CN110541099B - 镁合金表面可降解复合膜层及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镁合金表面可降解复合膜层及其制备方法与应用，复合膜层，包括微弧氧化膜层和复合膜层，微弧氧化膜层附着于镁合金基体的表面，复合膜层附着于微弧氧化膜层上，所述复合膜至少包括一层自组装膜，每层均包括壳聚糖‑纳米二氧化钛‑明胶层和肝素钠层，或每层均包括壳聚糖‑明胶层和肝素钠层。当在微弧氧化膜层上附着复合膜层时，可以显著提高镁合金基体的耐蚀性能，但会或多或少影响镁合金基体的润湿性能，当在复合膜层中加入纳米二氧化钛时，不但可以进一步提高复合膜层的耐蚀性能，还可以提高复合膜层的润湿性能，并能为钙磷化合物的形成提供较多的形核位点，显示出更好的骨整合性能；通过提供更多的胞材结合位点，促进了细胞黏附及增殖。

Description

镁合金表面可降解复合膜层及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于镁合金表面改性技术领域，特别是涉及一种镁合金表面可降解复合膜层及其制备方法与应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
传统的金属生物材料通常要求金属在体内具有良好的耐蚀性，而新的可生物降解金属要求其主要成分是可以被人体代谢的必需金属元素，能够在体内逐渐溶解，且植入体任务完成时能够完全溶解以帮助组织愈合而没有植入体残留。不锈钢和钛合金的机械强度和断裂韧性较好，广泛应用于生物医学领域，但是两者通常具有腐蚀过程释放有毒离子，机械性能与硬组织不匹配，且在生理环境中不可降解，可能需要通过二次手术移除等缺点。
镁基金属被认为能够满足一些要求，它们具有较低的质量密度(ρ＝1.74-2.0g/cm3)和弹性模量(杨氏模量E＝41-45GPa)，这两者都与人体骨骼相似(ρ＝1.8-2.1g/cm3；E＝3-20GPa)，使其不易在承重负荷下引起应力屏蔽；与陶瓷和聚合物生物材料相比，镁合金具有更高的强度/重量比，更高的断裂韧性和更高的抗拉强度；镁是人体的必需元素，具有良好的骨传导性，可以促进新的骨组织的生长，增强骨整合，提高植入物的稳定性；镁合金的电极电位小而可生物降解的优点使其无需进行二次手术。然而，现有的镁合金仍然存在一些缺点，其中一个重要的缺点是镁在生理条件下腐蚀速度太快，镁合金作为植入体材料还没完全发挥作用时，镁基材料就被人体所吸收，无法起到应有的支撑作用；镁合金在含氯环境中腐蚀，生成可溶性氢氧化镁，氯化镁和氢气，而氢会进入气穴导致不良反应并抑制骨骼生长。
为了解决现有镁合金的缺点，提出表面改性作为控制镁合金降解速率的有效方法，
针对镁合金的表面改性，目前主要应用的技术为微弧氧化(Micro-arcoxidation,MAO)，溶胶-凝胶技术，碱热处理，氟化物处理，电化学沉积，浸涂，物理气相沉积和阳极氧化。
为使镁合金植入体的降解速率得到延缓，在基体材料上增加膜层是一种较为简单的方法，在众多的表面改性方法中，MAO技术是最有前景的表面处理技术之一，MAO技术是一种以阳极氧化技术为基础发展起来的新型表面改性技术，在高压放电下进行，反应期间释放等离子体，并且等离子体化学和热化学、电化学共同起作用，以在衬底的表面上制备出氧化物的陶瓷膜层，对基体材料起到极高的保护作用，与阳极氧化处理相比，在性能良好的电解质中，MAO技术生成的膜层致密，具有良好的粘附性和耐磨性。为了提高MAO膜层的生物相容性和生物活性，将Ca和P引入电解质中，优化膜层中的Ca/P比，能够同时提高MAO膜层的耐蚀性。但是发明人发现，MAO反应过程中产生的熔化的氧化物和气泡从微弧放电通道中抛出会导致MAO膜层表面产生孔隙，最终形成较高的孔隙率，难以在腐蚀环境中起到理想的保护镁合金基底的作用。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种镁合金表面可降解复合膜层及其制备方法与应用，该可降解复合膜层可以提高镁合金的耐蚀性、表面粗糙度和生物相容性。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种镁合金表面可降解复合膜层，包括微弧氧化膜层和复合膜层，微弧氧化膜层附着于镁合金基体的表面，复合膜层附着于微弧氧化膜层上，所述复合膜至少包括一层层层自组装膜，每层均包括壳聚糖-纳米二氧化钛-明胶层和肝素钠层，或，每层均包括壳聚糖-明胶层和肝素钠层。
试验发现，当在微弧氧化膜层上附着复合膜层时，可以显著提高镁合金基体的耐蚀性能，但会或多或少影响镁合金基体的润湿性能，发明人经过试验发现，当在复合膜层中加入纳米二氧化钛时，不但可以进一步提高复合膜层的耐蚀性能，还可以提高复合膜层的润湿性能，并能为钙磷化合物的形成提供较多的形核位点，显示出更好的骨整合性能；通过提供更多的胞材结合位点，促进了细胞黏附及增殖。
在复合膜层中加入肝素钠，可以使复合膜层的表面较为光滑，当材料表面较为光滑时，对血浆蛋白和血小板的吸附作用较小，且越不容易引起血液细胞形态和构象的变化。所以，肝素钠的加入可以提高镁合金基体与血液的相容性。且，肝素钠还可以提高复合膜层的表面对细胞的粘附，促进骨生长。
在一些实施例中，所述复合膜层的厚度为50-57μm，表面粗糙度为2-3μm，接触角为70-100°。
进一步的，所述复合膜层的厚度为56-57μm，表面粗糙度为2-2.5μm，接触角为77-79°。
该参数的复合膜层具有较好的综合性能，耐蚀性、生物相容性较好。
在一些实施例中，所述复合膜层的层数为1-10层，进一步为1-7层，更进一步为1-5层，再进一步为3层。
一种镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，包括如下步骤：
配制壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液、肝素钠溶液和NaOH溶液；将制备有微弧氧化膜的镁合金基体依次在壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液、NaOH溶液和肝素钠溶液中浸渍提拉，制备层层自组装复合膜层。
在一些实施例中，所述壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液中，壳聚糖的浓度为10-40g/L，TiO2为纳米二氧化钛，其浓度为0.5-5.5g/L，明胶浓度为50-70g/L；
肝素钠溶液浓度为0.5-3g/L；
NaOH溶液浓度为0.5-3mol/L。
进一步的，所述壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液中，壳聚糖的浓度为15-25g/L，TiO2的浓度为1-5g/L，明胶浓度为55-65g/L；
肝素钠溶液浓度为1-2g/L；
NaOH溶液浓度为1-2mol/L。
更进一步的，所述壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液中，壳聚糖的浓度为20g/L，TiO2的浓度为3g/L，明胶浓度为60g/L；
肝素钠溶液浓度为1g/L；
NaOH溶液浓度为1mol/L。
进一步的，所述壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液的制备方法，包括如下步骤：
将壳聚糖溶解于纳米二氧化钛的醋酸溶液中，得到壳聚糖-TiO2醋酸溶液；
将明胶溶液与壳聚糖-TiO2醋酸溶液混合，制得壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液。
