CN110938812A - 一种具有抗菌性的表面改性镁合金及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料表面改性技术领域，具体公开了一种具有抗菌性的表面改性镁合金及其制备方法与应用。所述方法具体为：将镁合金浸泡在含铝源的碱性溶液中，然后进行水热处理，即在镁合金表面得到镁铝层状双氢氧化物和氢氧化镁混合相涂层；在盐酸多巴胺溶液中加入硝酸锌水溶液，然后将表面为镁铝层状双氢氧化物和氢氧化镁混合相涂层的镁合金浸泡浸泡其中，进行自聚合反应得到具有抗菌性的表面改性镁合金。本发明改性后的镁合金能够持续地释放锌离子，且其细胞相容性和抗菌性有了明显的提升，细胞在材料表面粘附及生长状态良好，细菌在材料表面的生长受到显著抑制。

Description

一种具有抗菌性的表面改性镁合金及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于金属材料表面改性技术领域，特别涉及一种具有抗菌性的表面 改性镁合金及其制备方法与应用。
背景技术
目前，大部分医用金属材料如钛合金、镍钛合金等都是不可降解材料，需 要二次手术取出植入体，给患者带来沉重的精神和经济压力。因此，发展新型 可降解医用材料具有很重要的社会与研究意义。镁合金因具有良好的机械性 能、弹性模量与骨组织非常接近而且降解产物可以随着人体的新陈代排出体 外，是非常理想的硬组织替换材料以及心血管支架材料。也正因此，镁合金被 视为“下一代医用生物材料”之一。
镁合金作为医用材料的缺点是电化学势太低，腐蚀速率过快。快速的腐蚀 会导致镁合金机械性能过早地降低，也会引起植入体周围组织液pH值的剧烈 变化以及炎症反应等。另外一方面，目前临床上的医用植入体经常面临感染的 危险。因此，需要设计具有抗菌性能的医用镁合金表面。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种具 有抗菌性的表面改性镁合金。
本发明另一目的在于提供一种上述具有抗菌性的表面改性镁合金的制备 方法。
本发明再一目的在于提供上述具有抗菌性的表面改性镁合金在医用材料 中的应用。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种具有抗菌性的表面改性镁合金的制备方法，具体步骤为：
将镁合金浸泡在含铝源的碱性溶液中，然后进行水热处理，即在镁合金表 面得到镁铝层状双氢氧化物和氢氧化镁混合相涂层；在盐酸多巴胺溶液中加入 硝酸锌水溶液，然后将表面为镁铝层状双氢氧化物和氢氧化镁混合相涂层的镁 合金浸泡浸泡其中，进行自聚合反应得到具有抗菌性的表面改性镁合金。
所述镁合金在浸泡前依次采用砂纸将表面打磨平整，然后采用无水乙醇将 打磨平整后的样品清洗干净并室温干燥。
所述铝源为硝酸铝、硫酸铝和醋酸铝中的至少一种。
所述碱性溶液为氢氧化钠水溶液和氢氧化钾水溶液中的至少一种。
所述含铝源的碱性溶液的pH为10～13，优选为12.8。
所述含铝源的碱性溶液中铝源的摩尔浓度为0.01～0.1mol/L，优选为0.02 mol/L。
所述水热处理的温度为60～160℃，时间为5～15h。
所述盐酸多巴胺溶液的pH为8～9，优选为8.5；所述盐酸多巴胺溶液中盐 酸多巴胺的浓度为1～3mg/mL，溶剂优选为Tris缓冲溶液。
所述硝酸锌水溶液的浓度为10～100mmol/L，优选为50mmol/L。
所述硝酸锌水溶液的用量满足每1mL的盐酸多巴胺溶液对应加入 5～500μL硝酸锌水溶液。
所述浸泡为在室温下避光浸泡6～24h，优选为在37℃下进行浸泡。
一种根据上述方法制备得到的具有抗菌性的表面改性镁合金。
上述具有抗菌性的表面改性镁合金在医用材料中的应用。
本发明所述室温以及未指明的温度均为15～37℃。
经本发明处理得到的改性镁合金表面由复合涂层组成，其内层为镁铝层状 双金属氢氧化物和氢氧化镁混合相组成，外层为聚多巴胺层。复合涂层能够有 效的提高镁合金的细胞相容性，有利于细胞在材料表面的存活，而且聚多巴胺 与细胞的亲和性强，有利于细胞在材料表面的粘附。此外，聚多巴胺层固定的 锌离子能够有效地抑制金黄色葡萄球菌在材料表面的增殖。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
首先，本发明所涉及的复合涂层是通过水热法和浸泡处理完成，其工艺简 单，无需特殊设备，所需试剂对环境无害，有利于大规模产业化生产。其次， 经本发明改性后的镁合金能够持续地释放锌离子；最后，经本发明改性后的镁 合金的细胞相容性和抗菌性有了明显的提升，细胞在材料表面粘附及生长状态 良好，细菌在材料表面的生长受到显著抑制。
附图说明
