CN104593851A - 含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金及其制备方法和应用，所述镁合金表面具有细胞响应性耐腐蚀涂层，所述涂层由等离子体阳极氧化涂层和叠层结构组成，所述叠层结构以壳聚糖-聚苯乙烯磺酸钠为重复单元涂覆于等离子体阳极氧化涂层上。本发明通过等离子体阳极氧化技术对镁合金表面进行涂层，并结合逐层自组装技术，在镁合金表面构筑细胞响应性耐腐蚀涂层，有效提高了镁合金基材的耐腐蚀性，促进了成骨细胞在材料表面的粘附和生长，从而满足了镁合金作为体内植入材料的需求，有效解决了镁合金耐腐蚀性差、细胞相容性不好的问题，扩大了镁合金的临床应用范围，增加了临床应用的长期有效性。
Description
技术领域
本发明属于医用金属材料领域，具体涉及一种含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金及其制备方法和应用。
背景技术
医用镁合金材料具有优异的机械性能，在人体内会被逐步腐蚀降解，最终被机体吸收代谢，在生理环境中具有可降解能力。金属镁存在于骨组织中，镁合金与人骨的力学性能相近，如弹性模量。镁合金作为硬组织修复替代材料，无需考虑金属离子释放的毒性和二次手术问题，可以解决目前可降解高分子材料存在的强度、刚度不够的问题，具有重要的应用价值和广阔的应用前景，因此医用镁合金正逐步受到研究人员的广泛关注。但是，镁合金的耐腐蚀性差，在人体内的降解速度与组织愈合速度不匹配，直接影响植入的成功率，进而限制了镁合金在临床中的应用。
针对上述问题，现有技术采用等离子体阳极氧化技术进行改进，等离子体阳极氧化技术作为一种原位生成涂层的表面改性技术，能够制备具有牢固结合力的涂层附着于基材上，提供良好的耐腐性能。但等离子体阳极氧化形成的涂层多是粗糙、多孔、有裂痕的表面，且不具有生物活性。因此，仍旧有必要对镁合金表面改性技术进行进一步探讨。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金，该镁合金先以等离子体阳极氧化进行预处理，然后进行逐层自组装，从而有效提高了镁合金的耐腐蚀性和细胞响应性；同时，本发明还提供了含有该生物活性涂层的镁合金的制备方法及其在制备医用硬组织植入材料中的应用。
本发明采取的技术方案如下：
1、含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金，所述镁合金表面具有细胞响应性耐腐蚀涂层，所述涂层由等离子体阳极氧化涂层和叠层结构组成，所述叠层结构以壳聚糖-聚苯乙烯磺酸钠为重复单元涂覆于等离子体阳极氧化涂层上。
优选的，所述重复单元的重复次数为5～30次。
优选的，所述等离子体阳极氧化涂层以5～50g/L Na2SiO3溶液和1～5g/L KOH溶液为电解液，镁合金为阳极，石墨为阴极进行等离子体阳极氧化得到。
2、含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)基材预处理
将镁合金表面进行预处理，获得具有洁净的金属表面的镁合金；
(2)等离子体阳极氧化
以5～50g/L Na2SiO3溶液和1～5g/L KOH溶液为电解液，以步骤(1)处理后的镁合金作为阳极，石墨作为阴极，将镁合金和石墨浸入电解液中，采用电压为200～500V、频率为100～1000Hz、占空比为10％～50％、阴阳间距为3～6cm的直流脉冲电源对镁合金进行等离子体阳极氧化处理，处理时间为5～30min，得到表面具有等离子体阳极氧化涂层的镁合金；
(3)逐层自组装
将步骤(2)获得的具有等离子体阳极氧化涂层的镁合金先用1～10mg/mL的聚乙烯亚胺溶液浸泡1～15min，然后依次旋涂1～10mg/mL壳聚糖-乙酸溶液和1～10mg/mL聚苯乙烯磺酸钠溶液，旋涂速度500～5000rpm，每次旋涂时间10～60s；旋涂时每涂一层后先用水清洗再旋涂下一层；旋涂完毕后氮气吹干，即得表面含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金。
优选的，所述步骤(2)中所述Na2SiO3溶液的浓度为15g/L，KOH溶液的浓度为3g/L。
优选的，所述步骤(2)中所述直流脉冲电源的电压为350V、频率为100Hz、占空比为30％、阴阳间距为4cm。
优选的，所述步骤(3)中所述聚乙烯亚胺溶液、壳聚糖-乙酸溶液和聚苯乙烯磺酸钠溶液的浓度均为5mg/mL。
优选的，所述步骤(3)中所述旋涂速度为2000rpm，每次旋涂时间20s。
优选的，所述步骤(3)中所述壳聚糖-乙酸溶液以壳聚糖为溶质，体积分数为0.3％的乙酸溶液为溶剂配制而成。
3、含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金作为植入材料的应用。