壳聚糖具有较高的粘度，将壳聚糖溶于纳米二氧化钛的醋酸溶液中时，对壳聚糖的均匀分散较为有利。
将明胶溶解后再与壳聚糖-TiO2醋酸溶液混合，有利于明胶的分散均匀。
在一些实施例中，浸渍提拉的提拉速度为100-500mm/min，浸渍速度100-500mm/min，在壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液、NaOH溶液和肝素钠溶液中浸渍的时间依次为3-20min、5-15s、3-20min。
进一步的，每次浸渍提拉完毕后，将试样置于30-60℃干燥箱内烘干1-50min，烘干后进行下次浸渍提拉。
在一些实施例中，所述镁合金基体为Mg-Zn系，Mg-Ca系，Mg-Sr系或Mg-Re系镁合金；
进一步的，所述镁合金基体为生物医用Mg-Zn-Ca合金或Mg-Zn-Sr合金；
进一步的，所述镁合金基体中，各组分的质量百分数为Zn2％-3％，Ca0.1％-1％，Sr0.1％-2％，余量为镁。
更进一步的，所述镁合金基体为Mg-2Zn-0.3Ca或Mg-2Zn-0.5Ca或Mg-3Zn-0.3Ca或Mg-3Zn-0.5Ca或Mg-3Zn-0.15Sr或Mg-3Zn-0.5Sr或Mg-3Zn-1Sr。
所述镁合金表面可降解复合膜层在制备血管管腔支架、人造骨、骨钉、骨连接件、骨缝合线、缝合用锚、脊椎骨盘中的应用。
本发明的有益效果为：
本发明制备的复合膜层可以显著提高镁合金的耐蚀性和生物相容性，大大提高了镁合金基体作为骨植入材料的生物相容性，为镁合金进一步的临床应用打下坚实的基础。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例不同层数复合膜层厚度测量结果示意图；
图2为本发明实施例不同层数复合膜层表面粗糙度值比较曲线；
图3为本发明实施例复合膜层层数分别为(a)0层,(b)1层,(c)3层,(d)5层的试样表面润湿角测试结果图；
图4为本发明实施例复合膜层层数分别为(a)0层，(b)1层，(c)3层，(d)5层的试样表面形貌图；
图5为本发明实施例复合膜层层数分别为(a)0层，(b)1层，(c)3层，(d)5层的试样表面点成分分析；
图6为本发明实施例复合膜层复合膜层层数分别为(a)0层，(b)1层，(c)3层，(d)5层的试样截面形貌及元素分析图；
图7为本发明实施例微弧氧化样品及复合膜层样品的平均表面粗糙度(Ra/μm)；
图8为本发明实施例微弧氧化样品及复合膜层样品浸泡前的表面形貌及成分：(a)MAO,(b)Hs-0,(c)Hs-1,(d)Hs-2,(e)Hs-3；
图9为本发明实施例微弧氧化样品及复合膜层样品的接触角示意图：(a)MAO,(b)Hs-0,(c)Hs-1,(d)Hs-2,(e)Hs-3；
图10为本发明实施例微弧氧化样品及复合膜层样品的极化曲线：(a)MAO,(b)Hs-0,(c)Hs-1,(d)Hs-2,(e)Hs-3；
图11为本发明实施例微弧氧化样品及复合膜层样品浸泡前的宏观形貌：(a)MAO,(b)T0,(c)T1,(d)T3,(e)T5；
图12为本发明实施例微弧氧化样品及复合膜层样品的平均表面粗糙度(Ra/μm)；
图13为本发明实施例微弧氧化样品及复合膜层样品的膜层厚度；
图14为本发明实施例基体、微弧氧化样品及复合膜层样品的接触角示意图：(a)S,(b)MAO,(c)T0,(d)T1,(e)T3,(f)T5；
图15为本发明实施例微弧氧化样品及复合膜层样品浸泡前的表面形貌及成分：(a)MAO,(b)T0,(c)T1,(d)T3,(e)T5；
图16为本发明实施例微弧氧化样品及复合膜层样品的XRD图谱；
图17为本发明实施例基体、微弧氧化样品及复合膜层样品的极化曲线；
图18为本发明实施例基体、微弧氧化样品及复合膜层样品的阻抗谱：(a)六种样品的阻抗谱，(b)图(a)中A区域的局部放大图，(c)图(b)中B区域的局部放大图；
图19为本发明实施例基体、微弧氧化样品及复合膜层样品在37℃,SBF中浸泡时的pH变化(N＝3)；
图20为本发明实施例基体、微弧氧化样品及复合膜层样品在37℃,SBF中浸泡时的失重率(N＝3)；
图21为本发明实施例基体、微弧氧化样品及复合膜层样品在37℃,SBF中浸泡时的腐蚀速率(N＝3)；
图22为本发明实施例基体、微弧氧化样品及复合膜层样品在37℃,SBF中浸泡15天后的表面形貌及点分析图谱：(a)S,(b)MAO,(c)T0,(d)T1,(e)T3,(f)T5；
图23为本发明实施例基体、微弧氧化样品及复合膜层样品在37℃,SBF中浸泡15天后的XRD图谱。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
试验试剂
试验进行过程中所需要的药品厂家及规格如表1所示。
表1试验试剂
Figure GDA0002231353030000031
Figure GDA0002231353030000041
试验设备
WHD-30(30kW)型微弧氧化设备；YZ-4200型镀膜提拉机。
微弧氧化电参数
微弧氧化设备共有恒压、恒流和恒功率三种工作模式，本试验采用恒压模式进行微弧氧化。进行微弧氧化时设置的电参数如表2所示。
表2微弧氧化电参数
Figure GDA0002231353030000042
试样预处理及膜层制备
试样预处理按照下述步骤依次进行：
(1)分别将本试验中的Mg-2Zn-0.5Ca,Mg-3Zn-0.5Ca和Mg-3Zn-0.5Sr合金在电火花线切割机上分别切割为20mm×10mm×1mm,10mm×10mm×8mm的试样片和试样块，片状试样用于抗菌试验；
(2)用直径为2.5mm的钻头分别在试样片和试样块20mm×10mm,10mm×8mm的表面钻孔；
(3)试样片和试样块依次在400#，600#的金相砂纸上打磨，用擦镜纸包裹待用，进行微弧氧化前取出用1000#金相砂纸打磨；
(4)将试样放入无水乙醇中超声波清洗10min，用吹风机吹干待用。
微弧氧化膜层制备过程如下：
将准备好的试样片和试样块串联在导线上，接电源正极，保证导线与试样安装时是过盈配合，置于配置好的电解液正中，不锈钢槽接电源负极。
打开设备电源，并在控制系统上设定正负电压、频率、正负占空比、脉冲数比、氧化时间等电参数后开始微弧氧化过程。
当到达预先设定的氧化时间，电压降低至零时，关闭电源，取出试样分别用去离子水、乙醇冲洗并用吹风机吹干，用擦镜纸包裹并编号以便后续的性能检测。
层层自组装膜层的制备：
由于微弧氧化膜层多孔、降解速率过快，且植入人体后生物相容性达不到临床应用的要求，故本试验采用浸渍提拉法，在微弧氧化膜层表面制备壳聚糖/肝素钠层层自组装复合膜层，并在壳聚糖(chitosan,CS)溶液中添加不同含量的纳米TiO2，研究纳米TiO2含量对复合膜层的力学性能、耐蚀性、生物相容性的影响规律。
一、不同层数的MAO/(壳聚糖-TiO2-明胶)/肝素钠复合膜层制备：
按照前述微弧氧化膜层制备的步骤，电解液的成分及含量为(Na5P3O10 10.0g/L、NaOH 2.0g/L、C3H8O3 10.0mL/L、NaF 2.5g/L、(NH4)2TiF6 0.030mol/L)，在Mg-2Zn-0.5Ca基片上制备矩形片状微弧氧化膜层样品。
经过前期实验优化，最终确定选取加入3g/L的纳米二氧化钛制备壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液，用于制备不同层数的MAO/(壳聚糖-TiO2-明胶)/肝素钠复合膜层制备。
(1)壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液配制。
