CN106544714B - 一种医用镁合金表面涂层的制备方法 - Google Patents

一种医用镁合金表面涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种医用镁合金表面涂层的制备方法，属于生物医用骨植入金属材料表面处理技术领域，包括如下步骤：（1）以石墨板作为阴极，预处理的镁合金作为阳极进行电解抛光处理；（2）以不锈钢板为阴极，电解抛光处理过的镁合金作为阳极进行微弧电泳处理，其中阴阳两极的主平面之间距离为0.5‑1cm；（3）将微弧电泳处理过的镁合金进行水热合成处理，反应结束经后处理即在镁合金表面制得涂层。本发明制备的水热复合涂层，羟基磷灰石具有纯度高、结晶性好的特点，与骨组织相似性高，具有诱导新骨组织生长，加速骨组织愈合放入作用。

Description

一种医用镁合金表面涂层的制备方法
技术领域
本发明属于生物医用骨植入金属材料表面处理领域，具体涉及一种医用镁合金表面涂层的制备方法。
背景技术
镁及其合金具有和自然骨相似的密度、弹性模量以及屈服强度，可以有效避免应力遮挡效应；同时具有可降解性以及良好的生物相容性，因此是理想的骨科固定材料，具有很多优于其他医用金属材料的性能。
镁及其合金作为可降解修复材料植入后，至少需要稳定存在三个月以上，以提供足够的时间让新骨生长以修复受损的骨组织。但是镁及其合金的化学性质极为活泼，在腐蚀介质环境中极易发生腐蚀，造成植入物的失效。为了提高在人体环境中的耐腐蚀性能，采用表面改性对镁合金表面进行处理。
作为骨科固定材料的骨螺钉，由于其形状特殊复杂，大大提高了表面改性的难度。考虑到人体内复杂的生理环境，骨组织之间普遍存在很多动态的相互作用，因此要寻找一种具有高结合强度的涂层，来保证在服役阶段不发生剥落而引发严重的炎症反应。
在众多的表面改性方式中，微弧电泳涂层为原位生长的陶瓷膜，涂层与基体属于冶金结合。但是微弧电泳涂层也存在其自身的缺陷，由于涂层表面存在大量的微孔，为腐蚀介质的渗入提供了离子通道，骨螺钉的腐蚀依然非常严重，因此单纯依靠微弧电泳涂层耐腐蚀性能依然不能满足临床上的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种医用镁合金表面涂层的制备方法。
基于上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种医用镁合金表面涂层的制备方法，包括如下步骤：
（1）以石墨板作为阴极，预处理的镁合金作为阳极进行电解抛光处理，其中阴阳两极的主平面之间距离为0.5-2cm；
（2）以不锈钢板为阴极，电解抛光处理过的镁合金作为阳极进行微弧电泳处理，微弧电泳处理结束后将镁合金用去离子水清洗并干燥，即在镁合金表面形成微弧电泳涂层，其中阴阳两极的主平面之间距离为0.5-1cm，每1L微弧电泳处理液由以下成分组成：磷酸盐50~60g、氢氧化物2.0~3.0 g、氟化物0.5~0.6 g、羟基磷灰石0.3~2.0g，丙三醇1-7 mL，余量为去离子水；具体配制过程如下：将磷酸盐、氢氧化物和氟化物溶解于去离子水中，充分搅拌完全后加入1-7 mL丙三醇，由于丙三醇粘性较大且不易分散，所以置于磁力搅拌机上搅拌25~35分钟后加入0.3~2.0g羟基磷灰石颗粒，以防沉淀，去离子水定容成1000 mL溶液，再搅拌25~35分钟以保证其分布均匀后待用；
