CN101461964A - 一种生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生物材料技术领域，特别适用于生物医用材料的表面改性领域；具体为一种生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法。在镁或镁合金上制备表面涂层；首先，在镁或镁合金表面制备一层中间化学转化膜，然后，在外层制备具有生物活性的陶瓷层；该表面涂层既可控制镁或镁合金基体的降解速度又具有表面活性。该表面涂层包括中间化学转化膜及外层生物活性陶瓷层：中间化学转化膜既可控制镁合金基体的降解速度，又改善了外层生物活性陶瓷层的制备性能及与基体的结合力；外层生物活性陶瓷层提高了植入体的生物活性，增加了植入体与生物体的结合强度，提高了植入成功率。本发明旨在解决可降解生物医用镁合金降解速度快、表面生物活性低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及生物材料技术领域，特别适用于生物医用材料的表面改性领域；具体为一种生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法。
背景技术
近年来，镁合金以其良好的生物力学性能、生物相容性和体内可降解性能，而受到人们的极大关注，有望成为新一代可降解植入材料。镁合金具有高的比强度和比刚度，其强度最高可超过200Mpa；纯镁密度在1.74g/cm3左右，与人骨的密质骨密度(1.75g/cm3)相当；杨氏模量约为45GPa，更接近人骨的弹性模量(20GPa左右)，可明显减小应力遮挡效应。
镁合金在体液环境下非常活泼，具有非常低的电极电位，易在体内环境中发生腐蚀，从而在体内实现降解。
镁合金作为医用植入材料的研究可以追溯到上世纪40年代，但由于镁合金在人体生理环境中的腐蚀速率过快，并产生大量的氢气，从而导致植入失效。90年代起，随着人们对镁合金的不断深入研究，在控制合金的耐蚀性能和力学性能的技术方面得到很大的提高，同时通过表面处理进一步改善了镁合金的初期腐蚀行为，使其有希望应用于医用植入材料。
镁合金作为可降解植入材料，植入后降解速度过快，特别是在植入初期，导致局部高的pH值环境，伤口不易愈合，并产生炎症反应等，同时因为降解过快，其降解产物氢气未能被机体及时吸收而形成气泡在组织局部聚集。为了控制可降解镁合金在体内的降解速度，可采用表面处理、纯净化及合金化等方法，表面处理方法是其中非常重要的方法。表面化学转化膜、阳极氧化(及微弧氧化)、激光表面改性、沉积技术、离子注入、高分子涂层技术等都已应用于工程用镁合金的表面处理，来控制镁合金在工程环境下的腐蚀速度。虽然这些研究成果为医用可降解医用镁合金的表面处理奠定了一定的基础，但是体内环境与工程用环境不同，而且更加复杂，现有的镁合金表面处理方法不能完全满足医用可降解镁合金发展的需要。
生物活性涂层已应用到生物稳定性的生物材料表面，如钛合金、不锈钢、聚合物、生物玻璃等，以及具有生物可降解性能的聚合物表面等。但由于镁合金是一种新兴的可降解生物材料，在镁合金表面制备生物活性涂层的研究非常少。同时，由于镁合金具有很高的活性，较低的熔点，直接在镁合金基体上制备的生物活性涂层存在结合力差、致密度低、表面粗糙度大、控制镁合金基体降解速度的作用不够明显、工艺很难控制等不足。
发明内容
本发明提供了一种生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法，可以控制镁合金的降解速度，并获得具有生物活性的表面涂层，解决直接在镁合金基体上制备的生物活性涂层存在结合力差、致密度低、表面粗糙度大、控制镁合金基体的降解速度的作用不够明显、工艺很难控制等不足。
本发明的技术方案是：
首先，在镁或镁合金表面，制备一层中间化学转化膜，然后，在外层制备具有生物活性的陶瓷层，该表面涂层既可控制镁或镁合金基体的降解速度又具有表面活性。
所述镁或镁合金包括：纯镁；现有镁合金，如Mg-Mn，Mg-Al-Zn，Mg-Al-Mn，Mg-Al-Si，Mg-Al-RE，Mg-Al-Ca，Mg-Al-Ca-RE，Mg-Al-Sr，Mg-Zn-Zr，Mg-Zn-Al，Mg-Zn-Al-Ca，Mg-Zn-Mn，Mg-RE-Zr，Mg-RE，Mg-RE-Mn，Mg-RE-Zn等镁合金系；以及为了提高镁合金性能而设计的新的镁合金体系。
所述化学转化膜，可控制镁或镁合金基体的降解速度，为外层生物活性陶瓷层提供稳定的形核及生长平台，并为膨胀系数相差甚大的镁合金与外层陶瓷层提供过渡层，提高陶瓷层与镁合金的结合强度。该化学转化膜可包括磷酸盐系转化膜、稀土转化膜、植酸转化膜、含氟转化膜、有机金属转化膜、阳极氧化膜或微弧氧化膜等。其制备方法是将镁或镁合金浸入相应的转化液中，在一定的温度下，镁或镁合金与转化液中成分发生化学反应，或同时在电压作用下改善膜层的性质，经过一段时间后在镁或镁合金表面生成转化膜。其制备过程还包括在转化膜处理后进行一定的热处理，改善转化膜的性质。该层化学转化膜的厚度为10nm至1mm。
