CN102397584A - 医用镁合金表面可降解复合保护膜层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种医用镁合金表面可降解复合保护膜层及其制备方法。该可降解复合保护膜是在医用镁合金表面制备，具有内外双层膜结构：内层膜采用微弧氧化技术制备，以氧化镁和硅酸镁陶瓷相为基体，在该基体相中弥散分布有强化增韧用的纳米氧化锆颗粒和改善生物活性用的羟基磷灰石颗粒；外层膜为利用真空浸渗法制备，以明胶为基体，在明胶基体中弥散分布有羟基磷灰石颗粒。该复合膜层可以显著的提高材料的耐蚀性能和韧性，进而达到可控降解的目的，同时该复合膜层可以提高材料的生物相容性。
Description
技术领域
本发明涉及医用镁合金的表面保护膜材料及其制备方法，属于生物医疗器械领域。具体为一种具有双层膜结构的医用镁合金表面可降解复合保护膜层，其中内层膜采用微弧氧化技术制备以氧化镁和硅酸镁陶瓷相为基体，在该基体相中弥散分布有强化增韧用的纳米氧化锆颗粒和改善生物活性用的羟基磷灰石颗粒；外层膜为利用真空浸渗法制备，以明胶为基体，在明胶基体中弥散分布有羟基磷灰石颗粒。
背景技术
镁合金在协助修复或取代患病或遭破坏的肌体组织方面起着重要作用。和陶瓷材料及高分子聚合材料相比，它具有高机械强度及断裂韧性，因此更适合用于负重区域。相对于常用的金属生物材料(如不锈钢、钛及钛合金和钴铬合金等)，镁合金的弹性模量和人体骨组织更为相近，可以更好的满足植入环境的需求。然而，镁合金的耐蚀性能较差，尤其是在人体酸性体质下，很容易发生点蚀，为此，需要一定的表面处理技术以控制降解速度、诱导骨及其他组织生长和修复。
微弧氧化是在金属表面原位生长陶瓷层的新技术。它是将铝、钛、镁等金属置于电解质溶液中，在热化学、等离子化学和电化学的共同作用下，使材料表面产生火花放电生成陶瓷层，进而显著提高上述材料的耐蚀性、耐磨性和硬度。与其他表面处理方法相比较，微弧氧化技术具有以下优点：(1)耐腐蚀性、耐磨性能更好；(2)与基体结合紧密，不易脱落；(3)可在金属表面形成粗糙面，有利于成骨细胞附着；(4)与通常的阳极氧化处理相比，对材料的疲劳强度降低很小。综之，将原有基体镁合金材料进行微弧氧化处理可以提高其人体中的耐蚀性能，降低析氢速率，延缓降解时间，给组织的愈合创造有利条件。
诸多研究表明，表面富含羟基磷灰石的微弧氧化镁合金，在传导成骨功能，新生骨形成，骨键合，植入肌肉、韧带、皮下后与周围组织的结合能力，以及避免炎症和其他不良反应的反应方面有很好的表现。然而，现有研究(Z.Q.Yao，Yu Ivanisenko，T.Diemant，et al.Synthesis and properties of hydroxyapatite-containing porous titania coating on ultrafine-grainedtitanium by micro-arc oxidation[J]Acta Biomaterialia，2010，6(7)：2816-2825.Long-Hao Li，Young-Min Kong，Hae-Won Kim，et al.Improved biological performance of Ti implants due tosurface modification by micro-arc oxidation[J]Biomaterials，2004，25(14)：2867-2875.)往往采用β-GP、醋酸钙、磷酸钙等作为电解质获得钙磷陶瓷层，进而水热合成或者SBF浸泡诱导生成羟基磷灰石，此法不够经济且工艺复杂、减弱膜层附着力，也有采用改进工艺的诸如微弧氧化EPD复合技术原位生成羟基磷灰石的报道(D.Y.Kim，M.Kim，H.E.Kim，et al.Formationof hydroxyapatite within porous TiO2layer by micro-arc oxidation coupled with electrophoreticdeposition[J]Acta Biomaterialia，2009，5(6)：2196-2205.)，虽可以简化工艺，但仍然能解决微弧氧化镁合金表面多孔，甚至是直达基体的通孔的现状，很难大幅度的提高镁合金的耐蚀性能，为此必须要进行封孔。