①壳聚糖-TiO2醋酸溶液配制：将1g醋酸溶于100mL去离子水中，搅拌均匀。将3g/L的纳米二氧化钛(99.8％金属基，5-10nm，锐钛，亲水型)(TiO2)加入以上醋酸溶液中，充分搅拌20min。将2g高粘度壳聚糖少量多次的加入混合溶液中，采用机械搅拌装置搅拌20min。待壳聚糖完全溶解后，将混合溶液放入超声波清洗器中30min，使溶液静置至气泡完全消失，取出60mL待用。
②明胶(Gelatine,Gt)溶液配制：将2.4g明胶(胶强度～250g)加入40mL 45℃超纯水中，搅拌15min。
③混合。于45℃条件下，将40mL明胶溶液缓慢加入60mL壳聚糖-TiO2醋酸溶液中，搅拌30min，在上述混合溶液中加入1g甘油，搅拌20min。将上述溶液超声30min，静置。
(2)肝素钠(Heparin sodium,Hs)溶液配制：室温下，将100mg肝素钠(≥180USPunits/mg)((C12H16NS2Na3)20)加入100mL去离子水中，在磁力搅拌器上充分搅拌20min，至完全溶解。
(3)1mol/L NaOH溶液配制：室温下，将4g NaOH颗粒加入100mL去离子水中，在磁力搅拌器上充分搅拌20min。
(4)浸渍提拉法制备层层自组装膜层。
①以电解液成分(Na5P3O10 10.0g/L、NaOH 2.0g/L、C3H8O3 10.0mL/L、NaF 2.5g/L、K2TiF6 9.0g/L)制备出的微弧氧化样品为基体。将制备好的微弧氧化试样取出，用无水乙醇清洗后吹干。
②将试样块安装在导线上以便批量进行提拉浸渍，将试样片串在导线上，两两之间用绝缘皮固定后，将导线弯曲，导线一端夹在浸渍提拉机上，保证试样竖直进出溶液。
③设置浸渍提拉的参数为提拉速度400mm/min，浸渍速度300mm/min，按表3所示的参数依次在各个溶液中浸渍提拉，注意每次进行壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液的浸渍提拉前，将其放入40℃水浴装置中加热10min。
④每次浸渍提拉完毕后，使导线弯曲，并竖直放置在泡沫上，使试样片水平置于50℃干燥箱内烘干10-30min，直至烘干再将导线形状复原，进行下次浸渍提拉。
(5)按照上述MAO/(壳聚糖-TiO2-明胶)/肝素钠复合膜层制备的方法，通过浸渍提拉法，在ATF-30试样表面分别制备复合膜层层数为一层(CST-1)、三层(CST-3)、五层(CST-5)的层层自组装复合膜层。此外，将仅涂覆MAO陶瓷膜层的试样记为CST-0待用。
表3层层自组装膜层的制备参数
Figure GDA0002231353030000051
二、不同浓度肝素钠的复合膜层制备
(1)微弧氧化膜层制备：按照电解液配方(Na5P3O10 10.0g/L、NaOH2.0g/L、C3H8O310.0mL/L、NaF2.5g/L、K2TiF69.0g/L)在Mg-3Zn-0.5Sr合金表面制备微弧氧化膜层。
(2)壳聚糖-明胶混合溶液配制。
①壳聚糖醋酸溶液配制：将1g醋酸溶于100mL去离子水中，搅拌均匀。将2g高粘度壳聚糖少量多次的加入醋酸水溶液中，采用机械搅拌装置搅拌20min。待壳聚糖完全溶解后，将混合溶液放入超声波清洗器中30min，使溶液静置至气泡完全消失，取出60mL待用。
②明胶(Gelatine,Gt)溶液配制：将2.4g明胶(胶强度～250g)加入40mL,45℃超纯水中，搅拌15min。
③混合。于45℃条件下，将40mL明胶溶液缓慢加入60mL壳聚糖醋酸溶液中，搅拌30min，在上述混合溶液中加入0.5-1g甘油，搅拌20min。将上述溶液超声30min，静置。
(3)肝素钠(Heparin sodium,Hs)溶液配制：室温下，分别将100mg,200mg肝素钠(≥180USP units/mg)((C12H16NS2Na3)20)加入100mL去离子水中，在磁力搅拌器上充分搅拌20min，至完全溶解。
(4)1mol/L NaOH溶液配制：室温下，将4gNaOH颗粒加入100mL去离子水中，在磁力搅拌器上充分搅拌20min。
(5)按照上述MAO/(壳聚糖-TiO2-明胶)/肝素钠复合膜层制备的方法，通过浸渍提拉法，在Ag-0试样表面分别制备三层壳聚糖-明胶复合膜层，及1g/L，2g/L，3g/L肝素钠浓度的层层自组装复合膜层，试样编号分别为Hs-0,Hs-1,Hs-2，Hs-3。此外，将仅涂覆MAO陶瓷膜层的试样记为MAO待用。
三、不同TiO2含量的MAO/(壳聚糖-TiO2-明胶)/肝素钠复合膜层制备
(1)壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液配制。
①壳聚糖-TiO2醋酸溶液配制：将1g醋酸溶于100mL去离子水中，搅拌均匀。将特定含量的纳米二氧化钛(99.8％金属基，5-10nm，锐钛，亲水型)(TiO2)(如表4所示)加入以上醋酸溶液中，充分搅拌20min。将2g高粘度壳聚糖少量多次的加入混合水溶液中，采用机械搅拌装置搅拌20min。待壳聚糖完全溶解后，将混合溶液放入超声波清洗器中30min，使溶液静置至气泡完全消失，取出60mL待用。
②明胶(Gelatine,Gt)溶液配制：将2.4g明胶(胶强度～250g)加入40mL,45℃超纯水中，搅拌15min。
③混合。于45℃条件下，将40mL明胶溶液缓慢加入60mL壳聚糖醋酸溶液中，搅拌30min，在上述混合溶液中加入1g甘油，搅拌20min。将上述溶液超声30min，静置。
表4 TiO2在壳聚糖-明胶混合溶液中的含量
Figure GDA0002231353030000061
(2)肝素钠(Heparin sodium,Hs)溶液配制：室温下，将100mg肝素钠(≥180USPunits/mg)((C12H16NS2Na3)20)加入100mL去离子水中，在磁力搅拌器上充分搅拌20min，至完全溶解。
(3)1mol/L NaOH溶液配制：室温下，将4gNaOH颗粒加入100mL去离子水中，在磁力搅拌器上充分搅拌20min。
(4)浸渍提拉法制备层层自组装膜层。按照上述MAO/(壳聚糖-TiO2-明胶)/肝素钠复合膜层制备的方法，通过浸渍提拉法，在Ag-0微弧氧化试样表面分别制备不同TiO2浓度的层层自组装复合膜层。
体外生物活性测试
体外降解性能研究
本试验通过试样在模拟体液(Simulated Body Fluid，SBF)中的失重用来评价生物陶瓷膜层的降解性能，模拟体液与人体血浆中的离子浓度对比如表5所示。
表5模拟体液和人体血浆中的离子浓度对比(10-3mol/L)
Figure GDA0002231353030000062
所用的模拟体液配置过程如下：
(1)将配制溶液所用的烧杯清洗干净，并用去离子水润洗，烘干，倒入适量去离子水，将其煮沸杀菌。
(2)将1500mL去离子水置于容量2000mL的烧杯中，并于36.5℃下磁力搅拌。
(3)依次加入NaCl 15.99g,NaHCO3 0.77g,KCl 0.448g,K2HPO4·3H2O 0.456g,MgCl2·6H2O 0.610g,1mol/L HCl 80mL,CaCl2 0.556g,Na2SO4 0.142g，保证每一种成分充分溶解后再加入下一种成分。
(4)加入(CH2OH)3CxH2 12.102g，每次加入量少于1g，待完全溶解后才能再次添加。
(5)使用pH计测量所配置溶液的pH，滴加1mol/L HCl使溶液pH调至7.25。
(6)定容至2000mL。
体外生物活性表征
