具有良好抗腐蚀性与生物相容性的表面改性镁合金材料及其制备方法和应用

摘要

本发明涉及具有良好抗腐蚀性与生物相容性的表面改性镁合金材料及其制备方法和应用，所述表面改性镁合金材料包括镁合金以及原位生长于所述镁合金表面的具有纳米片结构的含有氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物的改性涂层。本发明制备的表面改性镁合金材料能够降低合金附近氯离子的浓度，实现对镁合金的保护。此外，经过改性后镁合金表面更有利于细胞的粘附、铺展以及增值，具有良好的细胞相容性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面改性镁合金材料及其表面改性方法，具体说是涉及一种采用水热处理对镁合金进行表面改性的方法，属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术

镁合金具有良好的机械性能、弹性模量与骨组织非常接近而且降解产物可以随着人体的新陈代排出体外，是非常理想的硬组织替换材料以及心血管支架材料。镁合金被视为下一代医用生物材料。目前的大部分医用材料，例如钛合金、镍钛合金等医用材料都是不可降解材料。需要二次手术取出植入体，这会给患者带来沉重的精神和经济压力。因此，发展新型可降解医用材料具有很重要的社会与研究意义。

镁合金的电化学势太低，腐蚀速率过快。由于过快的腐蚀，镁合金会过早地失去其机械性能，从而导致植入失效。另外一方面，由于腐蚀过程中产生的氢气以及周围组织液pH值的改变，会引起炎症反应，增加患者的痛苦。如何通过改变镁合金的表面物理形貌与化学结构来提高其抗腐蚀性以及细胞相容性的报道还非常少。

镁合金在被腐蚀时表面会生成一层疏松的氢氧化镁层，同时由于体液过高的氯离子浓度会破坏氢氧化镁层，所以单纯依靠镁合金自身腐蚀生成的氢氧化镁层不能阻止腐蚀液进一步腐蚀基体。

发明内容

本发明为了解决镁合金存在的降解速率过快，且表面细胞相容性不够好的问题，提供一种具有提高镁合金耐腐蚀性与细胞相容性的表面改性镁合金材料及其制备方法和应用。

在此，一方面，本发明提供一种具有良好耐腐蚀性与细胞相容性的表面改性镁合金材料，包括镁合金以及原位生长于所述镁合金表面的具有纳米片结构的含有氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物(Mg-Al LDH)的改性涂层。

本发明的表面改性镁合金材料，在表面具有致密的氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物层。在氯离子浓度高的腐蚀液中，由于镁铝层状双金属氢氧化物层间的硝酸根、硼酸根等离子会可以和氯离子进行交换，从而可降低合金表面氯离子的浓度，抑制了氯离子对致密的氢氧化镁层的腐蚀，从而隔绝了腐蚀液与基底镁合金之间的接触，最终实现保护镁合金的作用。即，本发明的表面改性镁合金材料能够降低合金附近氯离子的浓度，实现对镁合金的保护。此外，经过改性后镁合金表面更有利于细胞的粘附、铺展以及增值，具有良好的细胞相容性。

较佳地，所述改性涂层中镁铝原子数比为(2～9)：1。具体指的是含有氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物的改性涂层中镁铝原子比。