现有的微弧氧化封孔专利主要采用硅酸乙酯(深圳富泰宏精密工业有限公司，微弧氧化膜封孔方法：中国，200810303802.4[P].2010-02-17)、PMMA(深圳富泰宏精密工业有限公司，微弧氧化膜封孔方法：中国，200810303793.9[P].2010-02-17)等材料作为封孔，其初衷是封孔的致密性，在膜的强韧性、生物相容性和表面诱导性上仍稍显不足。真空浸渗法是近年发展起来的一种制备精细结构复合材料的新方法，其实质是利用大气压力推动增强体与基体的结合，它和压力浸渗法本质是相同的。但是由于该方法的压力控制容易，强度均匀，不易引起增强体的变形、破坏，因此，更适用于生物医用复合材料的制备。然而，目前真空浸渗报道也主要集中于解决电子材料、建材等领域微孔渗漏问题(林朝平.真空浸渗技术的应用[J].机械制造，2003，41(2))，也有利用该方法获得复合材料的报道(华南理工大学，一种泡沫陶瓷增强纤维气凝胶隔热材料及其制备方法：中国，201010248197.2[P].2010-08-06.同济大学，建筑用相变储能复合材料及其制备方法：中国，03116286.X[P].2003-04-10)。其常用的浸渗剂主要分两类：无机物(硅酸盐类)和有机类(如合成树脂、厌氧胶等)(中国科学院广州化学研究所；广州市坚红化工厂，密封补强用甲基丙烯酸酯型真空浸渗剂：中国，01130100.7[P].2001-12-18)，虽然也有对其工艺进行创新的报道(松下电器产业株式会社，电解液的浸渗装置和浸渗方法：中国，200610073791.6[P].2006-04-17)，但是真空浸渗技术在生物活性材料方面的应用，尤其是羟基磷灰石/明胶作为浸渗剂则鲜有报道。现今，虽也有诸多学者对羟基磷灰石/明胶复合支架(刘文斌.羟基磷灰石/明胶复合材料的制备及其性能研究[D]：成都：西南交通大学，2005.孙瑞雪.明胶/羟基磷灰石复合物微球中明胶对无机相影响的研究[J].影像科学与光化学，2009，27(5))、微球(赵峰.壳聚糖-明胶网络/羟基磷灰石复合材料支架的研究--制备及形貌[J].中国修复重建外科杂志，2001，15(5))、涂料(彭湘红.壳聚糖/纳米多层结构羟基磷灰石/明胶复合膜的性能[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(14))进行研究和报道，但是，其获得的涂层往往只限于特定的聚合物，对于微弧氧化陶瓷层的适应性能尚待分析(章伟平.聚乳酸多孔支架制备及表面改性研究[D]：南京：东南大学，2009)，同时，其这些膜层往往只在表观封孔，对于在微弧氧化陶瓷层中经常发现的一些贯穿的通孔等孔洞，封孔剂受内外压的作用难以完全涂覆，使得当材料表观封孔层被侵蚀后，耐蚀性能会发生显著下降。
介于上述原因，有必要开发出一种生物相容性好的微弧氧化复合保护层及封孔一体化技术。
发明内容
技术问题：本发明旨在克服现有镁合金微弧氧化及其封孔复合技术在耐蚀性、生物相容性、经济性上的不足，提出一种制备医用镁合金表面可降解复合保护膜层的新方法：该法制备出的膜层经济可行，不仅不会降低原有膜层的力学性能，还提高了原有镁合金以及镁合金微弧氧化陶瓷膜层的耐蚀性，更益于细胞粘附生长，添加的羟基磷灰石进一步增强了其成骨性能，使得医用镁合金获得良好的骨诱导特性和生物相容性。
技术方案：本发明的医用镁合金表面可降解复合保护膜的镁合金基体表面有一层生物相容性良好的可降解复合膜层，所述及的可降解复合膜层具有内外双层膜结构，其中，内层膜以氧化镁和硅酸镁陶瓷相为基体，在该基体相中弥散分布有强化增韧用的纳米氧化锆颗粒和改善生物活性用的羟基磷灰石颗粒，纳米氧化锆粒径为10nm～500nm，按重量百分比计算，氧化锆相占内层膜总重量的1％～15％，羟基磷灰石占内层膜总重量的1％～15％；外层膜以明胶为基体，在明胶基体中弥散分布有羟基磷灰石颗粒，按重量百分比计算，羟基磷灰石占外层膜总重量的1％～25％。