本试验采用体外生物活性试验的方法对所制备的复合膜层进行生物活性表征，与降解性能研究同步进行。由于钙磷化合物的生成与骨组织愈合有着密切联系，且含Ti化合物具有明显的抗菌效果，故将所制备试样浸泡在SBF中，用扫描电子显微镜、X射线衍射分析表面钙磷化合物、含Ti化合物的生成情况。
为研究试样浸泡阶段的离子释放行为，利用Sartorius公司生产的PB-10标准型pH计对试样浸泡后SBF的OH-离子浓度进行化学分析，pH值第一天每8小时测量一次，后续每两天测量一次，记录各组试样在浸泡期间SBF的pH值变化情况，当pH在7.25上下波动时，样品生物相容性较为优异。
分析测试方法
扫描电子显微镜
采用日立(HITACHI)公司的S-3400N扫描电子显微镜(Scanning ElectronMicroscope,SEM)装配EMAX X-act型能谱分析仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)，以及JSM-7800F配合牛津XMax-80型能谱分析仪对试样进行表面形貌及组分分析。由于试验的样品表面为高分子和陶瓷膜层，导电性能差，检测前需要对试样进行表面喷金处理。
X射线衍射分析
采用日本岛津公司生产的XRD-6100型X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)对试样进行结构和相分析。测试条件如下：Ni滤波片，Cu靶kα线辐射(λ＝1.5406nm)，管电压40kV，管电流30mA，扫描速度4°/min，步幅为0.02°。
电化学性能测试
采用上海辰华生产的CHI760E系列双恒电化学工作站对试样进行动电位极化曲线、电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)的测量。
动电位极化曲线、EIS的测试过程均采用标准三电极体系，以测试试样为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂片(面积1cm2)为辅助电极。进行测试前将试样安装在一截导线上，并保留10mm×10mm的一面与铂电极相对，其他面用石蜡封装。Tafel曲线扫描电压范围为-2.5V～1V，扫描速率为0.01V/s，腐蚀介质为36.5℃的SBF。IMP测试激励信号的幅值为5mV，测试频率高频为105Hz，低频为10-2Hz。测试前先在36.5℃的SBF中静置10min，再检测开路电阻，进行IMP的测量。
接触角测量
采用德国
Figure GDA0002231353030000071
GmbH生产的DSA100S光学接触角测量仪对所制备的样品进行接触角测量，所用测量液体为模拟体液，每个样品随机选取三个点进行测量，取中间值进行分析。
膜层厚度测量
采用MiniTest 600B FN2型涂覆层测厚仪测量试样表面微弧氧化膜层及复合膜层的厚度。使用前需对无膜层的样品进行校准，测量误差为1％。每组样品随机选取6个点进行测量，测量结果取平均值，并计算标准差。
粗糙度测量
采用青岛首丰精密(三丰Mitutoyo)有限公司生产的SJ-410粗糙度测量仪，每组样品在不同位置随机测量三次，测量结果取平均值，并计算标准差。
膜层结合力测量
膜层结合力测试采用网格胶带测试法与划痕测试法两种测试方法结合分析。
网格胶带测试法根据美国材料与试验协会(American Society for TestingMaterials,ASTM)ASTM D3359-17。选择样品平整无缺陷的一面，用夹具固定住样品，由于样品膜厚均小于50μm，因此使用百格刀在试样表面划出10×10个1mm×1mm的小网格。划出的每一条线均应将膜层完全划穿，露出镁合金基体，并且保证划割时压力均匀。划割结束后，用软毛刷子轻轻扫去表面的碎屑，用标准的3M 610-1PK-25.4mm胶带
Figure GDA0002231353030000072
牢牢粘住整个网格表面，用手指压平或用铅笔上的橡皮头压胶带，确保胶带与膜层完全接触。30秒后，用手尽可能以180°方向撕下胶带，重复测试两次。检查格子区域膜层剥离基体的情况。根据测试标准判定附着力级别。
划痕测试法使用的是兰州中科凯华科技开发有限公司生产的WS-2005型膜层附着力自动划痕仪，压头采用锥角为120°，曲率半径为0.2mm的金刚石，通过连续加载30N正压，划痕长度为3mm，加载速度为10N/min，选择声发射为操作模式，划痕的速度设定为2mm/min。
试验结果与分析
一、不同层数MAO-CS复合膜层的性能
对添加氟钛酸铵的镁合金MAO陶瓷膜层的性能进行综合分析表明，当电解液中加入0.030mol(NH4)2TiF6时，膜层的结合力较高且较为均匀，耐腐蚀性较佳，表面粗糙度值较为适宜细胞的黏附生长，表面微孔的大小及数量适中，可以适当地保护镁合金基体，并且在SBF中浸泡过程pH值变化较为平稳，试样失重率较低，认为当电解液中添加0.030mol(NH4)2TiF6时获得的MAO膜层综合性能最佳，因此选择对该种浓度的电解液制备的MAO膜层表面制备不同层数的CS复合膜层，并对复合膜层的性能进行测试分析。
复合膜厚与粗糙度
图1为不同层数复合膜层膜层厚度测量结果示意图。可以看出，未涂覆CS复合膜层的试样膜层最薄，当复合膜层为一层时，膜层厚度略有增加但增加程度较低，随着层数增加，膜的厚度显著增加，并且增加的量越来越大。这可能与CS混合溶液在MAO膜层表面及复合膜层表面的附着能力、流动性等性能不同有关。
图2显示了不同层数复合膜层的表面粗糙度。从图2中可以看出，Ra,Rq,Rz的值总体上具有相似的变化趋势，即仅涂覆MAO膜层的试样粗糙度值较高，其Ra,Rq和Rz值均为最大值，Ra值为2.786±0.0.090，Rq值为3.341±0.179，Rz值为16.183±0.862，随着CS复合膜层的层数增加，复合膜层的粗糙度值持续下降，且在CS复合膜层层数为五层时Ra,Rq,Rz均达到最小值，Ra值为1.575±0.031，Rq值为2.059±0.108，Rz值为9.986±0.448.可以得出，涂覆CS复合膜层能够使试样的表面粗糙度降低，且层数越多，粗糙度值越低，但是越光滑的表面可能会导致细胞黏附数目减少，不利于细胞的增殖生长，因此复合膜层的层数并非越多越好，适当层数的复合膜层能够更加适宜细胞黏附和生长。
复合膜层的表面形貌及成分分析
图4显示了涂覆有不同层数复合膜层的样品的表面微观形貌。其中图4(a)(b)(c)(d)分别为试样CST-0,CST-1,CST-3,CST-5的表面形貌。可以看出，未涂覆CS复合膜层的试样表面具有显著的MAO膜层特征，即具有少量的微孔和微裂纹，表面涂覆有CS复合膜层后，能够将微孔、微裂纹产生显著的覆盖作用。但涂覆的层数不同，表面形貌也存在较大差异。当涂覆的层数仅仅为一层时，试样表面留有非常明显的气泡，推测为基体与复合溶液中的CH3(COOH)成分发生反应，而浸入NaOH溶液后不足以完全将CH3(COOH)成分中和所致。涂覆的层数增加到3层后，可以观察到较为光滑的表面，其上的颗粒物和气泡明显减少，而当层数增加至5层后，表面的气泡几乎完全消失，表面形貌最为均匀，但颗粒物尺寸减小数量增加，分散在整个膜层表面。
图5显示了不同层数复合膜层表面点元素组成分析。表6显示了不同层数复合膜层表面点元素组成成分的结果。结果表明，与MAO膜层表面点元素组成成分分析对比，涂覆有复合膜层的表面，普遍具有C,O,N的成分含量明显升高的现象，因为复合膜层主要成分为CS而其主要由以上的3种元素组成有关，膜层表面的颗粒物Ti元素的含量明显上升，推测其为表面发生团聚现象的纳米TiO2颗粒，说明TiO2的分布存在不均匀的区域，复合膜层的层数为5时，表面TiO2颗粒的尺寸较均匀且均较小，表面形貌最为光滑，这与前述对复合膜层采用粗糙度测量仪测得的结果呼应。根据图5(b)(c)(d)中TiO2颗粒的分布情况，(b)中TiO2颗粒的尺寸较大且分布在比较均匀的整个表面，(c)中TiO2颗粒的分布较为集中且尺寸大，(d)中的TiO2颗粒尺寸最小且分布最为均匀，由于实验所选用的纳米TiO2颗粒为亲水型，推测前述复合膜层表面润湿性测试中，复合膜层层数为3时润湿性最差，而层数为1层时润湿性较好，层数为5层时润湿性最佳的现象与表面TiO2颗粒的分布情况有关。
