CN108619571B - 表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了表面载金属离子的Ca‑P涂层的镁合金材料及其制备方法和应用，所述表面载金属离子的Ca‑P涂层的镁合金材料从下至上包括表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料、壳聚糖涂层和载金属离子的Ca‑P涂层。本发明制备的表面载金属离子的Ca‑P涂层的镁合金材料具备良好的耐蚀性能和生物相容性。

Description

表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及生物材料的技术领域，具体涉及表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料及其制备方法和应用，利用该方法对镁合金进行表面改性，提高镁合金的耐蚀性能和生物相容性。
背景技术
近年来，镁合金由于具有良好的机械性能和可生物降解性能在可降解骨植入材料方面引起了研究者的极大关注。镁合金的密度和弹性模量与人体骨相近，可以有效避免植入后的应力遮挡效益，从而有利于骨组织愈合；同时，镁合金在生理环境下容易降解，应用于骨折固定装置时可以避免二次手术取出，减少病人的痛苦。但是，镁合金化学性质活泼，在生理环境下的快速降解常常导致植入周围组织的pH值升高、氢气空泡的形成等副反应，从而导致材料力学性能的过早丧失，延迟组织愈合，最终导致植入失败。
由于镁合金的腐蚀总是从材料表面发生，大量的表面改性技术被用于提高镁合金的耐生理腐蚀性能，如，化学转化处理形成的化学转化层、表面高分子涂层、生物陶瓷涂层等。在所有的可降解生物涂层中，Ca-P涂层由于具有良好的生物相容性得到了广泛的应用和关注。尽管Ca-P涂层应用于镁合金的表面改性可以显著提高其耐蚀性能，但是其生物相容性(如、骨诱导性、骨整合性、抗菌性能等)却有待进一步提高。近年来的研究发现，大量的金属离子参与体内的生理过程，并对植入材料的性能产生重要影响，如，大量的研究发现Ag+和Cu2+的释放将有效提升材料的抗菌性能；另有研究表明，Cu2+、Fe2+以及Zn2+的释放可以促进NO的释放，从而提高材料的血液相容性，Zn2+还可以有效促进骨细胞的生长，而Sr2+离子则对骨质疏松症的治疗具有重要作用。因此，在材料表面的Ca-P涂层中装载具有生理活性的金属离子，通过金属离子的可控释放可以显著提高材料的生物相容性，从而在植入性生物材料和医疗器械方面获得应用。
发明内容
发明目的：为克服现有技术中存在的不足，本发明的主要目的在于充分利用金属离子的生理活性，在镁合金表面制备一种装载不同金属离子的Ca-P涂层，同时提高镁合金材料的耐蚀性能和生物相容性，赋予材料生理活性。通过该方法制备的表面改性层可以有效缓慢释放金属离子，从而促进周围组织的生长，提高材料的生物相容性。
本发明还要解决的技术问题是提供了一种表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备方法和应用。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料，所述表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料从下至上包括表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料、壳聚糖涂层和载金属离子的Ca-P涂层。
其中，所述表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料是通过将经过表面化学处理的镁合金材料浸没到pH8.0的0.1～1mg/ml多巴胺溶液中，室温反应12～24小时后充分清洗干燥，重复三次，获得表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料。
其中，所述壳聚糖涂层是通过将表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料浸没到1-10mg/ml的壳聚糖溶液中搅拌反应4～8小时，清洗干燥后得到。
本发明内容还包括一种表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备方法，包括以下步骤：
1)对镁合金表面进行化学处理；
2)将步骤1)进行化学处理得到的镁合金材料表面制备聚多巴胺涂层得到表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料；
3)将壳聚糖固定在步骤2)得到的表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料表面得到表面固定壳聚糖的镁合金材料；
4)将表面固定壳聚糖的镁合金材料表面进行预钙化处理；
5)将步骤4)得到的镁合金材料表面沉积载金属离子的Ca-P涂层即得表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料。
其中，所述步骤1)的镁合金表面进行化学处理工艺条件为：将抛光的镁合金样品浸没到NaOH溶液和Na3PO4·12H2O溶液的混合溶液中处理2-12小时，处理温度为50-80℃，所述混合溶液中NaOH溶液浓度为20-60g/L，Na3PO4·12H2O溶液的浓度为5-20g/L。