所述生物活性陶瓷涂层，为与骨组织具有良好生物相容性并可传导或诱导骨组织生成的陶瓷层。该陶瓷层包括但不限于：羟基磷灰石(HA)或β—磷酸三钙(β—TCP)等。其制备方法包括：热喷涂方法、等离子体喷涂、溅射、电子束沉积、浸涂、溶胶—凝胶、电化学沉积、仿生等。该生物活性陶瓷涂层在模拟体液中浸泡3天左右，可有新生Ca-P层形成，说明具有良好的生物活性，从而可以使植入体与生物体组织具有良好的生物相容性，有利于生物体组织在植入体上的粘附、生长、增殖，并提高界面的结合强度，增加了植入成功率。该生物活性陶瓷层还与内层转化膜协同作用，对镁合金基体的腐蚀降解速度进行控制，从而提高生物体的生物相容性及其力学性能持久性。该生物活性陶瓷层的厚度为1μm至10mm。
本发明的特点在于：
1.本发明提出一种可控制镁合金降解速度并具有生物活性的镁合金表面涂层，该表面涂层包括中间化学转化膜及外层生物活性陶瓷层，中间化学转化膜既可控制镁合金基体的降解速度，又改善了外层生物活性陶瓷层的制备性能及与基体的结合力；外层生物活性陶瓷层提高了植入体的生物活性，增加了植入体与生物体的结合强度，提高了植入成功率。对生物医用镁合金的表面改性，已有的方法往往仅偏重于控制镁合金的降解速度或仅为了提高镁合金的表面生物活性，而本发明所述涂层则同时解决了镁合金的降解速度快、表面生物活性低的缺点。
2.本发明同时为镁合金表面生物活性涂层的制备提供了新的方法，所述中间过渡层不仅起到了控制镁合金降解速度的作用，也为表面生物活性涂层的形核、生长提供了稳定的平台，并增加了其与植入体之间的结合强度，改善了镁合金表面生物活性涂层的性能。
3、本发明可以降低镁合金的初期降解速度，为植入体提供生物活性表面，使处理后镁合金植入体较处理前的降解速度及生物活性均有明显改善，更能满足生物体的需求。
具体实施方式
实施例1
首先，将纯度为99.99％的纯镁，在转化液中制备出磷酸盐系转化膜，温度为20-60℃，浸泡时间为3-10分钟；转化液成分如下：
磷酸钠：100g/L；
高锰酸钾：10-50g/L；
其余为水；
磷酸调pH＝3.0-4.0；
本实施例制备出磷酸盐系转化膜以磷酸镁为主要成分，厚度为90μm。
然后，用去离子水清洗、干燥，采用溶胶—凝胶方法在磷酸盐系转化膜外层制备出羟基磷灰石涂层，具体制备过程为：按Ca/P＝1.67的摩尔比，分别配制Ca(NO3)2·4H2O和P2O5的乙醇溶液。再把Ca(NO3)2·4H2O醇溶液逐滴加入到P2O5的醇溶液中并不断搅拌得到粘度值约为10mPa的透明溶胶，然后将涂有过渡玻璃层的Ti基体置于该溶胶中浸渍2min，以8cm/min的速度提拉出，在空气中干燥后，置于干燥箱中，于600℃下干燥3h，随炉自然冷却，所得羟基磷灰石涂层厚度为130μm。
纯镁经上述方法进行表面改性后，在37℃模拟体液中浸泡3天后，模拟体液的pH为8.3，而相同浸泡条件下未处理纯镁浸泡液的pH为11.2，说明该表面涂层可有效控制纯镁的降解速度。同时，电镜下观察，改性后纯镁表面有新生Ca-P层，说明表面具有良好的生物相容性。
实施例2
将AZ31(Mg-Al系)镁合金在Ce(NO3)3为主要成分的转化液中制备出稀土转化膜；转化水溶液的成分为：Ce(NO3)3：11g/L，KMnO4：4g/L，pH值为2，温度为35℃，时间为20min。
本实施例制备出稀土转化膜的成分为CeO2和MgO，厚度为120μm。
然后，采用真空等离子喷涂工艺(Ar、H2为等离子气体，真空室压力为150mbar，送粉率为20g/min，电流：650A，电压60V)、利用粒径范围为10-100μm的羟基磷灰石粉末，在外表面制备出羟基磷灰石，所得羟基磷灰石涂层厚度为130μm。
涂层后AZ31镁合金，在37℃模拟体液中浸泡3天后，电镜下观察表面有新的Ca-P层生成，说明表面具有良好的生物活性。通过电化学测试，涂层后镁合金的点蚀电位明显提高，说明其耐蚀性得到提高。
实施例3
在AE42(Mg-Al系)镁合金表面采用阳极氧化方法(电解液成分为，NaOH：50-60g/l，Na2SiO3：30-40g/l，H3BO3：20-25g/l，Na2CO3：30-35g/l，其余为水；电压：90-100V，时间20-35min)制备出镁合金表面氧化膜，其厚度为10μm；然后，采用仿生方法(仿生溶液成分为：Na2HPO4·12H2O：20-60g/l，Ca(NO3)2：30-50g/l，其余为水；温度：25-90℃，时间：2-48h)在外表面制备出β—TCP涂层，其厚度为100μm。