（3）对微弧电泳处理过的镁合金进行水热合成处理以对微弧电泳涂层进行封孔，反应结束后将镁合金在无水乙醇中超声清洗并干燥，即在镁合金表面制得水热复合涂层，每1L水热合成处理液由以下成分组成：乙二胺四乙酸二钙0.05~0.2 mol、磷酸二氢钾或磷酸二氢钠0.05~0.2 mol，氢氧化钾调节pH值为7.5~9.5，余量为去离子水，具体配制过程如下：分别称取乙二胺四乙酸二钙、磷酸二氢钾或磷酸二氢钠，加入去离子水经磁力搅拌器搅拌配制成透明溶液，然后滴加饱和氢氧化钾溶液调节溶液pH值为7.5~9.5，并用去离子水定容成1000 mL溶液。
进一步地，所述步骤（1）中镁合金为Mg-Zn-Ca镁合金。
所述步骤（2）中磷酸盐为磷酸钠、磷酸氢钠或磷酸氢铵。
所述步骤（2）中氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾。
所述步骤（2）中氟化物为氟化钠或氟化钾。
所述步骤（2）中微弧电泳处理是在145-165V处理15-25min。
所述步骤（3）中水热合成反应时间为0.5-2.5 h，温度为363-433 K。
所用羟基磷灰石为纳米级颗粒（Ca10(PO4)6(OH)2，HA）；所用乙二胺四乙酸二钙、磷酸盐、磷酸二氢钾或磷酸二氢钠、氢氧化物、氟化物、羟基磷灰石为分析纯试剂，所述去离子水为工业用去离子水。
其中，将镁合金机加工成临床上的骨螺钉等常见骨植入器件，并对机加工后的骨植入器件进行超声清洗、干燥即得预处理的镁合金。
水热处理过程中提前预热电热恒温干燥箱到预定温度363-433 K，将水热反应釜放入干燥箱中保温0.5-2h后取出，将取出的骨螺钉在无水乙醇中超声清洗10分钟后干燥待用。
本发明通过优化微弧电泳工艺参数，缓解了骨螺钉尖端严重的放电现象，成功在骨螺钉表面制备结合性能良好，具有一定耐蚀性的微弧电泳涂层。在电解液中添加丙三醇能明显抑制尖端放电现象，适当添加丙三醇对制备均匀致密的微弧电泳涂层具有十分重要的意义。
由于微弧电泳涂层具有很高孔隙率，不能从根本上解决镁合金耐蚀性差的问题，所以采用水热合成对微弧电泳涂层进行封孔。采用水热合成有以下几个方面的优势：第一、不受几何形状的限制，可对形状复杂试样进行表面处理；第二、可以在较低的温度下形成结合强度好，厚度可观的保护性涂层，不会影响镁合金基体组织和力学性能；第三、制备过程试样表面均暴露在水溶液环境中，保证涂层的完整性；第四、对微弧电泳涂层表面进行封孔，大大减少了孔隙率，提高了涂层的致密性和耐腐蚀性能，进一步延缓基体的腐蚀；第五将微弧电泳涂层中非晶态的羟基磷灰石转变为纯度高、结晶性好的纳米棒状羟基磷灰石，对生物相容性有了一定程度的改善。
本发明制备的水热复合涂层，羟基磷灰石具有纯度高、结晶性好的特点，与骨组织相似性高，具有诱导新骨组织生长，加速骨组织愈合放入作用。同时水热复合涂层大大削减了微弧电泳涂层熔融突起的形态特征，使微弧电泳涂层光滑的表面变得粗糙不平，同时降低了涂层的孔隙率和孔径尺寸，有利于降低涂层的粗糙度和提高耐腐蚀性能。水热复合涂层表面生长着纳米级细小棒状的羟基磷灰石，在提高了涂层的亲水性的同时，和微米级微弧电泳涂层相比，纳米结构表面晶界增多，有利于促进成骨细胞在涂层表面的粘附和增殖。同时利用水热合成进行封孔，一方面阻止腐蚀介质的渗入，延缓腐蚀的继续进行；另一方面具有生物可降解性以及诱导钙磷盐沉积的骨诱导性，这是植入材料具有良好生物相容性的重要因素。
附图说明
图1为实施例1镁合金骨螺钉宏观形貌；
图2为实施例1镁合金骨螺钉微弧电泳涂层的扫描形貌图；
图3为实施例1镁合金骨螺钉水热复合涂层的扫描形貌图；
图4为试样a-c在模拟体液中的极化曲线；
图5为试样e在模拟体液中浸泡3天后的扫描形貌图；
图6为试样f在模拟体液中浸泡6天后的扫描形貌图。