其中，所述步骤2)表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料的制备方法为：将步骤1)得到的镁合金材料浸没到pH8.0的0.1～1mg/ml多巴胺溶液中，室温反应12～24小时后充分清洗干燥，重复多次，获得表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料。
其中，所述步骤3)的壳聚糖固定方法为：将步骤2)得到的表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料浸没到1-10mg/ml的壳聚糖溶液中搅拌反应4～8小时，清洗干燥后得到表面固定壳聚糖的镁合金材料。
其中，所述步骤4)的预钙化处理工艺为：首先将步骤3)得到的表面固定壳聚糖的镁合金材料浸没到0.05～0.2mol/L的CaCl2溶液中，37℃缓慢滴加等体积的0.05～0.2mol/L的K2HPO4溶液，充分反应2-4小时，取出材料后干燥，得到表面预钙化的镁合金材料。
其中，所述步骤5)的表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备工艺为：首先将步骤4)得到的预钙化镁合金材料浸没到NaCl溶液、K2HPO4溶液以及CaCl2溶液的混合溶液中，然后缓慢滴加含有目标金属离子的盐溶液，滴加完毕后，沉积后，重复沉积步骤3-7次，获得载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料。
其中，上述的NaCl溶液浓度为5-10g/L，K2HPO4溶液浓度为0.2-1g/L，CaCl2溶液浓度为0.2-1g/L。
其中，上述目标金属离子的盐溶液为CuCl2、Cu(NO3)、Sr(NO3)2、ZnCl2、Zn(NO3)2、FeCl2、Fe(NO3)2以及AgNO3中的一种。
本发明内容还包括所述的表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料在制备医疗器械方面的应用。
有益效果：相对于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用化学处理、表面固定生物分子以及表面涂层综合提高镁合金的耐蚀性能和生物相容性，化学处理可以显著提高镁合金的耐急性生理腐蚀性能，表面固定壳聚糖和制备的Ca-P涂层可以进一步提高镁合金耐蚀性能，因此，本发明的技术可以提高镁合金的长期耐蚀性。
(2)本发明在化学处理基础上固定壳聚糖，可以有效诱导Ca-P涂层沉积，加速涂层的形成；同时，采用预钙化的方法进一步加速涂层的沉积，因此，本发明的技术可以大大缩短载金属离子的Ca-P涂层的制备时间。
(3)本发明提供的技术方法可以载多种金属离子，赋予涂层不同的生物学性能；同时，本发明的方法只需在溶液中进行，具有沉积速度快，经济易行，不需要特殊设备等优点。
附图说明
图1a为本发明中未处理的镁合金表面，图1b为镁合金表面Ca-P涂层，图1c为本发明镁合金表面载Zn2+的Ca-P涂层；
图2为镁合金(Mg)、Ca-P涂层以及载Zn2+的Ca-P涂层(Ca-P/Zn)的成骨细胞粘附性能比较图；
图3为103CFU细菌浓度下，样品组及对照组洗脱液的抑菌效果图(图3a：Ca-P/Ag+涂层镁合金样品；图3b：Ca-P涂层镁合金；图3c：对照镁合金)；
图4对照镁合金材料及表面沉积不同涂层后的动电位扫描极化曲线。
具体实施方式
以下通过实施例来具体说明本发明，这些实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1表面载Zn2+的Ca-P涂层的镁合金材料的制备
1)对镁合金表面进行化学处理
将抛光的镁合金样品浸没到NaOH溶液和Na3PO4·12H2O溶液的混合溶液中处理2小时，处理温度为80℃，所述混合溶液中NaOH溶液浓度为20/L，Na3PO4·12H2O溶液的浓度为5g/L。
2)表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料的制备
步骤1)化学处理后的镁合金材料浸没到pH8.0的0.1mg/ml多巴胺溶液中，室温反应24小时后充分清洗干燥，重复多次，获得表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料。
3)表面得到表面固定壳聚糖的镁合金材料的制备
将步骤2)得到的表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料浸没到1mg/ml的壳聚糖溶液中搅拌反应8小时，清洗干燥后得到表面固定壳聚糖的镁合金材料。
4)将表面固定壳聚糖的镁合金材料表面进行预钙化处理
将步骤3)得到的表面固定壳聚糖的镁合金材料浸没到0.05mol/L的CaCl2溶液中，37℃缓慢滴加等体积的0.05mol/L的K2HPO4溶液，充分反应4小时，取出材料后干燥，得到表面预钙化的镁合金材料。
5)表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备
将步骤4)得到的预钙化镁合金材料浸没到NaCl溶液、K2HPO4溶液以及CaCl2溶液的混合溶液中，然后缓慢滴加ZnCl2溶液，滴加完毕后，滴加完毕后，沉积后，重复沉积步骤3-7次，获得载锌离子的Ca-P涂层的镁合金材料，NaCl溶液浓度为5g/L，K2HPO4溶液浓度为0.2g/L，CaCl2溶液浓度为0.2g/L。
