一種生物功能化的碳/碳復合材料及其制備方法
【技術領域】：
[0001] 本發明屬于生物醫學領域，具體涉及一種碳/碳復合材料表面生物功能化修飾方 法。利用化學修飾方法使碳/碳復合材料獲得復合臨床使用要求的表面修飾層，并且通過 接枝共聚技術將血管內皮生長因子固定于碳/碳復合材料表面。
【背景技術】：
[0002] 碳/碳復合材料繼承了碳材料固有的生物惰性特征，能夠滿足對人工骨材料生物 相容性的基本要求。與傳統的醫用金屬和生物陶瓷材料相比，其彈性模量與人體骨組織更 為接近，肌體組織對其力學適應性好，因而更加符合現代骨科治療的生物學固定原則。同 時，該材料在體內環境中具有長期穩定、耐腐蝕、強度高、耐疲勞、韌性好，可通過結構設計 調整材料的性能以滿足特定要求等顯著優點。
[0003] 但是，其被植入人體后，由于材料表面缺乏生物活性，骨缺損修復呈現纖維組織膜 內化成骨的改建模式，新生骨結構主要由纖維組織延鈣化形成。這就容易出現術后種植體 表面骨接觸百分比不足，無法形成有效的骨性結合的現象，即骨整合缺陷。同時，未經處理 的碳/碳復合材料表面是疏水性的，容易受到細菌感染，致使術后修復不穩定。
[0004] 為了解決這兩大問題，研宄者們分別采用了反應燒結、表面等離子體噴涂與生物 活性膜沉積等多種技術手段提高碳/碳復合材料的骨組織相容性。本專利申請人也曾采用 等離子體噴涂羥基磷灰石技術、等離子體化學氣相沉積類金剛石薄膜、浸漬燒結碳化硅薄 膜等方法嘗試對醫用碳/碳復合材料進行表面改性和相關生物學性能評價。上述方案制備 的涂層或薄膜材料雖然起到了防止碳/碳復合材料表面游離碳顆粒脫落和改善生物活性 的作用，但均存在界面結合強度不足和生物降解速率過慢等臨床應用問題，因而未能真正 賦予人工骨材料加速骨整合速度和抗感染的生物功能。本發明利用化學共聚接枝技術在不 改變材料整體結構性能可以安全使用的同時，獲得與碳/碳復合材料基體具有化學鍵結合 特征的生物活性改性層，從而克服了傳統人工骨表面改性技術存在的改性層/基體界面結 合強度不足、改性層化學不均勻性、生物功能單一等技術缺陷，具有十分重要的經濟效益和 工程應用價值。
[0005] 基于上述原因，發明設計一種新的碳/碳復合材料表面生物功能化的修飾方法顯 得尤為必要。

【發明內容】
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[0006] 本發明的目的為，提供一種新的碳/碳復合材料表面生物功能化的修飾方法。利 用該方法得到的碳/碳復合材料在保留原有生物力學性能優勢的前提下，顯著提高了材料 的骨組織相容性。改性層與基體為化學鍵結合，界面強度高。該制備方法相對于傳統生物 涂層制備方法具有設備工藝簡單的突出優勢。
[0007] 為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：
[0008] -種生物功能化的碳/碳復合材料，以碳/碳復合材料為基體，在基體表面接枝有 抑菌功能化基團和血管內皮生長因子；
[0009] 所述的抑菌功能化基團選自羧甲基殼聚糖或透明質酸。
[0010] 制備生物功能化的碳/碳復合材料的方法，制備方法如下：
[0011] 首先對碳/碳復合材料基體進行預處理；在預處理后的碳/碳復合材料基體表面， 修飾單層的抑菌功能化基團；再在抑菌功能化基團修飾的碳/碳復合材料基體表面，通過 接枝共聚技術將血管內皮生長因子固定于碳/碳復合材料基體表面，即得到生物功能化的 碳/碳復合材料；
[0012] 所述的抑菌功能化基團選自羧甲基殼聚糖或透明質酸。
[0013] 所述的制備生物功能化的碳/碳復合材料的方法，