所述的医用镁合金表面可降解复合保护膜层制备的方法，其特征在于该复合保护层中内层膜采用微弧氧化方法在镁合金表面制备而成，而外层膜采用羟基磷灰石/明胶作为浸渗剂的真空浸渗封孔技术并经交联而产生。
所述的医用镁合金表面可降解复合保护膜层制备的方法，其特征在于该方法通过如下的步骤实现：
a.镁合金预处理：对镁合金材料表面进行打磨，清洗，干燥，以备用；
b.电解液配制：
羟基磷灰石纳米颗粒1～25g/L，纳米氧化锆颗粒1～25g/L，硅酸盐4～30g/L，氢氧化钠或氢氧化钾的一种或者二种1～10g/L，磷酸盐0～20g/L。电解液pH为8～14。
c.微弧氧化：以步骤a中处理好的镁合金为阳极，不锈钢容器为阴极，将预处理过的镁合金放进装有步骤b中配制的碱性电解液的不锈钢容器中，使用双向脉冲电源，采用正向电压300V～700V，负向电压0V～300V(或正向电流0.5～20A/dm2，负向电流0～10A/dm2)，占空比5％～60％，频率50Hz～1000Hz，进行微弧氧化处理10min～60min，处理过程中，电解液温度始终保持在20～60℃；
d.真空浸渗封孔：将微弧氧化后的镁合金置于真空浸渗腔，真空泵抽真空至100Pa～120Pa，将预先配置好的含有明胶浓度0.1～40wt％，羟基磷灰石的浓度为溶液中明胶浓度的1％～25％的羟基磷灰石/明胶混合溶液的储液室的阀门打开，将混合溶液装载入真空浸渗腔，与试样真空接触封孔。浸渍0.5～120min后，减压，打开上盖，以0.5～10cm/s的速度取出，风干冷却。随后采用0.1wt％～15wt％的戊二醛溶液浸泡干燥后的试样5～30min。依次用乙醇、蒸馏水清洗数次，干燥。
所述的医用镁合金表面可降解复合保护膜层制备的方法，其特征在于：步骤d所述的真空浸渗羟基磷灰石-明胶封孔技术可以重复使用，也可以套用喷涂、浸渍等工艺，获得梯度羟基磷灰石/明胶膜层。
有益效果：本方案设计的医用镁合金表面可降解复合保护膜层具有以下特点：
1)保护层的内层膜采用微弧氧化技术在镁合金基体表面一步原位合成，膜基结合力高，且在保护层内层膜中，纳米氧化锆颗粒弥散分布在在该基体相中，对传统微弧氧化镁合金表面以氧化镁和硅酸镁相为基的陶瓷薄膜有强化、增韧作用；而内层膜中的羟基磷灰石相是人体硬组织的主要无机组成，能改善保护膜的生物活性；
2)在保护层外层膜羟基磷灰石/明胶膜层中，明胶与微弧氧化陶瓷层具有一定的亲水润湿性和韧性，有助于羟基磷灰石/明胶膜层与陶瓷层紧密结合，不易脱落，同时明胶粘附性好，可以封住微弧氧化的放电孔洞通道，使得复合膜层与环境形成了良好的隔离，进一步提高了镁合金的耐蚀性能，通过控制羟基磷灰石/明胶膜层的厚度，可以使得该材料在特定的环境中的降解速度在一个相对较宽的范围内变化。与此同时，明胶的加入除了会使材料产生比较好的骨诱导性外，还会带来良好的血液相容性和组织相容性，提高材料的生物相容性、完全生物降解性且具有弱的抗原性。
3)羟基磷灰石颗粒的加入补充了明胶在力学强度上的欠缺，少量羟基磷灰石的加入不仅提高了表面膜层的强度，并且并没有降低明胶膜层的韧性和粘附性。在羟基磷灰石/明胶膜层中的羟基磷灰石能为骨的迁移提供生物相容的界面，通过外延生长和骨组织产生牢固的化学键结合，具有引导成骨的性能。同时，由于羟基磷灰石的化学组成和微观结构与骨组织几乎相同，可以在生理环境下阻止种植材料被腐蚀，从而增强了材料的耐久性。因此，该医用镁合金表面可降解复合保护膜层展示出了较好的生物相容性、降解性和诱导成骨等特性。
附图说明
图1：本发明具体制备流程图。
图2：本发明的真空浸渗装置示意图。图中有：真空泵1、调节阀2、压力表3、减压阀4、浸渗室5、样品6、开关阀7、储液室8。
图3：本发明医用镁合金表面可降解复合保护膜层表面的XRD分析图。
具体实例方式