较佳地，所述改性涂层中纳米片的厚度为10～40nm。

较佳地，所述改性涂层的厚度为1～5μm。

较佳地，所述镁合金为JDBM、AZ31、AZ91中的一种。

另一方面，本发明提供了一种表面改性镁合金材料的制备方法，包括：

将镁合金置于反应釜中，加入含有铝源的碱性溶液使其浸没镁合金，在60～160℃下水热处理5～15小时，得到所述表面改性镁合金材料。

本发明通过水热处理直接在镁合金材料表面原位生长能够通过离子交换作用降低合金周围溶液氯离子浓度的Mg(OH)₂及Mg-Al>

较佳地，所述铝源为硝酸铝、硫酸铝、醋酸铝中的至少一种。其中所述铝源的阴离子与镁铝层状双金属氢氧化物层状结构间阴离子相对应。

较佳地，所述含铝源的碱性溶液中中铝离子浓度为0.01～0.05mol/L。

较佳地，所述碱性溶液的pH值为9～12。

较佳地，所述反应釜的填充度为30～70％。

再一方面，本发明还提供了一种上述表面改性镁合金材料在制造医用镁合金器件中的应用。

本发明的表面改性镁合金材料与未处理的镁合金材料相比，其耐腐蚀性与细胞相容性有明显的提高。腐蚀电位与析氢实验证实，经改性的镁合金的短期抗腐蚀性还是长期抗腐蚀性都有显著的提高。改性后的样品在细胞培养基中腐蚀一天后，其表面形貌依然保持完整，且未出现任何腐蚀裂缝。细胞浸液的毒性改性后的样品对细胞的毒性所有降低。细胞骨架染色实验和增值实验证实改性后的材料有利于细胞铺展和增值。以上数据表明，改性后的的镁合金具有良好的耐腐蚀性与细胞相容性。

附图说明

图1为经本发明改性处理后的镁合金表面扫描电镜图((a)、(b)、(c))和横断面图((d)、(e)、(f))，其中(a)、(d)表示水热液pH值为10且不含铝源水热处理的镁合金，(b)、(e)表示水热液pH值为12且不含铝源水热处理的镁合金，(c)、(f)表示水热液pH值为12且含铝源水热处理的镁合金；

图2为经本发明改性处理前后的镁合金表面的XRD谱图，其中JDBM表示未处理的镁合金、HT1#表示水热液pH值为10且不含铝源水热处理的镁合金、HT2#表示水热液pH值为12且不含铝源水热处理的镁合金、HT3#表示水热液pH值为12且含铝源水热处理的镁合金；

图3为经本发明改性处理前后的镁合金在37℃的磷酸缓冲盐溶液中的腐蚀电位图(a)，以及相应的腐蚀区域的扫面电镜图(b)；

图4为经本发明改性处理前后的镁合金在37℃的磷酸缓冲盐溶液中析氢量(a)，并由此计算出的平均腐蚀速率(b)；

图5为经本发明改性处理前后的镁合金对成骨细胞活性的影响测试结果，其中(a)为扫面电镜图、(b)为细胞定量测试结果；

图6为经本发明改性处理前后的镁合金的浸提液对细胞的毒性测试结果，其中(a)为第1天测试结果、(b)为第4天测试结果；

图7为成骨细胞在经本发明改性处理前后的镁合金表面的粘附铺展测试结果，其中(a-1)、(a-4)、(a-24)分别为未处理的镁合金表面的粘附铺展1小时、4小时、24小时的测试结果，(b-1)、(b-4)、(b-24)分别为水热液pH值为10且不含铝源水热处理的镁合金表面的粘附铺展1小时、4小时、24小时的测试结果，(c-1)、(c-4)、(c-24)分别为水热液pH值为12且不含铝源水热处理的镁合金表面的粘附铺展1小时、4小时、24小时的测试结果，(d-1)、(d-4)、(d-24)分别为水热液pH值为水热液pH值为12且含铝源水热处理的镁合金的粘附铺展1小时、4小时、24小时的测试结果。

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。

本发明的表面改性镁合金材料在镁合金表面形成一层主要由氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物构成的改性层(或改性得到的材料表面由氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物(Mg-Al LDH)的混合相构成)。其中，涂层中镁铝层状双金属氢氧化物层间的阴离子主要为硝酸根、硼酸根等(添加其它阴离子，如硫酸根、)。该改性层可以是在镁合金材料表面原位生成的。图1示出本发明改性的镁合金HT3#及其对照组纯氢氧化镁层的HT1#和HT2#的表面形貌图和横断面图。由图1中(c)、(f)可知，由氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物构成的改性层呈纳米片状结构，纳米片的厚度在10～40nm，且分布均匀。涂层的厚度在1～5μm。

如图2所示，图2中示出本发明三个示例的表面改性镁合金材料(HT1#、HT2#、HT3#)以及未改性的JDBM镁合金表面的XRD谱图，从中可以看出HT1#、HT2#材料表面主晶相成分为Mg(OH)₂，HT3#材料表面主晶相成分为Mg(OH)₂和Mg-Al>