具体实施方式
下面实施例中将镁合金加工成骨螺钉并在骨螺钉的表面制备涂层，以期对本发明的技术方案作进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
下述实施例所用羟基磷灰石为纳米级颗粒；所用乙二胺四乙酸二钙、磷酸钠、磷酸二氢钾、氢氧化钾、氟化钾、羟基磷灰石为分析纯试剂，所述去离子水为工业用去离子水。
实施例1
一种镁合金骨螺钉表面涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1) 利用数控车床对Mg-Zn-Ca镁合金挤压棒材进行加工，根据ISO 5835加工为骨螺钉(螺帽外径8.0 mm，螺纹外径为4.0 mm，内径为3.0 mm，螺距1.0 mm，骨螺钉总长度8.0mm)如图1镁合金骨螺钉宏观形貌；
(2) 在螺帽凹槽内钻一个直径为Φ2 mm的孔，以连接导线；
(3) 将镁合金骨螺钉用配置的丙酮和无水乙醇（体积比1︰1）混合溶液，在超声波环境下清洗10分钟，除去表面的油脂和杂质；
(4) 以石墨板作为阴极与直流电路的负极相连，镁丝作为导线插入螺帽凹槽的孔内作为阳极与直流电路的正极连接，而后浸入配置好的电解抛光处理液中；电解抛光处理液配制过程如下：将240 mL磷酸加入740 mL无水乙醇中，充分搅拌混合后再加入20 mL丙三醇，室温下，将镁合金骨螺钉在电解槽中进行电解抛光处理；将两极板平行放置，两极板之间保持20 mm 左右的距离；在将镁合金骨螺钉浸入电解抛光处理液之前，调节电压至10V左右，以防止接通电路前试样发生化学腐蚀，浸入电解抛光处理液之后，在10 V左右下保持5min后取出，在无水乙醇中进行超声清洗后干燥待用；
(5) 配制微弧电泳处理液：依次将54 g磷酸钠，2.8g氢氧化钾和0.56 g氟化钾溶解于去离子水中，充分搅拌完全后加入4 ml丙三醇，置于磁力搅拌机上搅拌30分钟后加入1g羟基磷灰石颗粒，去离子水定容成1000 mL溶液，再搅拌30分钟以保证其分布均匀后待用；
(6) 微弧电泳处理：以不锈钢板作为阴极与直流电路的负极相连，镁丝作为导线插入螺帽凹槽的孔内作为阳极与直流电路的正极连接，将两极板平行放置，两极板之间保持10 mm 左右的距离，而后将两极板浸入步骤（5）的配制微弧电泳处理液中，采用台阶式逐渐连续调节电压由0 V至155 V，当电压达到100 V时开始记录时间；其中，由于羟基磷灰石颗粒易团簇和沉淀，在反应过程中微弧电泳处理液要始终处于搅拌状态；155V保持20 min后直接将电压降至0 V，再把制备好涂层的镁合金骨螺钉用去离子水清洗，然后在烘干箱中烘干，即得表面覆盖有微弧电泳涂层的镁合金骨螺钉；对所得微弧电泳涂层进行扫描，得到图2镁合金骨螺钉微弧电泳涂层的扫描形貌图；从图2可以看出，制备涂层过程中骨螺钉严重的尖端放电现象，微弧电泳涂层孔径尺寸小，微孔致密，涂层均匀平整。
(7) 水热合成处理：将制备好微弧电泳涂层的镁合金骨螺钉试样装入聚四氟乙烯内衬中，然后加入配置好的水热合成处理液，将内衬装入不锈钢外套；提前预热电热恒温干燥箱到393 K，将水热反应釜放入干燥箱中保温1.5 h后取出，将骨螺钉在无水乙醇中超声清洗10分钟后干燥即得，对所得水热复合涂层进行扫描，得到图3镁合金骨螺钉水热复合涂层的扫描形貌图；从图3可以看出，水热复合涂层涂层形貌均匀致密，可以利用水热合成法对形状复杂的镁合金骨螺钉微弧电泳涂层进行封孔。
配制水热合成处理液：分别称取0.10 mol乙二胺四乙酸二钙和0.10 mol磷酸二氢钾，溶解于去离子水中并经磁力搅拌器搅拌配制成透明溶液，然后滴加饱和氢氧化钾溶液调节溶液pH值至8.5，去离子水定容成1000 mL的溶液。