表6不同层数复合膜层表面点成分分析结果
Figure GDA0002231353030000091
如图6所示，不同层数复合膜层试样的截面形貌及元素分析图，其中图(a)(b)(c)(d)分别为仅涂覆MAO陶瓷膜层，涂覆1层、3层、5层CS复合膜层的膜层截面图，可以看出随着复合膜层的层数增加，CS复合膜层的厚度明细增大，在SEM图像中可以明显观察到它的膜层增厚过程，且随着膜层数量增多，增厚的趋势更加的显著。此外，采用层层自组装法制备的多层复合膜层，它们的层间并不具有明显的界限，推测膜层制备过程中，在CS溶液浸渍操作之间，通过浸入氢氧化钠、肝素钠溶液，能够较好的消除膜层中的气泡，促进膜与膜之间的结合与渗透。
二、不同浓度肝素钠复合膜层的性能
复合膜层粗糙度
图7为四种样品的平均表面粗糙度(Ra)。从血液成分的理化特性和血栓形成的机理可知，材料表面粗糙度是影响血液相容性的一个重要因素。材料表面越光滑，对血浆蛋白和血小板的吸附就越小，且越不容易引起血液细胞形态和构象的变化，也就越不容易破坏血液的正常流动。因此，材料表面的光滑处理是改善血液相容性很有效的一个措施。然而表面粗糙度越大，暴露在血液上的表面积越大，会显著提高炎症反应程度和反应率，并且也会使种植体的机械性能、耐腐蚀性能下降。从图7中可以看出，MAO样品的表面粗糙度最高，且误差最大，因为微弧氧化层表面存在大量孔隙和裂纹。在其表面制备明胶-壳聚糖复合膜层，粗糙度略有降低，制备(明胶-壳聚糖)/肝素钠层层自组装复合膜层后，粗糙度明显降低，复合膜层表面平滑致密，这与高分子膜层愈合封孔的作用有关。随着肝素钠浓度的增加，复合膜层表面粗糙度增大。因此1g/L的肝素钠浓度可以保证复合膜层较为光滑的表面和较好的血液相容性。
表面形貌及点元素分析
如图8所示，为微弧氧化膜层及不同肝素钠含量的(明胶-壳聚糖)/肝素钠复合膜层的表面形貌。从图8(a)中可以看出，在镁合金基体表面制备的微弧氧化膜层表面较为粗糙，存在微孔及微裂纹，微孔被封住，减少了与外界腐蚀介质的接触面积。由于电解液中的添加剂K2TiF6促使MgF2及TiO2相的形成，增大生物相容性的同时还可以起到愈合封孔、提高耐蚀性的作用。
如图8(b)所示，在微弧氧化膜层表面制备三层单一的明胶-壳聚糖复合膜层后，表面皱起，存在大量棱状突起，表面不平整均匀。如图8(c)所示，利用1g/L肝素钠溶液制备的层层自组装复合膜层，相较单一的明胶-壳聚糖复合膜层表面更为均匀致密平整，厚度均匀，膜层表面没有裂纹和气孔，说明高分子复合膜层覆盖了MAO膜层表面的孔隙和微裂纹。由于层层自组装中带正电荷和负电荷的聚电解质可以通过静电相互作用交替沉积到带电表面，从而膜层结合力更强，表面更为均匀致密。从图8(d)中可以看出，利用2g/L肝素钠溶液制备的层层自组装复合膜层表面分布不是很均匀，膜层表面不均匀的分布着少量颗粒。随着肝素钠溶液浓度增加至3g/L，如图8(e)所示，膜层表面有较大凸起，高低不平，虽然致密但成分不够均匀，表面粗糙度较高，易吸附血浆蛋白和血小板，容易破坏血液的正常流动。因此1g/L的肝素钠溶液浓度可制备均匀平整结合力良好的层层自组装复合膜层。
接触角
图9为所制备的样品表面接触角大小示意图。接触角测量表征了生物材料表面的润湿性，固体表面的润湿性由其表面自由能和表面几何特征共同决定。因此，接触角的确定是了解表面润湿性的关键。据报道，促进细胞粘附的最佳亲水性范围为60°到80°之间。如图9(a)所示，微弧氧化膜层润湿角仅为33.7°，由于微弧氧化膜层表面有较多微孔微裂纹，因此溶液较易渗透进膜层。如图9(b)所示，在微弧氧化膜层表面制备三层单一的明胶-壳聚糖复合膜层后，膜层表面润湿角98.6°，不润湿，不利于成骨细胞粘附。如图9(c)所示，利用1g/L肝素钠溶液制备的层层自组装复合膜层表面润湿角71.5°，属于促进细胞粘附的最佳亲水性范围。如图9(d,e)所示，随着肝素钠溶液浓度的提高，膜层表面更加不润湿，因而1g/L肝素钠溶液制备的复合膜层的表面更利于细胞粘附，进而促进骨生长。
电化学极化曲线及阻抗谱
图10为微弧氧化及不同浓度肝素钠制备的复合膜层样品在36.5℃的SBF中的电化学极化曲线。图中列出了样品的自腐蚀电位(Ecorr)和自腐蚀电流密度(Icorr)。一般来说，自腐蚀电位反映合金腐蚀的难易程度，自腐蚀电流密度反映合金的腐蚀速率。自腐蚀电位越高，自腐蚀电流密度越小，合金的电化学耐蚀性越好。由图可知，复合膜层的制备对样品耐蚀性帮助不明显。各个样品之间腐蚀电流差距并不明显，腐蚀电流最小的是浓度为1g/L的肝素钠溶液所制备的样品为1.154×10-6A/cm2，拥有较慢的腐蚀速率，可见随着肝素钠溶液浓度的增大，腐蚀电流增大，腐蚀加速；五种表面改性样品的腐蚀电压在-1.657V～-1.576V范围内，其中浓度为2g/L的肝素钠溶液所制备的样具有最高的腐蚀电压，为-1.576V，表明其较难被腐蚀。综合来看，浓度为1g/L的肝素钠溶液所制备的样品的耐腐蚀性和腐蚀速率较为优异。三、不同TiO2含量的MAO-CS复合膜层的性能
宏观形貌及粗糙度
图11为实验制备的微弧氧化及复合膜层浸泡前宏观形貌。在所制备的五种膜层中，由于配制的壳聚糖-明胶混合溶液为微黄半透明色，将其涂覆在MAO表面后遮住了部分MAO膜层的颜色，故四种复合膜层的颜色相对较浅。同时由于浸渍提拉法本身的局限性，复合膜层表面不如MAO膜层均匀，但比MAO膜层平滑致密。将图c,d,e与a,b对比可知，图c,d,e表面有大量白色颗粒存在，说明添加的TiO2被成功引入膜层，且出现不同程度的团聚现象，其中添加3g/L TiO2的样品(图d)表面团聚现象最为严重，团聚微粒尺寸差异最明显。
图12为六种样品的平均表面粗糙度(Ra)。从图中可以看出，MAO样品的表面粗糙度最高，且误差最大，这与微弧氧化层的非均匀性以及膜上孔隙和裂纹的形成有关，但该波动不足以改变结论。在其表面制备复合膜层后，粗糙度明显降低，进一步说明复合膜层表面较为平滑致密，这与高分子膜层愈合封孔的作用有关。随着TiO2含量的增加，越来越多的TiO2被引入膜层，表面粗糙度先增大后减小，由于T3中TiO2表现出相对严重的团聚现象，表面粗糙度最大。粗糙表面的表面积相对较大，植入人体后为钙磷化合物的形成提供了更多的形核位点，显示出更好的骨整合性能。由于粗糙表面为细胞附着提供了更多的胞材结合位点，促进了细胞黏附及增殖，其中细胞黏附主要通过吸附在材料表面的细胞外基质作用，而粗糙度能通过影响对细胞外基质(Extracellular matrixc,ECM)蛋白的吸附或者通过改变吸附蛋白的构象影响细胞的黏附，进而影响材料的生物相容性。
膜层厚度
图13为实验制备的五种微弧氧化及复合膜层的厚度。从图中可知，四种复合膜层比微弧氧化膜层要厚，表明在微弧氧化膜层表面成功制备了复合膜层；在层层自组装层数确定的情况下，四种膜层的膜厚差别不大，上下相差10μm左右；随着TiO2含量的增加，膜层厚度先增加后下降，这和壳聚糖-明胶混合溶液的粘度变化有关，粘度高时溶液流动性弱，所制备的膜层较厚，加之T3样品TiO2团聚现象最为严重，使膜层表面不均匀性增加，故在五种样品中测量误差最大。在其他条件相同的情况下，膜厚的增加可以有效阻碍腐蚀液体与基体接触，减缓样品的腐蚀速率，提高其耐蚀性。因此，推测在制备的五种样品中，T3的耐蚀性相对较好。
接触角
