生物医用镁锌合金表面微弧氧化涂层的制备及组织性能研究

摘要

生物医用镁合金具有独特的体内可降解性和良好的生物相容性，已在血管支架材料、矫形和修复外科材料、骨科内固定材料等生物医用材料中展现出广阔的应用前景。但是生物医用可降解镁合金仍存在腐蚀速率过快而不能满足人体外科植入临床需求的问题。目前生物医用镁合金的研究热点集中在合金化及表面改性。镁金属合金化要求添加的合金元素具有良好生物相容性并且能够改善合金性能，鉴于锌是一种对人体生理机能有益的必需元素且与镁同属密排六方晶体结构，因此在镁合金中添加锌元素逐渐受到人们的关注。医疗器械表面改性技术要求所制备的涂层具有优良生物相容性、能有效提高合金耐蚀性以及涂层与基体具有良好结合力。因此，开展镁合金成分优化和表面改性研究具有十分重要的现实意义。 本研究选取纯镁、Mg-3Zn、Mg-5Zn作为原材料，配制磷酸盐体系、硅酸盐体系、钙磷体系电解液，通过多次预实验确定微弧氧化试验参数，在镁锌合金表面成功制备出P-Si-MAO、Si-MAO、Ca-P-MAO涂层，其中Ca、P为生物活性元素；利用SEM和AFM分析MAO涂层二维、三维形貌，EDS、XRD、XPS分析MAO涂层元素组成、元素含量、元素化学状态、Ca/P比以及物相组成，并对MAO涂层粗糙度、亲水性、结合力、截面形貌进行了表征。 实验结果表明，三种MAO涂层都具有典型的微弧氧化多孔结构，试验参数的选择使得三种MAO涂层厚度较薄，但钙、磷元素均已进入到涂层中，MAO涂层表面较粗糙可以诱导钙磷的沉积；亲水性实验显示MAO涂层提高了原材料的亲水性。 对微弧氧化处理后的试样进行模拟体液浸泡及电化学实验，选取无涂层的空白组试样作对照实验。结果显示，MAO涂层大大提高了材料的耐蚀性，尤其对于Mg-5Zn效果显著。Ca-P-MAO涂层在浸泡14D后仍在试样表面覆盖。对比三种MAO涂层诱导钙沉积量，Ca-P-MAO涂层诱导钙沉积更高。对三种MAO涂层进行Collagen I型蛋白吸附试验，Ca-P-MAO涂层更有利于蛋白质的吸附，能促进成骨细胞的生长和成熟以及类骨磷灰石形核。 实验成功在镁锌合金表面制备出MAO涂层，提高了材料的耐蚀性，并诱导钙在MAO涂层上沉积。此方法与已有方法相比有较大工艺改进，并具备良好的技术可行性，将为镁锌合金在生物医用可降解材料中的研究提供实验参考。

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