采用MTT法检测样品的细胞毒性，结果显示，经过涂层后镁合金的毒性为1级，满足生物医用材料的使用要求，而未处理镁合金的毒性为3级，不能满足生物医用材料对细胞毒性的要求，说明镁合金表面涂层可有效提高镁合金植入体的生物相容性。
实施例4
在Mg94-Ca5-Zn1(Mg-Ca合金)表面制备植酸转化膜(转化液为浓度为0.5-1wt％的植酸水溶液；温度为40-80℃，pH值为3-8，时间为0.5-6h)，本实施例植酸转化膜厚度为5μm；然后，采用电化学沉积技术(以铂片为阳极，电解液为10-4mol/L的CaCl2和Na2HPO4的混合溶液，pH为5.5-7.0，温度为90-100℃，电流密度为0.25-1.75mA/cm2，沉积时间为25-180min，空气中晾干)在外表面制备羟基磷灰石涂层，其厚度为150μm。
采用国家标准溶血实验方法对镁合金进行检测，涂层后镁合金植入体的溶血率为3％，满足国家标准要求(小于5％)，而未涂层镁合金植入体的溶血率为60％，远不能满足国家标准要求，说明所制备涂层可有效降低镁合金植入体的溶血率，提高其生物相容性。
实施例5
首先，在ZAC8502(Mg-Zn系镁合金)表面制备含氟转化膜(转化液成份为：KH2PO4：13.5g/l，K2HPO4：27g/l，NaHF2：3-5g/l，其余为水；处理温度为50-60℃，时间为20-50min，pH值为5-7，水洗，干燥)，本实施例含氟转化膜厚度为1μm；然后，采用射频磁控溅射法(采用CMS-18射频磁控溅射系统，以烧结纯HA板作为溅射靶材，真空度为10-7Torr，氩气为工作气体，工作电压为5×10-3Torr，溅射功率为300W，溅射时间为3h，400℃加热4h)制备羟基磷灰石涂层，其厚度为200μm。
将带有上述涂层的镁合金与仅有羟基磷灰石涂层的镁合金进行浸泡对比实验，在37℃模拟体液中浸泡3天后，带有上述涂层的镁合金浸提液的pH值为8.2，而仅带有羟基磷灰石涂层的镁合金浸提液的pH值为10.5。结果说明，中间化学转化膜对镁合金的耐蚀性起到了很大的控制作用，可调节镁合金在体内的降解速度。
本发明中间化学转化膜可以包括：磷酸盐系转化膜、稀土转化膜、植酸转化膜、含氟转化膜、有机金属转化膜、阳极氧化膜或微弧氧化膜等。化学转化膜的制备方法为：将镁或镁合金浸入相应的转化液中，在一定的温度下，镁或镁合金与转化液中成分发生化学反应；或者，同时在电压作用下改善膜层的性质，经过一段时间后在镁或镁合金表面生成转化膜，在获得转化膜后可以进行一定的热处理。本发明外层生物活性陶瓷层包括但不限于：羟基磷灰石、β—磷酸三钙(β—TCP)或磷酸镁。外层生物活性陶瓷层的制备方法包括：热喷涂方法、等离子体喷涂方法、溅射方法、电子束沉积方法、浸涂方法、溶胶—凝胶方法、电化学沉积方法或仿生方法等。
实验表明，以上选择均可适用于本发明。
Claims (6)
1.一种生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法，其特征在于：在镁或镁合金上制备表面涂层；首先，在镁或镁合金表面制备一层中间化学转化膜，然后，在外层制备具有生物活性的陶瓷层；该表面涂层既可控制镁或镁合金基体的降解速度又具有表面活性。
2.如权利要求1所述的生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法，其特征在于，中间化学转化膜包括：磷酸盐系转化膜、稀土转化膜、植酸转化膜、含氟转化膜、有机金属转化膜、阳极氧化膜及微弧氧化膜之一。
3.如权利要求1或2所述的生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法，其特征在于，化学转化膜的制备方法为：将镁或镁合金浸入相应的转化液中，镁或镁合金与转化液中成分发生化学反应，在镁或镁合金表面生成转化膜；或者，同时在电压作用下改善膜层的性质。
4.如权利要求1所述的生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法，其特征在于，外层生物活性陶瓷层为磷酸盐活性层，其主要成分包括：羟基磷灰石、β—磷酸三钙或磷酸镁。
5.如权利要求1或4所述的生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法，其特征在于，外层生物活性陶瓷层的制备方法包括：热喷涂方法、等离子体喷涂方法、溅射方法、电子束沉积方法、浸涂方法、溶胶—凝胶方法、电化学沉积方法或仿生方法。
6.如权利要求1所述的生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法，其特征在于，中间转化膜厚度为10nm至1mm，外层生物活性陶瓷层厚度为1μm至10mm。
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