水溶液环境中直接在镁合金表面合成羟基磷灰石是很困难的，这是由于镁离子在水溶液中极易溶出，会取代羟基磷灰石中钙的位置，阻碍羟基磷灰石结晶；而乙二胺四乙酸二钙是钙的螯合物，可以在镁合金表面保持足够高的钙离子浓度，防止镁离子抑制羟基磷灰石形成。乙二胺四乙酸二钙提供羟基磷灰石合成的钙源，磷酸二氢钾提供磷源。分别称取一定量的乙二胺四乙酸二钙和磷酸二氢钾，依次用去离子水经磁力搅拌器搅拌配制成透明溶液，然后滴加高浓度的氢氧化钾调节溶液pH值。
实施例2
一种镁合金骨螺钉表面涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1) 利用数控车床对Mg-Zn-Ca镁合金挤压棒材进行加工，根据ISO 5835加工为骨螺钉(螺帽外径8.0 mm，螺纹外径为4.0 mm，内径为3.0 mm，螺距1.0 mm，骨螺钉总长度8.0 mm)；
(2) 在螺帽凹槽钻一个直径为Φ2 mm的孔，以连接导线；
(3) 将镁合金骨螺钉用配置的丙酮和无水乙醇（体积比1︰1）混合溶液，在超声波环境下清洗10分钟，除去表面的油脂和杂质；
(4) 以石墨板作为阴极与直流电路的负极相连，镁丝作为导线插入螺帽凹槽的孔内作为阳极与直流电路的正极连接，而后浸入配置好的电解抛光处理液中；电解抛光处理液配制过程如下：将240 mL磷酸加入740 mL无水乙醇中，充分搅拌混合后再加入20 mL丙三醇，室温下，将镁合金骨螺钉在电解槽中进行电解抛光处理；将两极板平行放置，两极板之间保持20 mm 左右的距离；在将镁合金骨螺钉浸入电解抛光处理液之前，调节电压至10 V左右，以防止接通电路前试样发生化学腐蚀，浸入电解抛光处理液之后，在10 V左右下保持10min后取出，在无水乙醇中进行超声清洗后干燥待用；
(5) 配制微弧电泳处理液：依次将54 g磷酸钠、2.8g氢氧化钾和0.56 g氟化钾溶解于去离子水中，充分搅拌完全后加入6 mL丙三醇，置于磁力搅拌机上搅拌25分钟后加入1g羟基磷灰石颗粒，去离子水定容成1000 ml溶液，再搅拌25分钟以保证其分布均匀后待用；
(6) 微弧电泳处理：以不锈钢板作为阴极与直流电路的负极相连，镁丝作为导线插入螺帽凹槽的孔内作为阳极与直流电路的正极连接，将两极板平行放置，两极板之间保持10 mm 左右的距离，而后将两极浸入微弧电泳处理液中，采用台阶式逐渐连续调节电压由0 V至165 V，当电压达到100 V时开始记录时间。由于羟基磷灰石颗粒易团簇和沉淀，在反应过程中微弧电泳处理液要始终处于搅拌状态，165V保持25 min后直接将电压降至0 V，再把制备好涂层的镁合金骨螺钉用去离子水清洗，然后在烘干箱中烘干，即得表面覆盖有微弧电泳涂层的镁合金骨螺钉；
(7) 水热合成处理：将制备好微弧电泳涂层的镁合金骨螺钉试样装入聚四氟乙烯内衬中，然后加入配置好的处理液，将内衬装入不锈钢外套；提前预热电热恒温干燥箱到413 K，将水热反应釜放入干燥箱中保温1.5 h后取出，将骨螺钉在无水乙醇中超声清洗10分钟后干燥即可；
配制水热合成处理液：分别称取0.15 mol乙二胺四乙酸二钙和0.15 mol磷酸二氢钾，溶解于去离子水中并经磁力搅拌器搅拌配制成透明溶液，然后滴加饱和氢氧化钾溶液调节溶液pH值至9.5，去离子水定容成1000 mL的溶液。
实施例3