本发明的医用镁合金表面可降解复合保护层是在医用镁合金表面制备，具有内外双层膜结构，其中，内层膜以氧化镁和硅酸镁陶瓷相为基体，在该基体相中弥散分布有强化增韧用的纳米氧化锆颗粒和改善生物活性用的羟基磷灰石颗粒，纳米氧化锆粒径为10nm～500nm，按重量百分比计算，氧化锆相占内层膜总重量的1％～15％，羟基磷灰石占内层膜总重量的1％～15％；外层膜以明胶为基体，在明胶基体中弥散分布有羟基磷灰石颗粒，按重量百分比计算，羟基磷灰石占外层膜总重量的1％～25％。
首先通过微弧氧化在镁合金基体表面原位生长出一层以氧化镁和硅酸镁陶瓷相为基体，在该基体相中弥散分布有强化增韧用的纳米氧化锆颗粒和改善生物活性用的羟基磷灰石颗粒的内保护层，然后，采用羟基磷灰石/明胶作为浸渗剂的真空浸渗封孔技术并交联，在内保护层上形成薄而韧的羟基磷灰石/明胶复合外膜层，均匀致密的填覆在陶瓷膜及其孔洞上。
实施例1
(1)制样：选用AZ31B镁合金加工成符合要求直径的丝；
(2)预处理：依次用丙酮、蒸馏水、无水乙醇超声清洗镁合金丝10min，干燥备用；
(3)微弧氧化电解液的配制：羟基磷灰石纳米颗粒10g/L，纳米氧化锆颗粒10g/L，硅酸盐10g/L，氢氧化钠1g/L，磷酸盐5g/L；
(4)羟基磷灰石/明胶混合溶液的配制：制备含有8wt％明胶、1wt％纳米级羟基磷灰石混合溶液，搅拌均匀，备用；
(5)微弧氧化：将步骤(2)中得到的镁合金丝作为阳极，不锈钢桶作为阴极，放置于电解液a中，施加正向电压450V，负向电压60V，频率600Hz，占空比为20％，电解液温度在40℃，进行10min的微弧氧化，取出放置于电解液b中，施加正向电压450V，负向电压60V，频率600Hz，占空比为20％，电解液温度在40℃，进行5min的微弧氧化；
(6)封孔：将微弧氧化后的镁合金置于真空浸渗腔，真空泵抽真空至120Pa，将预先配置好的含有步骤(4)制备的羟基磷灰石/明胶混合溶液的储液室阀门打开，将混合溶液装载入真空浸渗腔，与试样真空接触封孔。浸渍5min后，减压，打开上盖，以3cm/s的速度取出，干燥后采用0.25wt％的戊二醛溶液浸泡干燥后的试样20min。随后用乙醇浸泡样品3次，每次10min，蒸馏水反复清洗数次，去除戊二醛残留干燥，即可得到本发明的医用镁合金表面可降解复合保护膜层。
实施例2
(1)制样：选用AZ91D镁合金加工成符合要求的丝；
(2)预处理：依次用丙酮、蒸馏水、无水乙醇超声清洗镁合金丝10min，干燥备用；
(3)微弧氧化电解液的配制：羟基磷灰石纳米颗粒5g/L，纳米氧化锆颗粒5g/L，硅酸盐10g/L，氢氧化钾2g/L；
(4)羟基磷灰石/明胶混合溶液的配制：分别制备含有5wt％明胶、0.5wt％纳米级羟基磷灰石混合溶液，和含有10wt％明胶、2wt％纳米级羟基磷灰石混合溶液，搅拌均匀，备用；
(5)微弧氧化：将步骤(2)中得到的镁合金丝作为阳极，不锈钢桶作为阴极，施加正向电流3A/dm2，负向电流1A/dm2，频率600Hz，占空比为20％，电解液温度20～40℃，进行20min的微弧氧化；
(6)将微弧氧化后的镁合金置于真空浸渗腔，真空泵抽真空至120Pa，将预先配置好的含有步骤(4)制备的5wt％明胶，0.5wt％纳米级羟基磷灰石混合溶液的储液室阀门打开，混合溶液装载入真空浸渗腔，与试样真空接触封孔。浸渍2min后，减压，打开上盖，以3cm/s的速度取出，干燥后采用0.25wt％的戊二醛溶液浸泡干燥后的试样20min。随后用乙醇浸泡样品3次，每次10min，蒸馏水反复清洗数次，去除戊二醛残留干燥，再将试样直接浸渍在步骤(4)制备的含有10wt％明胶，2wt％纳米级羟基磷灰石混合溶液中2min，以2cm/s的速度缓慢取出，干燥后，采用0.25wt％的戊二醛溶液浸泡干燥后的试样20min。随后用乙醇浸泡样品3次，每次10min，蒸馏水反复清洗数次，去除戊二醛残留干燥，即可得到本发明的医用镁合金表面可降解复合保护膜层。即可得到本发明的医用镁合金表面可降解复合保护膜层。
实施例3
(1)制样：将镁合金加工成符合要求薄板片；
(2)预处理：依次采用200#，400#，600#，1000#，1200#砂纸研磨，用丙酮、蒸馏水、无水乙醇超声清洗镁合金板片10min，干燥待用；
(3)微弧氧化电解液的配制：羟基磷灰石纳米颗粒10g/L，纳米氧化锆颗粒5g/L，硅酸盐10g/L，氢氧化钾1g/L，磷酸盐5g/L。