图1是AZ31镁合金(a)、LDH(b)、LDH/PDA(c)、Zn-1#(d)、Zn-2# (e)和Zn-3#(f)样品的扫描电镜图。
图2是AZ31镁合金、LDH、LDH/PDA、Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样品的 X-射线衍射图谱(XRD)；
图3是Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样品在PBS溶液中浸泡14天的锌离子累计 释放量。
图4是MC3T3-E1细胞在AZ31镁合金、LDH、LDH/PDA、Zn-1#、Zn-2# 和Zn-3#样品表面的早期粘附铺展测试结果。其中图(a)为AZ31镁合金、LDH、 LDH/PDA，图(b)为Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#。
图5是MC3T3-E1细胞在AZ31镁合金、LDH、LDH/PDA、Zn-1#、Zn-2# 和Zn-3#样品表面培养7天后的死活染色图；其中图(a)为AZ31镁合金、LDH、 LDH/PDA，图(b)为Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#。
图6是金黄色葡萄球菌在LDH、LDH/PDA、Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样品 表面培养1天后不同倍率的扫描电镜图；其中图(a)为LDH和LDH/PDA， 图(b)为Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。
实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。
实施例1
将厚度为2mm，直径为10mm的AZ31镁合金片，依次用600#和1000# 的SiC砂纸去掉表面氧化层，再用酒精超声干净。之后进行水热处理，水热液 为50mL的0.02mol/L的硝酸铝溶液，并使用氢氧化钠将其pH值调到12.8， 最后在120℃下反应12小时。所得样品标记为LDH。
图1(b)是经本实施例改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图。 从图中可以看出，LDH样品表面被一层致密的微纳米片状结构覆盖。图2给 出了经本实施例处理后样品的XRD图谱，从图中可以看出，LDH样品表面为 氢氧化镁和镁铝层状双氢氧化物的混合相。
实施例2
将实施例1处理所得样品置于2mg/mL的盐酸多巴胺溶液中(溶剂为10 mmol/L的Tris缓冲液)，并通过0.1mol/L氢氧化钠将其pH值调整为8.5，在 37℃下保温12小时。所得样品标记为LDH/PDA。
图1(c)是经本实施例改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图。 从图中可以看出，LDH/PDA样品表面被一层致密的微纳米片状结构覆盖。这 说明在本实施例处理过程中，并不会改变样品表面原有的形貌。图2给出了经 本实施例处理后样品的XRD图谱，从图中可以看出，LDH/PDA样品表面为 氢氧化镁和镁铝层状双金属氢氧化物的混合相。
实施例3
配置50mL,浓度为2mg/mL的盐酸多巴胺溶液(溶剂为10mmol/L的Tris缓冲液)，并通过0.1mol/L氢氧化钠将其pH值调整为8.5，随后向溶液中 加入50mmol/L的硝酸锌水溶液10微升，将实施例1处理得到的LDH样品置 于所配溶液中，并在37℃下保温12小时。所得样品标记为Zn-1#。
图1(d)是经本实施例改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图。 从图中可以看出，Zn-1#样品表面被一层致密的微纳米片状结构覆盖。这说明 在本实施例处理过程中，并不会改变样品表面原有的形貌。图2给出了经本实 施例处理后样品的XRD图谱，从图中可以看出，Zn-1#样品表面为氢氧化镁和 镁铝层状双金属氢氧化物的混合相。
实施例4
配置50mL,浓度为2mg/mL的盐酸多巴胺溶液(溶剂为10mmol/L的Tris缓冲液)，并通过0.1mol/L氢氧化钠将其pH值调整为8.5，随后向溶液中 加入50mmol/L的硝酸锌水溶液100微升，将实施例1处理得到的LDH样品 置于所配溶液中，并在37℃下保温12小时。所得样品标记为Zn-2#。
图1(e)是经本实施例改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图。 从图中可以看出，Zn-2#样品表面被一层致密的微纳米片状结构覆盖。这说明 在本实施例处理过程中，并不会改变样品表面原有的形貌。图2给出了经本实 施例处理后样品的XRD图谱，从图中可以看出，Zn-2#样品表面为氢氧化镁和 镁铝层状双金属氢氧化物的混合相。