一种镁合金骨螺钉表面涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1) 利用数控车床对Mg-Zn-Ca镁合金挤压棒材进行加工，根据ISO 5835加工为骨螺钉(螺帽外径8.0 mm，螺纹外径为4.0 mm，内径为3.0 mm，螺距1.0 mm，骨螺钉总长度8.0 mm)；
(2) 在螺帽凹槽钻一个直径为Φ2 mm的孔，以连接导线；
(3) 将镁合金骨螺钉用配置的丙酮和无水乙醇（体积比1︰1）混合溶液，在超声波环境下清洗10分钟，除去表面的油脂和杂质；
(4) 以石墨板作为阴极与直流电路的负极相连，镁丝作为导线插入螺帽凹槽的孔内作为阳极与直流电路的正极连接，而后浸入配置好的电解抛光处理液中；电解抛光处理液配制过程如下：将240 mL磷酸加入740 mL无水乙醇中，充分搅拌混合后再加入20 mL丙三醇，室温下，将镁合金骨螺钉在电解槽中进行电解抛光处理；将两极板平行放置，两极板之间保持20 mm 左右的距离；在将镁合金骨螺钉浸入电解抛光处理液之前，调节电压至10 V左右，以防止接通电路前试样发生化学腐蚀，浸入电解抛光处理液之后，在10 V左右下保持10min后取出，在无水乙醇中进行超声清洗后干燥待用；
(5) 配制微弧电泳处理液：依次将54 g磷酸钠、2.8g氢氧化钾和0.56 g氟化钾溶解于去离子水中，充分搅拌完全后加入7 mL丙三醇，置于磁力搅拌机上搅拌35分钟后加入1g羟基磷灰石颗粒，去离子水定容成1000 mL溶液，再搅拌35分钟以保证其分布均匀后待用。
(6) 微弧电泳处理：以不锈钢板作为阴极与直流电路的负极相连，镁丝作为导线插入螺帽凹槽作为阳极与直流电路的正极连接，将两极板平行放置，两极之间保持10 mm左右的距离，而后将两极浸入微弧电泳处理液中。采用台阶式逐渐连续调节电压由0 V至165 V，当电压达到100 V时开始记录时间。由于羟基磷灰石颗粒易团簇和沉淀，在反应过程中微弧电泳处理液要始终处于搅拌状态。165 V保持15 min后然后直接将电压降至0 V，再把制备好涂层的镁合金骨螺钉用去离子水清洗，然后在烘干箱中烘干，即得表面覆盖有微弧电泳涂层的镁合金骨螺钉；
(7) 水热合成处理：将制备好微弧电泳涂层的镁合金骨螺钉试样装入聚四氟乙烯内衬中，然后加入配置好的水热合成处理液，将内衬装入不锈钢外套。提前预热电热恒温干燥箱到373 K，将水热反应釜放入干燥箱中保温2 h后取出，将骨螺钉在无水乙醇中超声清洗10分钟后干燥即可；
水热合成处理液配制过程如下：分别称取0.05 mol乙二胺四乙酸二钙和0.05 mol磷酸二氢钾，溶解于去离子水经磁力搅拌器搅拌配制成透明溶液，然后滴加饱和氢氧化钾溶液调节溶液pH值至7.5，去离子水定容成1000 mL的溶液。
性能测试与对比
一、极化曲线测量与对比
将表面未作处理的裸镁合金骨螺钉试样a、表面按照实施例1步骤（1）至（6）经过微弧电泳处理的骨螺钉试样b、表面按照实施例1步骤（1）至（7）经过水热合成处理的骨螺钉试样c耐腐蚀性能进行比较。将处理后的三种试样与铜导线连接，连接部分用硅胶封存以保证密封部分绝缘，在室温下风干。采用T. Kokubo模拟体液，溶液离子浓度如表1所示。采用动电位扫描测量极化曲线，扫描速率为1 mV/s。如图4，a-c在模拟体液中的极化曲线。
表1 模拟体液的离子组成及各离子浓度
表2为试样a-c极化曲线的拟合结果：
表2 裸骨螺钉和两种不同涂层骨螺钉的腐蚀电位和腐蚀电流密度