实施例2表面载Ag+的Ca-P涂层的镁合金材料的制备
1)对镁合金表面进行化学处理
将抛光的镁合金样品浸没到NaOH溶液和Na3PO4·12H2O溶液的混合溶液中处理12小时，处理温度为50℃，所述混合溶液中NaOH溶液浓度为60g/L，Na3PO4·12H2O溶液的浓度为20g/L。
2)表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料的制备
镁合金材料浸没到pH8.0的1mg/ml多巴胺溶液中，室温反应12小时后充分清洗干燥，重复多次，获得表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料。
3)表面得到表面固定壳聚糖的镁合金材料的制备
将步骤2)得到的表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料浸没到10mg/ml的壳聚糖溶液中搅拌反应4小时，清洗干燥后得到表面固定壳聚糖的镁合金材料。
4)将表面固定壳聚糖的镁合金材料表面进行预钙化处理
将步骤3)得到的表面固定壳聚糖的镁合金材料浸没到0.2mol/L的CaCl2溶液中，37℃缓慢滴加等体积的0.2mol/L的K2HPO4溶液，充分反应2小时，取出材料后干燥，得到表面预钙化的镁合金材料。
5)表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备
将步骤4)得到的预钙化镁合金材料浸没到NaCl溶液、K2HPO4溶液以及CaCl2溶液的混合溶液中，然后缓慢滴加AgNO3溶液，滴加完毕后，沉积后，重复沉积步骤3-7次，获得载Ag+的Ca-P涂层的镁合金材料。NaCl溶液浓度为10g/L，K2HPO4溶液浓度为1g/L，CaCl2溶液浓度为1g/L。
实施例3表面载Sr2+的Ca-P涂层的镁合金材料的制备
1)对镁合金表面进行化学处理
将抛光的镁合金样品浸没到NaOH溶液和Na3PO4·12H2O溶液的混合溶液中处理7小时，处理温度为65℃，所述混合溶液中NaOH溶液浓度为40g/L，Na3PO4·12H2O溶液的浓度为12.5g/L。
2)表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料的制备
镁合金材料浸没到pH8.0的0.5mg/ml多巴胺溶液中，室温反应18小时后充分清洗干燥，重复多次，获得表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料。
3)表面得到表面固定壳聚糖的镁合金材料的制备
将步骤2)得到的表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料浸没到5mg/ml的壳聚糖溶液中搅拌反应6小时，清洗干燥后得到表面固定壳聚糖的镁合金材料。
4)将表面固定壳聚糖的镁合金材料表面进行预钙化处理
将步骤3)得到的表面固定壳聚糖的镁合金材料浸没到0.1mol/L的CaCl2溶液中，37℃缓慢滴加等体积的0.1mol/L的K2HPO4溶液，充分反应3小时，取出材料后干燥，得到表面预钙化的镁合金材料。
5)表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备
将步骤4)得到的预钙化镁合金材料浸没到NaCl溶液、K2HPO4溶液以及CaCl2溶液的混合溶液中，然后缓慢滴加Sr(NO3)2溶液，滴加完毕后，沉积后，重复沉积步骤3-7次，获得载Sr2+的Ca-P涂层的镁合金材料。NaCl溶液浓度为7.5g/L，K2HPO4溶液浓度为0.6g/L，CaCl2溶液浓度为0.6g/L。
实验例1材料表面形貌
将对照样品即没有经过处理的原始镁合金材料、表面沉积Ca-P涂层以及载Zn2+的Ca-P涂层表面喷金后(即实施例1制备的载锌离子的Ca-P涂层的镁合金材料)，用扫描电镜进行观察，获得材料的表面形貌结构。图1为典型的材料表面形貌图，可以明显看出镁合金表面处理后，表面生成了新的涂层，载入金属离子后，表面涂层形貌发生了变化。图1a为本发明中未处理的镁合金表面，图1b为镁合金表面Ca-P涂层，图1c为本发明镁合金表面载Zn2+的Ca-P涂层。
实验例2成骨粘附性能测试
取刚出生的胎鼠6只，处死后用75％的酒精浸泡消毒，无菌环境中取出头盖骨用组织块培养法进行原代培养，反复贴壁纯化，将细胞传至第三代，以0.25％胰蛋白酶消化，采用DMEM细胞培养液(含10％胎牛血清)制成细胞悬液。将灭菌后的材料放置于24孔培养板中，将获得的细胞悬液分别接种于不同材料表面(实验例1中的三种不同材料)，接种量为5×104个细胞每孔。细胞分别培养6h、12h、24h后，将粘附于材料表面的细胞用胰蛋白酶消化后用细胞计数板记数，根据细胞数量计算细胞粘附率。图2为细胞粘附率的实验，可以看出，镁合金表面沉积Ca-P涂层后，细胞粘附率明显提高，载锌离子后，细胞粘附率进一步明显提高。
实验例3抗菌性能测试
