL。浸泡温度可为20～40℃。浸泡时间可为1～5小时。浸泡时，可以静置，也可摇晃。

经上述处理得到的载药镁合金表面由纳米片状的氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物混合相构成，且镁铝层状双金属氢氧化物的层间含有抗癌药物分子。致密的氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物混合相涂层，可以有效地提高镁合金的抗腐蚀性。同时，当材料浸没在体液或培养基中，可通过镁铝层状双金属氢氧化物与溶液之间的离子交换作用，释放药物分子，达到抗癌的效果。

本发明所涉及的涂层是通过水热法、高温处理和浸泡处理制备的，其工艺简单，无需特殊设备，所需试剂也都对环境无害，有利于大规模产业化生产。其次，经本发明改性后的镁合金的抗腐蚀性有了明显的提升，同时，在抗癌药物的作用下，癌细胞无法在材料表面生长。

经过本发明改性得到的载药镁合金，不仅其抗腐蚀性具有明显的提升，其释放的药物能有效的阻止癌细胞在材料表面的粘附和生长。本发明可被广泛应用于与肿瘤组织接触的镁合金医疗器械。

下面进一步举例实施例以详细说明本发明。应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

将厚度为2mm，长宽都为10mm的AZ31镁合金，依次用600#和1000#的SiC砂纸去掉表面氧化层，再用酒精超声干净。之后进行水热处理，水热液为50ml的0.02M的硝酸铝溶液，并使用氢氧化钠或氢氧化钾将其pH值调到12.8，反应温度为120℃，反应时间为12h。所得样品标记为#LDH。

图1中的(a)是经本实施例改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图。从图中可以看出，处理后表面的结构为一层致密的纳米片。图2中的(a)给出了经本实施例处理后样品表面的XRD图，从图中可以看出，经过处理后材料表面的结构为氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物的混合相。其中镁铝层状双金属氢氧化物的最强峰((003)峰)出现在约11.42°，说明其层间距约为7.74nm。

实施例2

将实施例1处理所得样品，在电热鼓风干燥箱中热处理12小时，热处理温度为250℃，所得样品标记为#LDO。

图1中的(b)是经本实施例改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图。从图中可以看出，经实施例2处理后材料表面的结构为一层致密的纳米片，相比于实施例1处理所得材料表面的纳米结构，其径向尺寸变化不大，而横向尺寸明显更宽(在热处理过程中，LDH结构坍塌，转变为LDO(层状双金属氧化物)，而LDO片层结构在纵向尺寸不变，横向更为疏松，导致材料表面纳米片的横向尺寸变化较大)。图2中的(b)给出了经本实施例处理后样品表面的XRD图，从图中可以看出，材料表面并没有出现镁铝层状双金属氢氧化物的峰，而在42.9°出现了镁铝双金属氧化物的峰。这说明在250℃的高温下，镁铝层状双金属氢氧化物会发生分解，变成镁铝金属氧化物。

实施例3

将实施例2处理所得样品浸泡在超纯水中，并在37℃下轻摇4小时。所得样品标记为#LDO-water。

图1中的(c)是经本实施例改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图。从图中可以看出，经实施例3处理后材料表面的结构为一层致密的纳米片，其结构尺寸与实施例2所得材料一致。图2中的(c)给出了经本实施例处理后样品表面的XRD图，从图中可以看出，材料表面的结构回复到氢氧化镁和镁铝双金属氧化物混合相的状态。其中镁铝层状双金属氢氧化物的最强峰((003)峰)出现在约11.63°，说明其层间距约为7.60nm。#LDH样品表面的镁铝层状双金属氢氧化物的层间主要为水分子和硝酸根离子，而在#LDO-water样品表面的镁铝层状双金属氢氧化物的层间主要为水分子和氢氧根离子。由于氢氧根离子的半径小于硝酸根离子的半径，导致#LDO-water样品表面镁铝层状双金属氢氧化物的层间距小于#LDH样品。

实施例4

将实施例2处理所得样品浸泡在10mg/mL的五氟尿嘧啶溶液中，并在37℃下轻摇4小时。所得样品标记为#LDO-5FU。

图1中的(d)是经本实施例改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图。从图中可以看出，经实施例4处理后材料表面的结构为一层致密的纳米片，其结构尺寸与实施例2和实施例3所得材料一致。图2中的(d)给出了经本实施例处理后样品表面的XRD图，从图中可以看出，材料表面的结构回复到氢氧化镁和镁铝双金属氧化物混合相的状态。其中镁铝层状双金属氢氧化物的最强峰((003)峰)出现在约11.22°，说明其层间距约为7.88nm。在#LDO-5FU样品表面的镁铝层状双金属氢氧化物的层间主要含有水分子和大分子药物五氟尿嘧啶。由于五氟尿嘧啶的分子半径大于氢氧根离子和硝酸根离子的半径，导致#LDO-5FU样品表面镁铝层状双金属氢氧化物的层间距大于#LDH和#LDO-water样品。

实施例5

对AZ31镁合金及经上述实施例1、3、4处理得到的样品进行电化学测试。所用腐蚀液为磷酸盐缓冲剂(PBS)，测试温度为室温。所用仪器为电化学工作站(上海辰华CHI760C)。测试样品为工作电极、石墨棒为对电极、甘汞电极为参比电极。