镁合金基体（即裸骨螺钉试样a）的腐蚀电位是-1.78 V，腐蚀电流密度为1.473E×10-4 A/cm2。经过微弧电泳处理后（即试样b），涂层的腐蚀电位提高了50 mV，腐蚀电流密度降低了一个数量级。而制备水热复合涂层后（即试样c），涂层的腐蚀电位提高了150 mV，腐蚀电流密度达到了10-6。因为通过水热合成制备复合涂层，微弧电泳涂层表面的微孔被结构为纳米棒状的羟基磷灰石填充，有效阻止了腐蚀介质的渗入，因此使骨螺钉试样的腐蚀电位和腐蚀电流密度有了进一步的改善。
二、模拟体液浸泡实验
根据实例1中工艺制备涂层，将表面经过步骤（1）至（6）微弧电泳处理的骨螺钉试样e、表面经过步骤（1）至（7）水热合成处理的骨螺钉试样f腐蚀形貌进行比较。将镁合金骨螺钉放入塑料封闭容器，按照骨螺钉表面积和模拟体液的用量体积比1:20浸泡试样。提前将恒温水浴箱加热至37℃，采用T. Kokubo模拟体液，将装有模拟体液的封闭容器放入恒温水浴箱中分别浸泡3天和6天后取出，常温下风干。如图5和6， e和f试样浸泡3天和6天后的扫描形貌图。
如图6所示，水热复合涂层浸泡六天后依然保持平整的形貌，涂层尖端腐蚀产物明显聚集，说明由于螺纹尖端表面积大以及内部有残余应力，造成此处最先腐蚀，产生的腐蚀产物和钙磷盐沉积物对于尖端起到了一定的保护作用。并且随着腐蚀时间延长，沉积物逐渐增加，在短时间内起到了覆盖涂层表面微裂纹以及缺陷的作用，阻止模拟体液进一步的渗入，从而在一定程度上延缓了腐蚀的继续进行。
综上所述，由于骨螺钉形状特殊复杂，和腐蚀介质接触过程中更容易腐蚀，因此必须对涂层的降解加以控制。单纯的微弧电泳涂层表面存在微孔，为腐蚀介质的渗入提供了离子通道。利用水热合成进行封孔，一方面阻止腐蚀介质的渗入，延缓腐蚀的继续进行；另一方面具有生物可降解性以及诱导钙磷盐沉积的骨诱导性，这是植入材料具有良好生物相容性的重要因素。

Claims (2)

1.一种Mg-Zn-Ca镁合金骨螺钉表面涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）以石墨板作为阴极，预处理的镁合金作为阳极进行电解抛光处理；
（2）以不锈钢板为阴极，电解抛光处理过的镁合金作为阳极在145-165V进行微弧电泳处理15-25min，其中阴阳两极的主平面之间距离为0.5-1cm，每1L微弧电泳处理液由以下成分组成：磷酸钠50~ 60g、氢氧化钾2.0~3.0 g、氟化钾0.5~0.6 g、羟基磷灰石0.3~2.0g，丙三醇1-7 mL，余量为去离子水，所用羟基磷灰石为纳米级颗粒；
（3）对微弧电泳处理过的镁合金进行水热合成处理，水热合成反应时间为0.5-2.5 h，温度为363-433 K，反应结束经后处理即在镁合金表面制得水热复合涂层，每1L水热合成处理液由以下成分组成：乙二胺四乙酸二钙0.1~0.2 mol、磷酸二氢钾或磷酸二氢钠0.1~0.2mol，余量为去离子水，水热合成处理液pH值为7.5~ 9.5。
2.根据权利要求1所述的Mg-Zn-Ca镁合金骨螺钉表面涂层的制备方法，其特征在于，电解抛光处理的具体过程如下：以石墨板作为阴极与直流电路的负极相连，镁丝作为导线插入螺帽凹槽的孔内作为阳极与直流电路的正极连接，而后浸入配置好的电解抛光处理液中；电解抛光处理液配制过程如下：将240 mL磷酸加入740 mL无水乙醇中，充分搅拌混合后再加入20 mL丙三醇，室温下，将镁合金骨螺钉在电解槽中进行电解抛光处理；将两极板平行放置，两极板之间保持20 mm的距离；在将镁合金骨螺钉浸入电解抛光处理液之前，调节电压至10 V，浸入电解抛光处理液之后，在10 V保持 5min~10min后取出，在无水乙醇中进行超声清洗后干燥待用。
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