(4)羟基磷灰石/明胶混合溶液的配制：制备含有6wt％明胶，0.5wt％纳米级羟基磷灰石混合溶液，搅拌均匀，备用；
(5)微弧氧化：将步骤(2)中得到的镁合金板片作为阳极，不锈钢桶作为阴极，施加正向电压450V，负向电压60V，频率600Hz，占空比为25％，电解液温度20～40℃，进行15min的微弧氧化；
(6)封孔：将微弧氧化后的镁合金置于真空浸渗腔，真空泵抽真空至120Pa，将预先配置好的含有步骤(4)制备的羟基磷灰石/明胶混合溶液的储液室阀门打开，将混合溶液装载入真空浸渗腔，与试样真空接触封孔。浸渍3min后，减压，打开上盖，以3cm/s的速度取出，干燥后采用0.25wt％的戊二醛溶液浸泡干燥后的试样20min。随后用乙醇浸泡样品3次，每次10min，蒸馏水反复清洗数次，去除戊二醛残留干燥，即可得到本发明的医用镁合金表面可降解复合保护膜层。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，还可在上述说明的基础上做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举，而这些属于本发明的精神所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种医用镁合金表面可降解复合保护层，其特征在于它是在医用镁合金表面制备，具有内外双层膜结构，其中，内层膜以氧化镁和硅酸镁陶瓷相为基体，在该基体相中弥散分布有强化增韧用的纳米氧化锆颗粒和改善生物活性用的羟基磷灰石颗粒，纳米氧化锆粒径为10nm～500nm，按重量百分比计算，氧化锆相占内层膜总重量的1％～15％，羟基磷灰石占内层膜总重量的1％～15％；外层膜以明胶为基体，在明胶基体中弥散分布有羟基磷灰石颗粒，按重量百分比计算，羟基磷灰石占外层膜总重量的1％～25％。
2.一种如权利要求1中所述的医用镁合金表面可降解复合保护膜层的制备方法，其特征在于该复合保护层的内层膜采用微弧氧化方法在镁合金表面制备而成，而外层膜采用羟基磷灰石/明胶作为浸渗剂的真空浸渗封孔技术并经交联而产生。
3.如权利要求2中所述的医用镁合金表面可降解复合保护膜层的制备方法，其特征在于该方法具体通过如下的步骤实现：
a.镁合金预处理：对镁合金材料表面进行打磨，清洗，干燥，以备用；
b.电解液配制：
羟基磷灰石纳米颗粒1～25g/L，纳米氧化锆颗粒1～25g/L，硅酸盐4～30g/L，氢氧化钠或氢氧化钾的一种或者二种1～10g/L，磷酸盐0～20g/L；电解液pH为8～14；
c.微弧氧化：以步骤a中处理好的镁合金为阳极，不锈钢容器为阴极，将预处理过的镁合金放进装有步骤b中配制的碱性电解液的不锈钢容器中，使用双向脉冲电源，采用正向电压300V～700V，负向电压0V～300V；或正向电流0.5～20A/dm2，负向电流0～10A/dm2；占空比5％～60％，频率50Hz～1000Hz，进行微弧氧化处理10min～60min，处理过程中，电解液温度始终保持在20～60℃；
d.真空浸渗封孔：将微弧氧化镁合金置于真空浸渗装置中，抽真空后与预配置好的羟基磷灰石-明胶混合溶液接触，浸渗封孔，取出干燥，戊二醛交联，乙醇、蒸馏水清洗数次并干燥。
4.如权利要求3中所述的医用镁合金表面可降解复合保护膜层制备的方法，其特征在于：步骤d所述羟基磷灰石-明胶混合溶液中，按重量百分比计算，明胶的浓度为0.1～40％，羟基磷灰石的浓度为溶液中明胶浓度的1％～25％。
5.如权利要求3中所述的医用镁合金表面可降解复合保护膜层制备的方法，其特征在于：步骤d所述的真空浸渗羟基磷灰石-明胶封孔技术重复使用，或以套用喷涂、浸渍工艺，获得梯度羟基磷灰石/明胶膜层。
6.如权利要求3中所述的医用镁合金表面可降解复合保护膜层制备的方法，其特征在于：真空浸没时间为0.5min～120min，取出速度为0.5cm/s～10cm/s。
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