图3是是AZ31镁合金及经实施例1、3、4处理后的样品PBS中的腐蚀电位图。从图中可以看出经实施例1、3、4处理后的样品较AZ31而言，腐蚀电位都明显正向移动，而腐蚀电流都略微降低，这说明改性后样品的抗腐蚀性都有明显的提升。而进一步由塔菲尔外推法计算出来的极化电阻分别为22.44kΩ/cm²(AZ31镁合金)、32.07kΩ/cm²(#LDH)、85.65kΩ/cm²(#LDO-water)、33.60kΩ/cm²(#LDO-5FU)。可以看出，载药后样品(#LDO-5FU)的抗腐蚀性较载药前(#LDH)略微有提升。

实施例6

采用人胆管癌细胞(RBE)体外培养实验评估#LDH、#LDO-water、#LDO-5FU样品对癌细胞活性的影响。利用阿尔玛蓝(AlamarBlueTM，AbD serotec Ltd，UK)试剂盒检测细胞在材料表面的增殖情况。方法如下：

1)将经过12h紫外灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔滴加1mL密度为5×10⁴cell/mL细胞悬液；

2)将细胞培养板放入5％CO₂饱和湿度的细胞培养箱中36.5℃孵化；

3)分别在细胞培养到6h、12h和24h时，吸去原培养液，换新的培养板，并加入含有10％阿尔玛蓝(AlamarBlueTM)染液的新培养液，将培养板置于培养箱中培养2h后，从每孔取出100μL培养液放入96孔板中；

5)利用酶标仪(BIO-TEK，ELX800)测量各孔在波长为560nm的激发光下，590nm处的发射光强度。其光强与细胞数量呈正相关。

图4是RBE细胞在#LDH、#LDO-water、#LDO-5FU样品表面分别培养6h、12h和24h后的增殖率。从图中可以看出，在#LDH样品表面细胞的数量最多。#LDO-water样品表面细胞的数量少于#LDH样品表面，这可能是由于高温热处理后，涂层内留有残余应力，在培养基中浸泡时间过久使得涂层产生裂纹，并因此导致其抗腐蚀性下降，不利于细胞粘附和增殖。#LDO-5FU样品表面的细胞数量最少。除裂纹导致其抗腐蚀性下降不利于细胞增殖之外，由于#LDO-5FU样品表面的镁铝层状双金属氢氧化物的层间含有抗癌药物五氟尿嘧啶，在细胞培养期间，层间的五氟尿嘧啶会与周围溶液发生离子交换，将五氟尿嘧啶释放到培养基中，并杀死癌细胞。

实施例7

将实施例6培养的RBE细胞，分别在6h和24h用戊二醛固定过夜，然后依次用30％，50％，75％，90％，95％的酒精脱水10分钟，然后再用纯酒精脱水两次，每次十分钟。接着用酒精和六甲基硅胺烷的混合液(1:2，2:1，纯六甲基硅胺烷)分别脱水十分钟。干燥后，经喷金处理再用扫描电镜观察细胞形貌。

图5给出了RBE细胞在AZ31镁合金、#LDH、#LDO-water、#LDO-5FU样品表面培养6小时和24小时后的粘附铺展情况。从图中可以看出，培养6小时后，RBE细胞在AZ31镁合金的表面呈圆球形，而在#LDH、#LDO-water、#LDO-5FU样品表面呈扁平状，表现出良好的铺展状态。经过24小时的培养后，AZ31镁合金表面的细胞依然呈球形，#LDH和#LDO-water样品表面的细胞已经完全铺展开，并出现了丝状伪足，#LDO-5FU样品表面细胞都已经凋亡。

综合实施例6和7的结果，可以看出经过载药改性后的#LDO-5FU样品，能够有效地杀死粘附在材料表面的癌细胞。

Claims (10)

1.一种表面载药镁合金材料，其特征在于，包括镁合金、以及位于镁合金表面的镁铝层状双金属氢氧化物，所述镁铝层状双金属氢氧化物的层间含有药物分子。

2.根据权利要求1所述的表面改性镁合金材料，其特征在于，所述药物分子为抗癌药物分子。

3.根据权利要求1或2所述的表面载药镁合金材料，其特征在于，所述镁合金的表面具有纳米片状的氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物混合相。

4.一种制备权利要求1至3中任一项所述的表面载药镁合金材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在镁合金表面构建镁铝层状双金属氢氧化物层；

（2）通过加热处理将所述镁铝层状双金属氢氧化物层转化成金属氧化物；

（3）将步骤（2）所得的材料浸泡于含药物分子的水溶液中，使所述金属氧化物转化成镁铝层状双金属氢氧化物并负载药物而得到所述表面改性镁合金材料。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，将镁合金置于含铝源的碱性溶液中，在60～160℃下水热处理5～15小时，从而在镁合金表面构建镁铝层状双金属氢氧化物层。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述铝源选自硝酸铝、硫酸铝、醋酸铝中的至少一种；所述含铝源的碱性溶液中，铝离子的浓度为0.01～0.05mol/L，所述含铝源的碱性溶液的pH值为9～12。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述加热处理为：将表面构建有镁铝层状双金属氢氧化物层的镁合金于150～300℃保温10～15小时。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述含药物分子的水溶液中药物分子的浓度为5～15mg/mL。

9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其特征在于，步骤（3）中，浸泡温度为20～40℃，浸泡时间为1～5小时。

10.一种权利要求1至3中任一项所述的表面载药镁合金材料在制造医用支架材料中的应用。