本发明的有益效果在于：本发明首先以等离子体阳极氧化技术在镁合金表面形成涂层，然后结合逐层自组装，在镁合金表面构筑细胞响应性耐腐蚀涂层。自组装技术制备的高分子涂层能够对等离子体阳极氧化产生的微孔进行封装，形成相对平整紧凑的表面结构，可以为镁合金提供更好地腐蚀防护作用。另外，利用生物活性聚电解质自组装有利于实现涂层的生物功能化修饰，促进细胞响应。经过等离子体阳极氧化技术及逐层自组装技术获得的涂层可以有效提高镁合金基材的耐腐蚀性，促进成骨细胞在材料表面的粘附和生长，从而满足镁合金作为体内植入材料的需求，有效解决镁合金耐腐蚀性差、细胞相容性不好的问题，扩大镁合金的临床应用范围，增加临床应用的长期有效性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
图1未涂层的镁合金的扫描电镜图；
图2表面形成细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金的扫描电镜图；
图3表面形成细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金的能谱图；
图4成骨细胞在未涂层的镁合金表面的形态图；
图5成骨细胞在形成细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金表面的形态图。
具体实施方式
下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金的制备方法如下：
(1)基材预处理
将镁合金片依次用100目、300目和2000目的砂纸打磨至表面光亮，然后用丙酮超声清洗5分钟，得到洁净的金属表面；
(2)等离子体阳极氧化
以15g/L Na2SiO3和3g/L KOH溶液为电解液，步骤(1)处理后的镁合金片为阳极，石墨为阴极，将镁合金片和石墨棒浸入电解液中，采用电压为350V、频率为100Hz、占空比为30％、阴阳间距为4cm的直流脉冲电源对镁合金进行等离子体阳极氧化处理，处理时间为10分钟；
(3)逐层自组装
将步骤(2)处理后的镁合金在5mg/mL聚乙烯亚胺溶液中浸泡10分钟，然后用超纯水清洗1分钟，将5mg/mL壳聚糖-乙酸溶液旋涂于镁合金表面，用超纯水清洗后再旋涂5mg/mL聚苯乙烯磺酸钠溶液；每旋涂一层即用超纯水清洗一次，每次旋涂速度2000rpm，旋涂时间20s；旋涂完壳聚糖-乙酸溶液和聚苯乙烯磺酸钠溶液作为一个逐层自组装循环，共循环5次，最后氮气吹干即得含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金；其中，壳聚糖-乙酸溶液以0.3％(v/v)的乙酸为溶剂配制而成。
实施例2
含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金的制备方法如下：
(1)基材预处理
同实施例1；
(2)等离子体阳极氧化
以5g/L Na2SiO3和1g/L KOH溶液为电解液，步骤(1)处理后的镁合金片为阳极，石墨为阴极，将镁合金片和石墨棒浸入电解液中，采用电压为200V、频率为300Hz、占空比为10％、阴阳间距为3cm的直流脉冲电源对镁合金进行等离子体阳极氧化处理，处理时间为20分钟；
(3)逐层自组装
将步骤(2)处理后的镁合金在1mg/mL聚乙烯亚胺溶液中浸泡15分钟，然后用超纯水清洗1分钟，将1mg/mL壳聚糖-乙酸溶液旋涂于镁合金表面，用超纯水清洗后再旋涂1mg/mL聚苯乙烯磺酸钠溶液；每旋涂一层即用超纯水清洗一次，每次旋涂速度500rpm，旋涂时间60s；旋涂完壳聚糖-乙酸溶液和聚苯乙烯磺酸钠溶液作为一个逐层自组装循环，共循环15次，最后氮气吹干即得含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金；其中，壳聚糖-乙酸溶液以0.3％(v/v)的乙酸为溶剂配制而成。
实施例3
(1)基材预处理
同实施例1；
(2)等离子体阳极氧化
以50g/L Na2SiO3和5g/L KOH溶液为电解液，步骤(1)处理后的镁合金片为阳极，石墨为阴极，将镁合金片和石墨棒浸入电解液中，采用电压为500V、频率为500Hz、占空比为50％、阴阳间距为6cm的直流脉冲电源对镁合金进行等离子体阳极氧化处理，处理时间为30分钟；
(3)逐层自组装
将步骤(2)处理后的镁合金在10mg/mL聚乙烯亚胺溶液中浸泡7分钟，然后用超纯水清洗1分钟，将10mg/mL壳聚糖-乙酸溶液旋涂于镁合金表面，用超纯水清洗后再旋涂10mg/mL聚苯乙烯磺酸钠溶液；每旋涂一层即用超纯水清洗一次，每次旋涂速度1000rpm，旋涂时间40s；旋涂完壳聚糖-乙酸溶液和聚苯乙烯磺酸钠溶液作为一个逐层自组装循环，共循环10次，最后氮气吹干即得含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金；其中，壳聚糖-乙酸溶液以0.3％(v/v)的乙酸为溶剂配制而成。
