CN103120805A - 一种生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层及制备 - Google Patents

Abstract

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涂层及制备方法。该生物活性表面涂层的特征为引入锶（Sr）元素作为涂层的活性元素。本发明所述的含锶涂层的制备方法涉及化学沉积、电化学沉积及微弧氧化等方法。该生物活性表面涂层不仅能控制镁合金的降解速度，而且还提高了镁合金植入器件的表面生物活性，通过锶元素的释放，使涂层具有一定的骨诱导作用及抑制溶骨现象发生的作用，从而促进植入器件周围骨组织的修复，提高了镁合金器件植入的成功率。本发明旨在进一步提高生物可降解镁合金表面涂层的生物活性。

Description

一种生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层及制备

技术领域

本发明属于生物材料技术领域，特别适用于生物医用材料的表面改性领域；具体涉及为一种生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层及制备。

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，其强度最高要超过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；镁合金的杨氏模量约为45GPa，比其它医用金属更接近人骨的弹性模量（20GPa左右），可明显减小应力遮挡效应。

镁合金作为可降解植入材料，植入后的降解速度过快，特别是在植入初期，导致局部高的pH值环境，使伤口不易愈合，并产生炎症反应等问题。同时因为降解过快，镁合金的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途径。表面化学转化膜、化学沉积技术、电化学沉积、高分子涂层技术等都已应用于生物可降解镁合金的表面处理，以期控制镁合金在人体环境中的腐蚀速度。采用上述方法在可降解镁合金表面制备出的涂层往往生物活性较低，缺乏促进周围骨组织生长的能力。

锶（Sr）是人体中存在的一种微量元素，锶元素具有良好的骨相容性，能够促进成骨细胞的生长，促进骨的重建过程，同时能够抑制破骨细胞的生长，防止溶骨现象。近年来用含锶物质促进骨愈合的研究引起人们的广泛关注。将锶元素引入可降解镁合金表面涂层中，有望提高镁合金植入器件的生物活性，促进周围骨组织的愈合。目前尚未见将锶元素引入到可降解镁合金表面涂层中的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层及制备，本发明可以控制可降解镁合金的降解速度，并具有良好的生物活性。

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涂层，该生物活性表面涂层的特征为引入锶元素作为涂层的活性元素，锶元素的原子百分比为1~10at.%，涂层的厚度为1~25μm。

本发明还提供了所述生物活性表面涂层的制备方法，该生物活性表面涂层的制备方法可以为化学沉积，电化学沉积和微弧氧化方法。

本发明提供的所述生物活性表面涂层的制备方法，所述化学沉积法是将镁或镁合金浸入一定成分的含锶元素的溶液中，在37~100℃温度下，在镁或镁合金表面反应沉积一层含锶元素的化学沉积涂层。所述电化学沉积法是将镁或镁合金浸入一定的含锶元素溶液中，并在镁或镁合金周围加一电场，在电压为0.1~0.5V、温度为25~90℃条件下，溶液中的离子定向移动，并在镁或镁合金表面进行电化学反应和化学反应，最终在其表面形成含锶的涂层。所述微弧氧化法是将镁或镁合金浸入特定的含锶元素的电解液中，通以300~500V电压、500~1000Hz频率的交流电信号，在交流电压作用下，镁或镁合金与电解液的中成分发生化学及电化学反应，在镁或镁合金表面生成一层含锶的陶瓷层。

本发明提供的所述生物活性表面涂层的制备方法，所述镁或镁合金包括：纯镁；现有商用镁合金，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，Mg-Sr，Mg-Si，Mg-Ca,Mg-Zn,Mg-Nd-Zn-Zr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。