本发明的表面改性镁合金材料中，改性表面的镁铝原子数比为(2～9)：1。

本发明的表面改性镁合金材料由于镁铝层状双金属氢氧化物相的存在，可以通过离子交换降低材料表面的氯离子浓度，具有良好的耐腐蚀性。镁铝层状双金属氢氧化物层间的阴离子具有可替代性，特别是层间的硝酸根、硼酸根等离子特别容易和氯离子进行交换。通过这种离子交换特性降低镁合金表面氯离子浓度，从而实现保护氢氧化镁层不被破坏的目的。

其中，图2示出经本发明改性处理前后的镁合金表面的XRD谱图。JDBM表示未处理的镁合金，HT1#表示水热液pH值为10且不含铝源水热处理的镁合金，HT2#表示水热液pH值为12且不含铝源水热处理的镁合金,HT3#表示水热液pH值为12且含铝源水热处理的镁合金。从图2中可以看出只有HT3#样品的表面在12°和24°左右检测出特征峰。这说明只有在HT3#样品的表面才有Mg-Al LDH的生成，HT1和HT2#都在12°没有特征峰，18度有特征峰，说明两者表面都只有氢氧化镁，而无Mg-Al>

图3示出本发明的三个示例的表面改性镁合金材料与未表面改性的镁合金材料在37℃的磷酸缓冲盐溶液中的腐蚀电位图(a)，以及相应的腐蚀区域的扫面电镜图(b)。从图3中可以看出相较与未改性的镁合金材料与只有纯氢氧化镁保护层的改性材料，由氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物构成的改性层具有更高的腐蚀电位和更低的腐蚀电流，从相应的腐蚀区域的扫面电镜图可以更加直观的看出其耐腐蚀性有了显著的提高。

图4示出经本发明改性处理前后的镁合金在37℃的磷酸缓冲盐溶液中析氢量(a)，并由此计算出的平均腐蚀速率(b)。从图4中可以看出由氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物构成的改性层具有更好的长期耐腐蚀性。

本发明的表面改性镁合金材料中致密的氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物混合相的微纳结构也有利于细胞的粘附铺展和增值，因此具有良好的细胞相容性。其中，图5是经本发明改性处理前后的镁合金对成骨细胞活性的影响测试结果。从图5中可以看出成骨细胞在氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物改性的镁合金表面增值率最高，而且从电镜图可以看出，只有HT3#可以观察到细胞，其他三组表面都被腐蚀产物覆盖。图6是经本发明改性处理前后的镁合金的浸提液对细胞的毒性测试结果。从图6中可以看出氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物改性的镁合金的浸提液的细胞毒性最小。图7是成骨细胞在经本发明改性处理前后的镁合金表面的粘附铺展测试结果。从图7中可以看出氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物改性的镁合金表面细胞在24小时候铺展的最好。4小时时，其他三组细胞有所伸展，但是到了24小时就都萎缩回去了，这表明24小时后的细胞状态很差。

以下示例性地说明本发明提供的表面改性镁合金材料的制备方法。

本发明采用的是水热处理方法在镁合金表面构造上述能通过离子交换降低材料表面氯离子浓度的改性层。具体而言，以碱性水溶液为水热介质对镁合金材料进行水热处理。作为一个示例，先对分别经过酒精超声和去离子水超声后的镁合金进行水热处理，之后立即使用去离子水清洗，从而取出残留在镁合金表面的水热液。

上述水热介质为pH值为9-12(优选10-12)的去离子水且含有铝离子浓度0.01～0.05mol/L的铝源溶液。所述铝源溶液可为硝酸铝、硫酸铝，醋酸铝中的至少一种。使用碱性溶液调节pH值大于10。其中，所述碱性溶液可选为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的至少一种，例如可选为1-10mol/L的氢氧化钠溶液。水热处理的温度为60～160℃。水热处理的时间可为5-15小时。上述反应釜的填充度可为30～70％。