图14为所制备的样品表面接触角大小示意图。接触角测量表征了生物材料表面的润湿性，固体表面的润湿性由其表面自由能和表面几何特征共同决定，可影响蛋白质的吸收和细胞粘附、增殖等特性，对生物材料的细胞粘附、蛋白表达以及组织生长有重要影响。因此，接触角的确定是了解表面润湿性的关键。据报道，促进细胞粘附的最佳亲水性范围为60°到80°之间。然而，表面润湿性并不直接介导细胞粘附，它主要通过改变从介质中吸附的蛋白质的类型、构象和结合强度，进而影响细胞的附着。
从图14(b)可以看出，在基体表面制备微弧氧化膜层，使接触角大大下降(从52.4°到38.6°)，这是由于微弧氧化膜层疏松多孔，液滴渗入膜层孔洞，迅速铺展，而高度亲水性的表面会抑制细胞粘附介质蛋白的结合，从而限制或阻止细胞粘附，因此MAO膜层不利于细胞粘附；复合膜层制备后，样品的接触角明显增大(从38.6°到98.6°)，但随着TiO2含量的增加，接触角先减小再增大，其中T3样品由于粗糙度最大，与液滴接触的表面积相对较大，液滴容易湿润并扩散到复合膜层表面，使其接触角相对较小(78.6°)，处于60°到80°之间，有利于细胞粘附。
表面形貌及点元素分析
如图15所示，为微弧氧化膜层及复合膜层的表面形貌及点分析图谱。表3.1中列出了图15中各点的点分析数据。
从图15(a)中可以看出，在基体表面制备的微弧氧化膜层表面较为粗糙，为微孔结构，存在少量裂纹，部分孔洞被封住，减少了与体液的接触面积，经点分析后发现其主要元素为Ti,O(表4.2)，说明电解液中的添加剂K2TiF6成功将Ti引入膜层中，增大生物相容性的同时还可以起到愈合封孔、提高耐蚀性的作用。拥有这种特征形貌的样品植入人体后，一方面人体体液会沿着裂纹和微孔进入镁合金基体表面，增加了与体液接触的面积，使其腐蚀速率加快，力学性能逐渐下降；另一方面，粗糙的结构有利于成骨细胞的粘附，生物相容性较好。
如图15(b)所示，在微弧氧化膜层表面制备壳聚糖-明胶/肝素钠复合膜层后，表面较为平滑致密，没有明显的裂纹和气孔，说明层层自组装膜层覆盖了MAO膜层表面的孔隙和微裂纹，但由于表面粗糙度过低，植入人体后不利于细胞的粘附。从图中还可以看出，制备的复合膜层厚度不是很均匀，这可能是由于壳聚糖-明胶混合溶液的流动性较差、粘度较大造成的。膜层表面不均匀的分布着少量颗粒，经点分析后发现该颗粒中C,O,N元素的含量较多(表7)，说明为未完全溶解的壳聚糖颗粒。
在壳聚糖-明胶混合溶液加入TiO2后，随着TiO2含量的增加，制备的膜层表面的小颗粒数量先增加后减少，经点分析检测后发现该颗粒为加入的TiO2，从图15(c),(d),(e)中可以看出，T3样品TiO2团聚现象最为严重，而T5样品表面小颗粒减少可能是因为团聚现象减弱，TiO2颗粒呈纳米级分散在混合溶液中。
从表7可以看出，除微弧氧化样品外，其他所有复合膜层样品都检测出含有大量C,N,O元素，说明在其表面成功制备了高分子膜层。Ti元素的含量随着TiO2含量的变化有不同程度的增加或减少，但总体随着含量的增多而增多。在微弧氧化样品表面制备复合膜层后，Mg,P元素的含量大幅度下降，这是由于制备的高分子膜层较薄且其中不含有Mg,P元素，检测时射线易透过高分子膜层检测到微弧氧化膜层中元素的含量。
表7微弧氧化样品及复合膜层样品浸泡前的点成分分析结果
Figure GDA0002231353030000111
膜层相组成
如图16所示，为微弧氧化膜层及在不同TiO2浓度的壳聚糖-明胶混合溶液中制备的复合膜层XRD图谱。从图中可以得知，五种膜层的相组成相差不大，TiO2浓度变化并不会改变膜层的相组成，主要由TiO2,Chitosan D-ascorbate,Mg(NH2)2,MgTi4(PO4)6,Na7(PO4)2F·19H2O等物质组成。在五种样品中，镁基体的峰依旧较为明显，这是由于所制备的膜层较薄，X射线易穿透造成的。由于高分子物质的XRD衍射峰相对于金属来说较弱，再加上壳聚糖与镁基体的衍射峰重合度较高，与MAO相比，在复合膜层的XRD图谱中并不能明显观察到峰的增加。明胶作为一种胶原变形的产物，蛋白含量高达80％以上，主要由氨基酸、水分、无机盐组成，没有固定的结构和相，故在XRD图谱中不能检测到明胶的存在。
NaF,K2TiF6,Na5P3O10的加入导致Na7(PO4)2F·19H2O相的形成，F-的引入可能对细胞毒性有一定影响，这还需要后续细胞实验进行验证。MgTi4(PO4)6,Mg(PO4)(OH)·3H2O,Mg3(PO4)2相为优势相和稳定相，在腐蚀环境下可以保护基体不受腐蚀，提高样品的耐蚀性。TiO2相具有催化活性和高度抗菌性，上面的自由基可以诱导磷灰石的形成，进而促进成骨细胞的粘附。
在对所制备的六种样品表面性能的研究中，粗糙度、膜厚、接触角三种性能的变化趋势基本一致，随着TiO2浓度的增加，粗糙度、膜层厚度皆先增大后减小，接触角则先减小再增大，其中在壳聚糖-明胶溶液中添加3g/L TiO2的样品性能最为优异，平均表面粗糙度约为2.4μm，膜层厚度约为56.4μm，接触角约为78.6°。
微弧氧化样品表面多孔洞、裂纹，耐蚀性能较差，但K2TiF6的加入对微弧氧化膜层有封孔的作用，使膜层中含有大量Ti，相应的提高了微弧氧化样品的耐蚀性和生物相容性；层层自组装膜层的制备封闭了微弧氧化时产生的孔洞和微裂纹，使表面平滑致密，并随着TiO2浓度的增加，表面出现大量的微粒，其中在壳聚糖-明胶溶液中添加3g/L TiO2的样品团聚现象较为严重。
五种膜层的相组成相差不大，TiO2浓度变化并不会改变膜层的相组成，主要由TiO2,Chitosan D-ascorbate,Mg(NH2)2,MgTi4(PO4)6,Na7(PO4)2F·19H2O等物质组成。
电化学极化曲线及阻抗谱
为证明实验手段对提高镁基体耐蚀性的有效性，通常采用Tafel曲线、阻抗谱、模拟体液(SBF)浸泡后的各项数据(失重率、腐蚀速率、pH变化)等测试方法对样品的耐蚀性进行检测，其中Tafel曲线和阻抗谱是利用电化学工作站对样品某一短期特定时间段的耐蚀性能进行表征，有效地反映了样品的耐蚀性。图17为试验所用六种样品在36.5℃的SBF中的电化学极化曲线。图中列出了样品的自腐蚀电位(Ecorr)和自腐蚀电流密度(Icorr)。一般来说，自腐蚀电位反映合金腐蚀的难易程度，自腐蚀电流密度反映合金的腐蚀速率。自腐蚀电位越高，自腐蚀电流密度越小，合金的电化学耐蚀性越好。与基体S相比，其他所有样品的腐蚀电流都下降了三个数量级，为10-7，表明对镁基体进行表面改性可以大幅提高其耐蚀性，各个样品之间腐蚀电流差距并不明显，腐蚀电流最小的是添加有3g/L的TiO2的壳聚糖-明胶混合溶液所制备的样品T3，为4.115×10-7A/cm2，拥有较慢的腐蚀速率，可见随着TiO2浓度的增大，腐蚀电流先减小再增大；五种表面改性样品的腐蚀电压都有所升高，大约在-1.610V～-1.560V范围内，其中添加有5g/L的TiO2的壳聚糖-明胶混合溶液所制备的样品T5拥有最高的腐蚀电压，为-1.564V，表明其较难被腐蚀。综合来看，T3和T5样品的耐腐蚀性和腐蚀速率较为优异。
图18为试验所用六种样品在36.5℃的SBF中的阻抗谱。图中反映了六种样品的拟合曲线，一般来说，拟合曲线半径越大，阻抗越大，耐蚀性越好。从图中可以看出，六种样品的拟合曲线半径相差明显，拟合半径最大的为T3，约为基体S的1000倍。随着TiO2浓度的增大，阻抗先增大后减小，T3的阻抗性能远优于其他样品。
膜层体外降解性能
图19为基体、微弧氧化样品及在不同TiO2浓度的壳聚糖-明胶混合溶液中制备的复合膜层样品的在37℃,SBF中浸泡时的pH变化。