本发明提供的所述生物活性表面涂层的制备方法，所述化学沉积或电化学沉积方法，其电解液中含锶物质为硝酸锶；所述微弧氧化处理方法，电解液中的含锶物质为氢氧化锶。

本发明提供的生物医用可降解镁合金的生物活性表面改性方法，所述化学沉积及电化学沉积涂层，涂层主要成分为氧化镁、镁的磷酸盐和钙的磷酸盐，其制备方法为将锶盐加入磷酸盐为主的沉积液中，然后将镁合金浸入沉积液中，在一定温度一定时间的处理后（电化学沉积需加一适当的电场），镁合金表面沉积一层含锶的涂层。所述微弧氧化涂层可包括磷酸盐系微弧氧化涂层、硅酸盐系微弧氧化涂层及两者复合，其制备方法是将锶盐加入硅酸盐系、磷酸盐系电解液中，然后将镁或镁合金浸入电解液中，通以300~500V电压、500～1000Hz的交流电信号，在一定的交流电压下，镁或镁合金与电解液中成分发生化学及电化学反应，同时在电场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含锶氧化层（陶瓷层）。其制备过程还包括在微弧氧化处理后进行一定的水热处理，改善微弧氧化涂层的性质。

本发明的特点在于：

1．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，所制备的涂层本身普遍生物活性较低。本发明提出一种可控制镁合金降解速度并具有良好生物活性的镁合金表面涂层。该发明通过将锶元素引入到可降解镁合金表面涂层中，既可控制镁合金基体的降解速度，同时通过锶元素的释放，提高了新骨形成速度，并具有一定的骨诱导作用，有利于周围骨组织的恢复，提高了植入成功率。

2．镁合金在降解过程中，植入体表面积过大或降解速度太高时，容易引起溶骨现象。目前人们往往只从控制镁合金降解速度方面来抑制溶骨现象的发生。而本发明将锶元素引入镁合金的表面涂层中，一方面可控制镁合金的降解速度，同时通过锶元素的释放可进一步抑制溶骨现象的发生，避免发生不良生物学行为。

具体实施方式

以下实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。

实施例1

首先制备含锶沉积液，其成分为：40g/L Ca(NO₃)₂·4H₂O，16g/LNa₂HPO₄·2H₂O，5g/L Sr(NO₃)₂。将溶液充分溶解，然后将纯度为99.99％的纯镁浸入到沉积液中，70℃下处理5分钟。样品取出后用自来水、蒸馏水冲洗样品表面残留溶液，吹干后于室温保存备用。

本实施例制备出的涂层以磷酸镁、磷酸钙和氧化镁为主要成分，能谱分析锶元素进入涂层内，含量为2.3at.%，涂层厚度为20μm。

纯镁经上述方法进行表面改性后，在37°C模拟体液中，以1.25cm²/mL比例浸泡3天后，模拟体液的pH值为8.3，而相同浸泡条件下未处理纯镁浸泡液的pH值为11.2，说明该涂层可有效控制纯镁的降解速度。在电镜下观察，可见改性后纯镁表面有新生CaP层，说明含锶涂层具有良好的生物活性。

实施例2

在AZ31（镁铝系）镁合金上采用电化学沉积的方法制备含锶的表面涂层，其中电解液的成分如下：Ca(NO₃)₂:0.0042M;NH₄PO₄:0.0025M;Sr(NO₃)₂:3g/L，用磷酸调整pH至3~6。在电解液温度为25~90℃、电压为0.1~0.5V的条件下，在AZ31B合金表面电沉积2~30min。样品取出后用自来水、蒸馏水冲洗样品表面残留溶液，吹干后于室温保存备用。

本实施例制备出的涂层元素成分为Mg、O、P、Ca和Sr，其中Sr含量为1.07at.%，厚度为15μm。

涂层后的AZ31镁合金，在37°C模拟体液中浸泡3天后，电镜下观察表面有新的CaP层生成，说明表面具有良好的生物活性。电化学测试表明，涂层后镁合金的自腐蚀电流明显降低，点蚀电位明显提高，说明其耐蚀性得到提高。

实施例3

在ZK60（Mg-Zn-Zr系）镁合金表面采用微弧氧化方法制备含Sr涂层。其中微弧氧化电解液成分为：1~5g/L NaOH；10~40g/L Na₂SiO₃；10~15g/LKF；0.5~5g/L Sr(OH)₂；其余为水。微弧氧化所用电压为450V，频率为800Hz，氧化时间为10min。