经过本发明改性方法处理得到的镁合金的抗腐蚀性和细胞相容性得到了明显的改善。腐蚀电位实验以及析氢实验证实，经改性的镁合金的长短期抗腐蚀性都明显优于改性前的镁合金。细胞毒性实验、细胞增值实验以及细胞骨架染色实验都证实改性后的材料更有利于细胞增值和粘附铺展。以上数据表明，改性后的镁合金具有良好的耐腐蚀性以及细胞相容性。另外，本发明赋予了镁合金良好的耐腐蚀性以及生物相容性，可被广泛应用于镁合金医疗器械的表面改性。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，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1mm厚，长宽都为10mm的JDBM镁合金片，依次用酒精、去离子水和超声清洗干净，每次15min。用1mol/L的氢氧化钠将在50毫升超纯水的pH值调到10，该溶液作为水热介质。反应釜的填充度为35％。水热温度120℃，时间为8h。水热结束后，用大量的去离子水刷洗样品。

参见本实施例1改性处理得到的镁合金扫描电镜图片(图1(a))和横断面图片(图1(d))，从中可以看出，处理后表面为片状的纳米结构，纳米片的厚度在20nm左右，且分布均匀，涂层的厚度为1.8μm左右。图2中HT1#为本实施例1改性处理得到的材料表面的XRD谱图，经过本实施例改性后，材料表面的主晶相成分变为Mg(OH)₂。

实施例2

将1mm厚，长宽都为10mm的JDBM镁合金片，依次用酒精、去离子水和超声清洗干净，每次15min。用1mol/L的氢氧化钠将在50毫升超纯水的pH值调到12，反应釜的填充度为35％。之后进行水热处理，其具体工艺参数如实施例1所述。。

参见本实施例2改性处理得到的镁合金的扫描电镜图片(图1(b))和横断面图片(图1(e))，从图中可以看出，处理后表面为片状的纳米结构，纳米片的厚度在20nm左右，且分布均匀，涂层的厚度为2.3μm左右。图2中HT1#为经本实施例2改性处理得到的材料表面的XRD谱图，经过本实施例改性后，材料表面的主晶相成分变为Mg(OH)₂。

实施例3

将1mm厚，长宽都为10mm的JDBM镁合金片，依次用酒精、去离子水和超声清洗干净，每次15min。用10mol/L的氢氧化钠将在50毫升的0.02mol/L的硝酸铝的pH值调到12。反应釜的填充度为35％。之后进行水热处理，其具体工艺参数如实施例1所述。

参见本实施例3改性处理得到的镁合金扫描电镜图片(图1(c))和横断面图片(图1(f))，从图中可以看出，处理后表面为片状的纳米结构，纳米片的厚度在20nm左右，且分布均匀，涂层的厚度为2μm左右。图2中JDBM和HT3#分别是未经过任何处理和经本实施例3改性处理得到的材料表面的XRD谱图，从图中可以看到对于未经处理的样品，从其XRD图谱中只能看到Mg的特征峰。而经过本实施例3改性后，材料表面的主晶相成分变为Mg-Al LDH和Mg(OH)₂。

实施例4

对上述实施例得到的样品进行X射线光电子能谱(XPS)测试，(XPS,PHI-5000C ESCA system PerkinElmer,USA)。

表1(见文末)是上述实施例得到的样品表面元素组成。从表中可以看出实施例1和实施例2表面的主要元素为镁和氧，并无检测到铝元素。而实施例3表面含有铝元素，且镁铝原子数比为2.919：1。

表1为经本发明改性处理后的镁合金表面涂层的元素原子百分比(涂层表面元素组成)：

实施例5

对未改性样品及上述实施例得到的样品进行腐蚀电位图测试：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，利用电化学工作站(上海辰华CHI760C)测试材料的耐腐性能。

图3(a)是上述实施例改性处理得到的各组样品的腐蚀电位分析图，从图中可以看到经过实施1和实施例2处理后得到的样品较JDBM而言，腐蚀电位都正向移动了。而实施例3处理后得到的样品腐蚀电位正向移动最大。说明致密的Mg(OH)₂具有一定高度抗腐蚀性。经过Mg-Al>2抗腐蚀更好。图3(b)是测完腐蚀电位后腐蚀区域的扫描电镜图，从图中可以直观的看出实施例3的耐腐蚀性最好。