实施例4
(1)基材预处理
同实施例1；
(2)等离子体阳极氧化
以30g/L Na2SiO3和3g/L KOH溶液为电解液，步骤(1)处理后的镁合金片为阳极，石墨为阴极，将镁合金片和石墨棒浸入电解液中，采用电压为400V、频率为700Hz、占空比为40％、阴阳间距为5cm的直流脉冲电源对镁合金进行等离子体阳极氧化处理，处理时间为10分钟。
(3)逐层自组装
将步骤(2)处理后的镁合金在8mg/mL聚乙烯亚胺溶液中浸泡4分钟，然后用超纯水清洗1分钟，将8mg/mL壳聚糖-乙酸溶液旋涂于镁合金表面，用超纯水清洗后再旋涂8mg/mL聚苯乙烯磺酸钠溶液；每旋涂一层即用超纯水清洗一次，每次旋涂速度3000rpm，旋涂时间30s；旋涂完壳聚糖-乙酸溶液和聚苯乙烯磺酸钠溶液作为一个逐层自组装循环，共循环20次，最后氮气吹干即得含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金；其中，壳聚糖-乙酸溶液以0.3％(v/v)的乙酸为溶剂配制而成。
实施例5
(1)基材预处理
同实施例1；
(2)等离子体阳极氧化
以40g/L Na2SiO3和4g/L KOH溶液为电解液，步骤(1)处理后的镁合金片为阳极，石墨为阴极，将镁合金片和石墨棒浸入电解液中，采用电压为500V、频率为1000Hz、占空比为20％、阴阳间距为5cm的直流脉冲电源对镁合金进行等离子体阳极氧化处理，处理时间为5分钟；
(3)逐层自组装
将步骤(2)处理后的镁合金在3mg/mL聚乙烯亚胺溶液中浸泡1分钟，然后用超纯水清洗1分钟，将3mg/mL壳聚糖-乙酸溶液旋涂于镁合金表面，用超纯水清洗后再旋涂3mg/mL聚苯乙烯磺酸钠溶液；每旋涂一层即用超纯水清洗一次，每次旋涂速度5000rpm，旋涂时间10s；旋涂完壳聚糖-乙酸溶液和聚苯乙烯磺酸钠溶液作为一个逐层自组装循环，共循环30次，最后氮气吹干即得含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金；其中，壳聚糖-乙酸溶液以0.3％(v/v)的乙酸为溶剂配制而成。
含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金性能测试
用本发明得到的表面形成细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金进行以下实验，其中以未涂层的镁合金作为对照，所述未涂层的镁合金为仅进行基材的预处理操作：
1、用扫描电子显微镜(FEI Nova 400，Philips公司)观察未涂层的镁合金和经过涂层的镁合金表面形貌的变化，结果如图1和图2所示。由图1和图2可见，未涂层的镁合金表面呈现很多打磨过程中形成的明显划痕，而经过逐层自组装后，划痕明显减少。
2、用扫描电子显微镜附带的能谱仪(FEI Nova 400，Philips公司)分析镁合金表面元素变化，由图3可见，含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金表面出现了碳、氧和硫元素的峰，表明多层膜已经成功沉积于材料表面。
3、用电化学工作站样(AutoLab，瑞士万通公司)对含有涂层的镁合金和未涂层的镁合金进行动电位极化曲线测定，测试在人工模拟体液中进行，采用三电极体系进行电化学测试，以饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，Pt电极为辅助电极，样品作为工作电极，电位扫描速度为0.05V/s。通过Tafel方法对镁合金和含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金在模拟体液中的动电位扫描极化曲线进行拟合，得到腐蚀电位(Ecorr)和腐蚀电流密度(icorr)，见表1。
表1 不同镁合金的腐蚀电位及腐蚀电流
| 样品 | Ecorr(V) | icorr(A/cm2) |
| 未涂层的镁合金 | -1.568 | 2.14×10-5 |
| 实施例1处理后的镁合金 | -1.036 | 4.25×10-6 |
由表1可以看出，含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金的腐蚀电流密度比镁合金的腐蚀电流密度降低了1个数量级，腐蚀电位提高了约500mV，表明经过等离子体阳极氧化和层层自组装处理可以提高镁合金的耐腐蚀性。