[0014] 所述的碳/碳復合材料基體預處理包括碳/碳復合材料基體石墨化處理和等離子 輝光表面處理兩步；具體步驟如下：
[0015] 1)碳/碳復合材料基體石墨化處理
[0016] 將碳/碳復合材料基體加工成規格為010mmx5mm|的樣品，經表面拋光后，將樣 品依次置于二氯甲烷、丙酮、無水乙醇和去離子水中分別超聲波清洗10分鐘，再在Ar保護 氣氛中進行2400°C X 2h的退火處理，即得到石墨化處理后的碳/碳復合材料基體；
[0017] 碳/碳復合材料石墨化處理是為了保證碳/碳復合材料基體表面化學結構和組織 成分的均勻性。
[0018] 2)等離子輝光表面處理
[0019] 采用射頻等離子氣相反應爐對步驟1)所得到的石墨化處理后的碳/碳復合材料 基體表面進行"沖洗"，得到預處理的碳/碳復合材料基體。
[0020] 等離子輝光表面處理的目的是為了提高基體材料表面的化學結構均一性。
[0021] 一次開展材料高溫石墨化處理、超聲波清洗和等離子輝光表面預處理，從而獲得 具有sp2型石墨碳為主要組成的表面網格結構。
[0022] 所述的修飾單層的抑菌功能化基團，具體步驟如下：
[0023] 1)碳/碳復合材料基體表面羥基終端修飾
[0024] 將預處理的碳/碳復合材料基體置于70%異丙醇中超聲清洗30分鐘之后，將碳 /碳復合材料基體放入Piranha酸中浸泡15分鐘，取出后用去離子水超聲清洗并用氮氣吹 干，即得到碳/碳復合材料基體表面C-OH終端的修飾體；
[0025] 所述的Piranha酸為體積比為7 :3的濃硫酸/雙氧水混合液；
[0026] 在碳/碳復合材料表面修飾引入羥基活性基團，進而導入羧甲基殼聚糖或透明質 酸兩種具有抑菌功能的生物分子基團；
[0027] 2)修飾抑菌功能化基團
[0028] 將抑菌功能化基團固定于步驟1)制備的碳/碳復合材料基體表面C-OH終端的修 飾體的表面，即得到抑菌功能化基團修飾的碳/碳復合材料基體。
[0029] 所述的通過接枝共聚技術將血管內皮生長因子固定于碳/碳復合材料基體表面， 具體步驟如下：
[0030] 經抑菌基團修飾的碳/碳復合材料基體浸于含有質量分數為1-5%的1-(3-二甲 基氨基丙基）-3-乙基碳酰二亞胺鹽酸鹽和質量分數為0. 5-1 %的N-羥基丁二酰亞胺的磷 酸鹽緩沖液中，浸泡30min，以活化接枝點；再將樣品置于含有兔血管內皮生長因子的磷酸 鹽緩沖液中室溫浸泡1小時，最后進行磷酸鹽緩沖液沖洗和空氣自然干燥，即得到生物功 能化的碳碳復合材料。
[0031] 所述的修飾抑菌功能化基團的具體步驟如下：
[0032] 將碳/碳復合材料基體表面C-OH終端的修飾體，完全浸泡于5mg/ml的透明質酸 水溶液中，于室溫下，浸泡24小時，經去離子水清洗和氮氣吹干后獲得碳/碳復合材料-透 明質酸樣品。碳/碳復合材料基體表面的羥基與透明質酸的羧基發生縮聚，從而將透明質 酸接枝到碳/碳復合材料基體表面。
[0033] 所述的修飾抑菌功能化基團的具體步驟如下：
[0034] 將碳/碳復合材料基體表面C-OH終端的修飾體，置于濃度lmg/ml的多巴胺溶液 中室溫浸泡24小時，經去超聲清洗、真空干燥后；再將產物置于羧甲基殼聚糖濃度為5mg/ ml，硫酸銨用量為0. 5g/L的溶液中，于室溫下浸泡24h，經去超聲清洗、真空干燥后，即得到 碳/碳復合材料-羧甲基殼聚糖樣品，將材料置于4°C恒溫冰箱中。碳/碳復合材料基體表 面的羥基先與多巴胺的羥基縮合成醚，從而將多巴胺接枝到碳/碳復合材料基體表面，反 應原理如圖3所示；然后，多巴胺上的氨基與羧甲基殼聚糖分子中的羧基在0. 5g/l濃度的 硫酸銨引發劑作用下，通過縮聚反應連接在一起。
[0035] 血管內皮生長因子（VEGF)是一種同源二聚體糖