实施例6

对未改性样品及上述实施例得到的样品进行析氢实验测试。将样品浸泡在PBS溶液中，每组3个样品，利用倒置漏斗收集样品降解过程中的氢气释放量。样品表面积和PBS溶液体积比为25ml/cm²。整个测试过程在37℃恒温下进行。

图4是上述实施例改性处理得到的析氢结果图(a)以及由此计算而得的平均腐蚀速率图(b)。从图4中可以看出经过实施1和实施例2处理后得到的样品较JDBM而言，析氢量都有所降低。而实施例3处理后得到的样品析氢量降低的最多。说明实施例3的耐腐蚀性最好，这与腐蚀电位分析的结果一致。

实施例7

采用小鼠成骨细胞MC3T3-E1体外培养实验评估上述实施例1、2和3改性处理所得镁合金材料对正常细胞活性的影响。利用阿尔玛蓝(AlamarBlueTM，AbDserotec 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)细胞培养4和7天后，吸去原培养液，加入含有5％阿尔玛蓝(AlamarBlueTM)染液的新培养液，将培养板置于培养箱中培养4h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530nm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；

成骨细胞在材料表面的形貌利用扫面电镜观察。

图5是经上述改性实施例1、2、3改性的镁合金和未改性的镁合金对正常细胞MC3T3-E1的增殖实验和细胞形貌的结果图，其中(a)是扫面电镜图、(b)是细胞定量测试结果。从图5中(b)可以看出第4天时，实施例1对细胞的增值没有任何作用；实施例2在第4天的时候能够促进细胞的的增值，但是到了第7天，细胞也基本都死亡；只有在实施例3的表面细胞能够一直生存下去且还有一定的增值。从图5中(a)也可以看出只有在实施例3的表面可以清晰的看到完全铺展的细胞，而实施例1和2只能观察到覆盖在材料表面的腐蚀沉淀物。上述结果表明，经过实施例3处理的样品具有良好的细胞相容性。

实施例8

采用小鼠成骨细胞MC3T3-E1体外培养实验评估上述实施例1、2和3改性处理所得镁合金材料的浸提液的毒性。具体方法如下：

1)将经过12h紫外灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔2mL密培养基；同时在96孔板中滴加200μL密度为5×10⁴cell/mL细胞悬液；

2)将两块培养板板放入5％CO₂饱和湿度的36.5℃细胞培养箱中；

3)将放有样品的细胞培养板的培养液取出，所得初始浸提液的浓度定义为100％，再用培养基稀释得到90％，60％和30％浓度的浸提液。之后将96孔板中的细胞培养液吸去，并每孔加入200μL各梯度的浸提液；

4)继续培养1天和4天，用实施例6的方法测试细胞数量。

图6是经上述改性实施例1、2、3改性的镁合金和未改性的镁合金的浸提液对细胞的毒性测试结果，(a)是第1天测试结果，(b)是第4天测试结果。从图6中可以看出第1天时，实施例1、2、3的浸提液毒性都比未改性的镁合金大，但是并无明显差别。到了第4天，实施例3的细胞毒性明显小于其他实施例和未改性的镁合金。以上结果表明，实施例3的细胞毒性最小，细胞相容性最好。结果与细胞增值实验一致。

实施例9

采用小鼠成骨细胞MC3T3-E1体外培养和荧光染色实验评估上述实施例1、2和3改性处理所得镁合金材料对细胞粘附铺展的影响。具体方法如下：

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)培养1、4和24小时后，用FITC和DAPI对细胞进行染色，并用激光共聚焦显微镜(CLSM)观察。

图7是经上述改性实施例1、2、3改性的镁合金和未改性的镁合金的浸提液对细胞的粘附测试结果。从图7中可以看到不论是1小时、4小时还是24小时，都是实施例3改性的镁合金表面的细胞铺展的最好，而且到了24小时，实施例1和2改性的镁合金表面的细胞铺展情况与未改性的镁合金大致相同，并没有表现出有促进细胞铺展的效果。以上结果表明，只有实施例3改性的镁合金可以有效的促进细胞的粘附铺展，展现出良好的细胞相容性。

产业应用性：本发明赋予了镁合金优良的耐腐蚀性以及细胞相容性，可被广泛应用于生物医用医疗器械的表面改性。