由图可见，基体的pH值在浸泡初期随浸泡时间的延长而迅速升高，浸泡后期稳定在8.5～9之间，变化相对平稳；表面改性后的试样在浸泡初期(48h)内非常稳定，基本维持SBF的pH，说明在浸泡初期有效阻碍了腐蚀现象发生。在之后的48h内，各个试样的pH均出现不同程度的下降，复合膜层的加入使样品的下降速度增大，但随着TiO2浓度的增大，下降速度越来越慢，其中MAO,T5试样的下降速度较为缓慢，说明MAO,T5样品不容易被腐蚀，这与Tafel曲线中所计算的腐蚀电压的结果相一致。随后表面改性样品的pH逐渐升高，浸泡十五天后，浸泡的pH基本回升到SBF初始的pH，且除MAO样品外的其他样品，pH上升速度逐渐下降，可以推测，这四种样品最后的pH值会逐渐趋于稳定，而MAO样品pH则会继续升高，直到与基体一致。
复合膜层样品的pH下降可能是由于壳聚糖膜层的醋酸逐渐进入SBF中，而pH回升一方面由于醋酸的含量在慢慢减少，另一方面由于聚合物高分子具有一定的吸水性，水分子可以进入高分子分子链之间，最后到达内部微弧氧化膜层表面，使微弧氧化膜层缓慢降解，在降解过程中的降解产物包括Mg+、OH-、H2等均被释放到微弧氧化膜层和聚合物膜层之间，形成微碱环境，造成高分子膜层起泡。高分子在水环境下发生降解，而内部碱性条件会进一步加速降解，镁合金降解产生的H2需要透过聚合物膜层而释放到SBF中，H2穿过的通道将成为产生裂纹的根源。优先发生降解的位置最先发生破裂，造成膜层脱落。
综上所述，T5样品在浸泡过程中的波动最小，且接近人体体液的pH值，浸泡末期pH升高速度最小，最符合植入人体的生物医学材料的要求，生物安全性最好。
基体、微弧氧化样品及在不同TiO2浓度的壳聚糖-明胶混合溶液中制备的复合膜层样品在37℃,SBF中浸泡时的失重率和降解速率如图20和图21所示。
由图20可见，试样的失重率随浸泡时间的增加而增大，其中镁基体的失重率最大，浸泡五天后的失重率已大于其他五种样品浸泡15天的失重率，再次表明表面改性的手段有效提高了镁合金的耐蚀性；同时镁基体的误差较大，表明镁基体的降解速率不可控。在浸泡的前5天，微弧氧化样品(MAO)的失重率最低，为0.25％，不同TiO2浓度的复合膜层试样的失重率差别不大，均未超过1％，表明TiO2的浓度对降解初期的失重率无明显影响。浸泡中期，各组表面改性样品失重率大致相同，MAO样品的降解速度加快，结合宏观形貌，说明微弧氧化膜层已出现裂纹，开始发生点蚀现象。复合膜层的样品浸泡15天后，各试样失重率的差距开始增大，随着TiO2浓度的增大，复合膜层样品的失重率先减小再增大，其中T3试样的失重率小于其他试样，约为1.89％，而其他复合膜层样品的失重率均超过2％，MAO样品的失重率甚至超过3％。
如图21所示，在所有样品中，镁基体的降解速率明显高于其他样品，浸泡初期降解速率较稳定，但浸泡后期随着浸泡时间的延长逐渐增大。微弧氧化样品在浸泡初期由于微弧氧化膜层的保护作用，降解速率在所有样品中最低，为6.39×10-6g/(cm2·h)；随着浸泡时间的延长，微弧氧化膜层表面起保护作用的相(MgTi4(PO4)6,Mg(PO4)(OH)·3H2O,Mg3(PO4)2)逐渐发生降解，这些物质所在区域膜层明显变薄，浸泡后期出现点蚀现象，没有微弧氧化膜层的保护，MAO样品的降解速率迅速增大。复合膜层的样品在浸泡初期发生降解行为的主要是表面高分子膜层，由于表面壳聚糖膜层易降解，且易发生起泡现象，降解速率相对较快，约为1.5×10-5g/(cm2·h)，TiO2的浓度对浸泡初期的腐蚀速率无明显影响，这与失重率得出的结论基本一致；浸泡中期由于表面高分子膜层祈祷的保护作用很小，微弧氧化膜层和表面高分子膜层共同产生降解行为，由于微弧氧化膜层的保护作用，降解速率低于浸泡初期；随着浸泡时间的增加，高分子膜层和微弧氧化膜层的保护作用都在减小，浸泡后期，降解速率有所增加，且随着TiO2浓度的增加，复合膜层样品的降解速率先减小后增大，T3样品的降解速率最低，为1.33×10-5g/(cm2·h)。
综上所述，表面改性可以明显提高金属基体的耐蚀性，使其降解速率可控；表面高分子膜层的制备使样品初期的腐蚀速率升高，但失重率降低，其中T3样品浸泡后期的失重率和降解速率最低，这与Tafel曲线中T3样品的腐蚀电流最小的结果一致，说明在所有样品中，T3样品拥有较为优异的耐蚀性。
浸泡后表面形貌及元素分析
图22为基体、微弧氧化样品及复合膜层样品在37℃,SBF中浸泡15天后的表面形貌及点分析图谱。表8为基体、微弧氧化样品及复合膜层样品在37℃,SBF中浸泡15天后的点分析数据，其中忽略了含量较少的N,Na,F等元素。
从图22(a)中可以看出，基体在37℃,SBF中浸泡15天后，表面出现大量裂纹，且裂纹已经蔓延开，开始成片剥落，基体内部也发生了严重的腐蚀现象，整个样品由内而外都在发生降解。同时在基体表面产生了大量呈团絮状的降解产物，经点分析后(表8)，发现基体降解产物中的元素以Zn,O为主，亦含有较多的Ca,P元素，两点的Ca/P原子比分别为1.11,1.06，Mg元素的含量较少，说明其在降解过程中生成了较多的钙磷化合物覆盖在基体表面，植入人体后有利于细胞粘附、组织愈合，生物相容性好。
图22(b)表明微弧氧化样品浸泡后表面有少量降解产物产生，微孔、微裂纹处由于与溶液接触面积大，成为腐蚀的源头，产生点蚀现象，对点蚀坑进行成分分析，发现点蚀坑内含有大量的Ti,O元素，但Ca,P元素的含量相对较少(表8)。
复合膜层样品浸泡后表面高分子膜层基本丧失保护作用，贴在样品表面，将样品烘干后，高分子膜层剥落，故表面形貌为高分子膜层剥落后微弧氧化膜层的形貌。对比图22(c),(d),(e),(f)，T0样品表面孔洞和微裂纹最多，粗糙度最高，从表8可知，降解后Mg元素含量多，说明制备的复合膜层已失去保护作用，使基体裸露，因此高分子膜层的制备会增大样品的腐蚀速率，降低耐蚀性；随着TiO2含量的增加，样品表面孔洞减少，其中T3样品表面最为致密，孔洞和微裂纹相对较少，腐蚀后呈现絮状形貌，耐蚀性较高，且有利于细胞的粘附。T1样品浸泡后出现较大的降解产物，经点分析后发现组成元素主要为C,O，说明为高分子膜层留下的降解产物。
由表8可知，微弧氧化样品和复合膜层样品的各元素百分比无明显规律，这应归因于膜层各组分含量的不均匀性，元素百分比很大程度上取决于打点的位置。但与基体相比，表面改性后的样品浸泡后生成的钙磷化合物较少，含Ti化合物的含量明显增大。
表8基体、微弧氧化样品及复合膜层样品在37℃SBF中浸泡15天后不同区域的点分析
Figure GDA0002231353030000141
浸泡后相组成
图23为基体、微弧氧化样品及复合膜层样品在37℃,SBF中浸泡15天后的XRD图谱。从中可以看出，基体S与其他五种样品的组成差距较大，多为钙磷化合物，如Ca4P20,(Ca,Zn)2P2O7,CaMg5(CO3)(PO4)3(OH)，说明基体植入人体后会诱导骨组织愈合，具有良好的生物相容性。微弧氧化样品MAO与复合膜层样品相比，组成相较少，主要为Mg2Zn11,CaTi2O4,CaTi4O9相，说明模拟体液SBF中的Ca元素在浸泡过程中成功引入MAO样品膜层中，形成大量Ca-Ti化合物，同时也出现点蚀现象，使基体相Mg2Zn11裸露。
复合膜层样品浸泡后生成的降解产物较为复杂，各组之间的组成差异不大，主要包括CaTi2O4,Ti3O5,Ca2P2O7·2H2O,MgTi2O5等相，说明TiO2含量的变化对样品的降解产物组成无明显影响，但各个相的峰高差异较明显，一方面可能是由于X射线进入样品中各个物质的角度不同，平行于晶面进入比不平行的峰相对要高；另一方面可能是由于该物质在各个样品中的含量不同。复合膜层生成的降解产物中多为含Ti化合物，这与TiO2的添加有关，与未添加TiO2的T0组相比，T1组在58°,82°处各增加一个峰，经匹配后发现主要为CaZn,CaTi2O4,CaTi4O9相，说明TiO2能够诱导含钙化合物的生成。