本方法制备的涂层成分主要为氧化镁、硅酸镁和氟化镁，能谱分析显示Sr元素进入涂层中，含量为1.57at.%。涂层厚度为25μm。

采用国家标准规定的溶血实验方法对镁合金进行检测，带有微弧氧涂层的镁合金植入体的溶血率为1％，满足国家标准要求（小于5％），而未有涂层保护的镁合金的溶血率为5.7%，有潜在的溶血性。说明该微弧氧化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。

比较例1

在ZK60镁合金（镁锌锆系）上制备微弧氧化涂层，其中电解液成分为：1~5g/L(NaPO₃)₆；5~10g/L KF。电解液温度控制在30~35°C之间，微弧氧化电压为370V，频率为1000Hz，时间为8min。该电解液制备的涂层中的主要元素为Mg、O、P和F。在上述电解液中加入1~3g/L Sr(OH)₂，用同样的电参数制备涂层。能谱分析表明，涂层中含有1~2at.%的锶元素。在模拟体液中浸泡1天后，浸泡液的pH值均在8.5左右。扫描电镜观察发现，含锶涂层表面沉积的钙磷物质含量要高于不含锶涂层，表明锶元素的加入能增强涂层诱导磷灰石沉积的能力。

对上述涂层用成骨细胞进行了MTT细胞实验，结果显示含锶涂层样品浸提液的细胞增殖率显著高于不含锶涂层样品浸提液。用间充质干细胞进一步的ALP活性测试，结果表明，含锶涂层样品浸提液培养的细胞ALP活性显著高于不含锶涂层。上述实验表明锶元素的加入能显著提高涂层的生物相容性及生物活性。

比较例2

将纯度为99.99％的纯镁，用电化学沉积方法制备涂层，电解液成分如下：0.0042M Ca(NO₃)₂；0.0025M NH₄PO₄。为制备含锶的涂层，将1~5g/LSr(NO₃)₂加入到上述电解液中，制备的参数均为：

温度：25~90℃；

用磷酸调整pH至3~6；

电压：0.1~0.5V；

时间：2~30min。

体外浸泡实验显示，上述含锶和不含锶两种涂层都能显著降低周围环境的pH。体外细胞直接培养结果显示，相对于未含锶涂层，含锶涂层能够显著促进成骨细胞在表面的粘附和增殖。表明锶的加入能够提高涂层的生物相容性。

以上选择均可适用于本发明。

Claims (9)

1.一种生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层，其特征在于：该涂层包括具有骨诱导作用的锶（Sr）元素。

2.按照权利要求1所述生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层，其特征在于：所述涂层的厚度为1~25μm。

3.按照权利要求1所述生物医用可降解镁合金的生物活性涂层表面涂层，其特征在于：所述涂层包含的锶元素含量为1~10at.%

4.按照权利要求1所述生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层的制备，其特征在于：该生物活性表面涂层采用化学沉积法、电化学沉积法、微弧氧化法中的一种方法进行制备。

5.按照权利要求4所述生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层的制备，其特征在于：所述化学沉积法是将镁或镁合金浸入一定成分的含锶元素的电解液中，在37~100℃温度下，在镁或镁合金表面反应沉积一层含锶元素的化学沉积涂层。

6.按照权利要求4所述生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层的制备，其特征在于：所述电化学沉积法是将镁或镁合金浸入一定的含锶元素电解液中，并在镁或镁合金周围加一电场，在电压为0.1~0.5V，温度为25~90℃条件下，溶液中的离子定向移动，并在镁或镁合金表面进行电化学反应和化学反应，最终在其表面形成含锶的涂层。

7.按照权利要求4所述生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层的制备，其特征在于：所述微弧氧化法是将镁或镁合金浸入特定的含锶元素的电解液中，通以300~500V电压、500~1000Hz频率的交流电信号，在交流电压作用下，镁或镁合金与电解液的中成分发生化学及电化学反应，在镁或镁合金表面生成一个含锶的陶瓷层。

8.按照权利要求5或6所述生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层的制备，其特征在于：所述电解液中含锶元素的物质为硝酸锶。

9.按照权利要求7所述生物医用可降解镁合金的生物活性表面涂层的制备，其特征在于：所述电解液中含锶元素的物质为氢氧化锶。