4、通过荧光显微镜(IX71型，OLYMPUS公司)对得到的表面生成细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金进行大鼠成骨细胞粘附形态测试，将未涂层的镁合金、含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金超声清洗后分别放入24孔培养板，并按照材料表面积(cm2)与培养液体积(mL)之比为1.5：l的比例加入不含胎牛血清的DMEM培养液，于37℃恒温箱内放置72小时；取浸提液，离心，封存；取第三代原代培养的大鼠成骨细胞按5,000个/孔细胞接种于96孔板，37℃细胞培养箱内培养24小时后，吸出原有培养液，加入镁合金浸提液，加入量100μL/孔，置于37℃细胞培养箱内培养4天；每个条件平行设置4个孔，同时以细胞培养液为阴性对照；细胞培养完毕后吸出培养液，用温热的PBS缓冲液清洗细胞，然后用4℃，2％的戊二醛固定细胞，固定时间30min；固定完毕后吸出戊二醛，PBS清洗细胞，加入0.2％的Trixton-X100，细胞透膜3min；吸出Trixton-X100后，PBS清洗细胞，加入100μL的5U/mL TRITC-鬼笔环肽，4℃下过夜，PBS清洗细胞，然后再加入10μg/mL Hochest 33258溶液染色5min，吸出染料，PBS清洗细胞，倒置荧光显微镜下观察并拍照，结果见图4和图5。由图4和图5可知，含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金表面细胞粘附数量明显增多，说明经过等离子体阳极氧化和逐层自组装处理后的镁合金在细胞响应性上得到明显增强。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金，其特征在于，所述镁合金表面具有细胞响应性耐腐蚀涂层，所述涂层由等离子体阳极氧化涂层和叠层结构组成，所述叠层结构以壳聚糖-聚苯乙烯磺酸钠为重复单元涂覆于等离子体阳极氧化涂层上。
2.根据权利要求1所述的含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金，其特征在于，所述重复单元的重复次数为5～30次。
3.根据权利要求1所述的含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金，其特征在于，所述等离子体阳极氧化涂层以5～50g/L Na2SiO3溶液和1～5g/L KOH溶液为电解液，镁合金为阳极，石墨为阴极进行等离子体阳极氧化得到。
4.权利要求1～3任一项所述含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)基材预处理
将镁合金表面进行预处理，获得具有洁净的金属表面的镁合金；
(2)等离子体阳极氧化
以5～50g/L Na2SiO3溶液和1～5g/L KOH溶液为电解液，以步骤(1)处理后的镁合金作为阳极，石墨作为阴极，将镁合金和石墨浸入电解液中，采用电压为200～500V、频率为100～1000Hz、占空比为10％～50％、阴阳间距为3～6cm的直流脉冲电源对镁合金进行等离子体阳极氧化处理，处理时间为5～30min，得到表面具有等离子体阳极氧化涂层的镁合金；
(3)逐层自组装
将步骤(2)获得的具有等离子体阳极氧化涂层的镁合金先用1～10mg/mL的聚乙烯亚胺溶液浸泡1～15min，然后依次旋涂1～10mg/mL壳聚糖-乙酸溶液和1～10mg/mL聚苯乙烯磺酸钠溶液，旋涂速度500～5000rpm，每次旋涂时间10～60s；旋涂时每涂一层后先用水清洗再旋涂下一层；旋涂完毕后氮气吹干，即得表面含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述Na2SiO3溶液的浓度为15g/L，KOH溶液的浓度为3g/L。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述直流脉冲电源的电压为350V、频率为100Hz、占空比为30％、阴阳间距为4cm。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述聚乙烯亚胺溶液、壳聚糖-乙酸溶液和聚苯乙烯磺酸钠溶液的浓度均为5mg/mL。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述旋涂速度为2000rpm，每次旋涂时间20s。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中所述壳聚糖-乙酸溶液以壳聚糖为溶质，体积分数为0.3％的乙酸溶液为溶剂配制而成。
10.权利要求1～3任一项所述含细胞响应性耐腐蚀涂层的镁合金作为植入材料的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150506 |