将金黄色葡萄球菌(ATCC25923)在TSB(胰蛋白胨大豆肉汤培养基)中37℃水浴培养24h，稀释得到1×103CFU的菌液。将对照材料(即没有经过处理的原始镁合金材料)及载Ag+的镁合金材料(实施例2制备的载Ag+离子的Ca-P涂层的镁合金材料)分别浸没到4mlTSB中漩涡振荡器振荡1h后，将样品取出，然后取1ml浸提液与1ml的1×103CFU的细菌悬液混合，置于37℃水浴中，培养3h。取100μl培养后的液体涂布到血琼脂平板，37℃培养箱培养24h，观察血琼脂平板上的细菌。图3为103CFU细菌浓度下，样品组及对照组洗脱液的抑菌效果图(图3a：Ca-P/Ag+涂层镁合金样品；图3b：Ca-P涂层镁合金；图3c：对照镁合金)。从图3中可以看出，该载Ag+离子的Ca-P涂层的镁合金材料具备显著的抑菌作用，抑菌率达到了80％以上，而图3a、3b基本没有抑菌效果。
实验例4载Sr2+的Ca-P涂层的镁合金耐蚀性能测试
对实施例3制备的载Sr离子Ca-P涂层的镁合金的耐蚀性能材料电化学极化曲线进行测试。将对照样品即没有经过处理的原始镁合金材料、表面沉积Ca-P涂层以及载Sr离子的Ca-P涂层首先用环氧树脂进行封样。采用三电极测试体系测量材料的动电位极化曲线，铂丝作为辅助电极，Ag/AgCl电极作参比电极，测试样品为工作电极。测试在模拟人体体液中进行，样品在溶液中达到稳定的开路电位时开始极化扫描，扫描速度为10mV/s，根据极化曲线计算腐蚀电流和腐蚀电位。
图4对照镁合金材料及表面沉积不同涂层后的动电位扫描极化曲线。其中，Mg腐蚀电位：-1.570V；Ca-P腐蚀电位：-1.399V；Ca-P/Sr腐蚀电位：-1.128V。Mg腐蚀电流：-3.726×10-5A/cm2；Ca-P腐蚀电流：-3.724×10-7A/cm2；Ca-P/Sr腐蚀电流：6.821×10-7A/cm2。可以看出，表面沉积涂层后，材料的腐蚀电位提高，腐蚀电流减少，表明耐蚀性得到了提高。沉积Sr离子后，与单纯Ca-P涂层比较，腐蚀电位提高，Ca-P/Sr腐蚀电流大大减少，表明耐蚀性能提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对镁合金表面进行化学处理；
2）将步骤1）进行化学处理得到的镁合金材料表面制备聚多巴胺涂层得到表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料；
3）将壳聚糖固定在步骤2）得到的表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料表面得到表面固定壳聚糖的镁合金材料；
4）将表面固定壳聚糖的镁合金材料表面进行预钙化处理；
5）将步骤4）得到的镁合金材料表面沉积载金属离子的Ca-P涂层即得表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料。
2.根据权利要求1所述的表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1）的镁合金表面进行化学处理工艺条件为：将抛光的镁合金样品浸没到NaOH溶液和Na3PO4·12H2O溶液的混合溶液中处理2-12小时，处理温度为50-80℃，所述混合溶液中NaOH溶液浓度为20-60g/L，Na3PO4·12H2O溶液的浓度为5-20g/L。
3.根据权利要求1所述的表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料的制备方法为：将步骤1）得到的镁合金材料浸没到pH8.0的0.1~1mg/mL多巴胺溶液中，室温反应12~24小时后充分清洗干燥，重复多次，获得表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料。
4.根据权利要求1所述的表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3）的壳聚糖固定方法为：将步骤2）得到的表面固定有聚多巴胺涂层的镁合金材料浸没到1-10mg/mL的壳聚糖溶液中搅拌反应4~8小时，清洗干燥后得到表面固定壳聚糖的镁合金材料。
5.根据权利要求1所述的表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4）的预钙化处理工艺为：首先将步骤3）得到的表面固定壳聚糖的镁合金材料浸没到0.05~0.2mol/L的CaCl2溶液中，然后37℃缓慢滴加等体积的0.05~0.2mol/L的K2HPO4溶液，充分反应2-4小时，取出材料后干燥，得到表面预钙化的镁合金材料。
6.根据权利要求1所述的表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5）的表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备工艺为：首先将步骤4）得到的预钙化镁合金材料浸没到NaCl溶液、K2HPO4溶液以及CaCl2溶液的混合溶液中，然后缓慢滴加含有目标金属离子的盐溶液进行沉积，重复沉积步骤3-7次，获得载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料。
7.根据权利要求6所述的表面载金属离子的Ca-P涂层的镁合金材料的制备方法，其特征在于，所述目标金属离子的盐溶液为CuCl2、Cu(NO3) 2、Sr(NO3)2、ZnCl2、Zn(NO3)2、FeCl2、Fe(NO3)2以及AgNO3中的一种。
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