微弧氧化技术可以大幅提高镁合金的腐蚀电压，降低腐蚀电流；层层自组装膜层的制备会增大腐蚀电流，对腐蚀电压并无明显影响，但随着TiO2浓度的增加，腐蚀电流先减小再增大，阻抗先增大后减小。在所制备的样品中，添加3g/L TiO2的样品的腐蚀电流最小，为4.115×10-7A/cm2，且阻抗弧最大，拥有最为优异的耐蚀性能。
在37℃,SBF中浸泡15天后，基体的pH、失重率和腐蚀速率皆为所有样品中最高，微弧氧化样品和复合膜层样品的pH、失重率和腐蚀速率相差不大，表面出现不同程度的裂纹。其中添加5g/L TiO2的样品pH变化最为平稳，贴合人体体液的pH值，生物相容性较好；添加3g/L TiO2的样品失重率和腐蚀速率最低，表面最为致密，微孔、微裂纹最少，耐蚀性较好。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (21)

1.一种镁合金表面可降解复合膜层，其特征在于：包括微弧氧化膜层和复合膜层，微弧氧化膜层附着于镁合金基体的表面，复合膜层附着于微弧氧化膜层上，所述复合膜至少包括一层层层自组装膜，每层均包括壳聚糖-纳米二氧化钛-明胶层和肝素钠层，或，每层均包括壳聚糖-明胶层和肝素钠层；
所述微弧氧化膜层制备过程中，电解液组成为：Na5P3O10 10.0g/L，NaOH 2.0g/L，C3H8O310.0mL/L，NaF 2.5g/L，K2TiF6 9.0g/L或(NH4)2TiF6 0.030mol/L。
2.根据权利要求1所述的镁合金表面可降解复合膜层，其特征在于：所述复合膜层的厚度为50-57μm，表面粗糙度为2-3μm，接触角为70-100°。
3.根据权利要求2所述的镁合金表面可降解复合膜层，其特征在于：所述复合膜层的厚度为56-57μm，表面粗糙度为2-2.5μm，接触角为77-79°。
4.根据权利要求1所述的镁合金表面可降解复合膜层，其特征在于：所述复合膜层的层数为1-10层。
5.根据权利要求4所述的镁合金表面可降解复合膜层，其特征在于：为1-7层。
6.根据权利要求5所述的镁合金表面可降解复合膜层，其特征在于：为1-5层。
7.根据权利要求6所述的镁合金表面可降解复合膜层，其特征在于：为3层。
8.一种镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
配制壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液、肝素钠溶液和NaOH溶液；将制备有微弧氧化膜的镁合金基体依次在壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液、NaOH溶液和肝素钠溶液中浸渍提拉，制备层层自组装复合膜层。
9.根据权利要求8所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：所述壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液中，壳聚糖的浓度为10-40g/L，TiO2为纳米二氧化钛，其浓度为0.5-5.5g/L，明胶浓度为50-70g/L；
肝素钠溶液浓度为0.5-3g/L；
NaOH溶液浓度为0.5-3mol/L。
10.根据权利要求9所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：所述壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液中，壳聚糖的浓度为15-25g/L，TiO2的浓度为1-5g/L，明胶浓度为55-65g/L；
肝素钠溶液浓度为1-2g/L；
NaOH溶液浓度为1-2mol/L。
11.根据权利要求10所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：所述壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液中，壳聚糖的浓度为20g/L，TiO2的浓度为3g/L，明胶浓度为60g/L；
肝素钠溶液浓度为1g/L；
NaOH溶液浓度为1mol/L。
12.根据权利要求8所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：所述壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液的制备方法，包括如下步骤：
将壳聚糖溶解于纳米二氧化钛的醋酸溶液中，得到壳聚糖-TiO2醋酸溶液；
将明胶溶液与壳聚糖-TiO2醋酸溶液混合，制得壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液。
13.根据权利要求8所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：浸渍提拉的提拉速度为100-500mm/min，浸渍速度100-500mm/min，在壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液、NaOH溶液和肝素钠溶液中浸渍的时间依次为3-20min、5-15s、3-20min。
14.根据权利要求13所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：浸渍提拉的提拉速度为400mm/min，浸渍速度300mm/min，在壳聚糖-TiO2-明胶混合溶液或壳聚糖-明胶混合溶液、NaOH溶液和肝素钠溶液中浸渍的时间依次为5min、10s、5min。
15.根据权利要求13所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：每次浸渍提拉完毕后，将试样置于30-60℃干燥箱内烘干1-50min，烘干后进行下次浸渍提拉。
16.根据权利要求15所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：干燥温度50℃，干燥时间分别为25min、15min、15min。
17.根据权利要求8所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：所述镁合金基体为Mg-Zn系，Mg-Ca系，Mg-Sr系或Mg-Re系镁合金。
18.根据权利要求17所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：所述镁合金基体为生物医用Mg-Zn-Ca合金或Mg-Zn-Sr合金。
19.根据权利要求18所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：所述镁合金基体中，各组分的质量百分数为Zn2％-3％，Ca0.1％-1％，Sr0.1％-2％，余量为镁。
20.根据权利要求18所述的镁合金表面可降解复合膜层的制备方法，其特征在于：所述镁合金基体为Mg-2Zn-0.3Ca或Mg-2Zn-0.5Ca或Mg-3Zn-0.3Ca或Mg-3Zn-0.5Ca或Mg-3Zn-0.15Sr或Mg-3Zn-0.5Sr或Mg-3Zn-1Sr。
21.权利要求1-7任一所述镁合金表面可降解复合膜层在制备血管管腔支架、人造骨、骨钉、骨连接件、骨缝合线、缝合用锚、脊椎骨盘中的应用。
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