实施例5
配置50mL,浓度为2mg/mL的盐酸多巴胺溶液(溶剂为10mmol/L的Tris缓冲液)，并通过0.1mol/L氢氧化钠将其pH值调整为8.5，随后向溶液中 加入50mmol/L的硝酸锌水溶液1000微升，将实施例1处理得到的LDH样品 置于所配溶液中，并在37℃下保温12小时。所得样品标记为Zn-3#。
图1(f)是经本实施例改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图。从 图中可以看出，Zn-3#样品表面被一层致密的微纳米片状结构覆盖。这说明在 本实施例处理过程中，并不会改变样品表面原有的形貌。图2给出了经本实施 例处理后样品的XRD图谱，从图中可以看出，Zn-3#样品表面为氢氧化镁和镁 铝层状双金属氢氧化物的混合相。
实施例6
将Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样品放入24孔板，每孔加入2mLα-MEM完全 培养基，随后将孔板放入细胞培养箱，培养箱为饱和湿度，温度为37℃，二 氧化碳浓度为5％。分别在1、4、7、10、14天时，取出浸提液，并重新加入 2mLα-MEM完全培养基。利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)检 测浸提液中的锌离子浓度。
图3为Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样品在α-MEM完全培养基中锌离子的累计 释放量。由图可知，在14天内，三组样品均可稳定地释放锌离子。而且，三 组样品的锌离子释放量差异不大。
实施例7
采用MC3T3-E1细胞体外培养和荧光染色实验评估细胞在AZ31镁合金、 LDH、LDH/PDA、Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样品表面的早期粘附铺展情况。具体 方法如下：
1)将经过12小时紫外灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔滴加1mL 密度为5×104cell/mL细胞悬液；
2)将细胞培养板放入5％CO2饱和湿度的细胞培养箱中37℃孵化；
3)培养1、4和24小时后，用罗丹明和DAPI对细胞进行染色，并用激 光共聚焦显微镜(CLSM)观察样品表面细胞的铺展情况。
图4是细胞在AZ31镁合金、LDH、LDH/PDA、Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样 品表面的早期粘附铺展测试结果。从图中可以看出，细胞在AZ31样品表面培 养24小时后，呈长条状，且任何丝状伪足伸出。细胞在LDH样品表面培养 24小时后，虽然也呈长条状，但是铺展面积较AZ31样品有显著提高，且由较 多丝状伪足伸出。而在LDH/PDA样品表面，细胞培养24小时后横向铺展宽 度较LDH样品有显著提高，表现出较大的铺展面积，且有大量丝状伪足伸出。 固定了锌离子后，Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样品表面的细胞培养24小时后，其铺 展面积不如LDH/PDA样品，但仍然高于LDH样品。上述结果说明经聚多巴 胺改性后的复合涂层更有利于细胞的早期粘附。
实施例8
采用MC3T3-E1细胞体外培养和荧光染色实验评估AZ31镁合金、LDH、 LDH/PDA、Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样品对细胞活性的影响。具体方法如下：
1)将经过12小时紫外灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔滴加1mL 密度为5×104cell/mL细胞悬液；
2)将细胞培养板放入5％CO2饱和湿度的细胞培养箱中37℃孵化；
3)培养7天后，用钙黄绿素和碘化丙锭分别对活细胞和死细胞进行染色， 并用激光共聚焦显微镜(CLSM)观察样品表面细胞的死活情况。
图5是细胞在AZ31镁合金、LDH、LDH/PDA、Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样 品表面培养7天后的死活染色情况。从图中可以看出，细胞在AZ31样品表面 培养7天后，全部呈现凋亡状态。而LDH、LDH/PDA、Zn-1#、Zn-2#和Zn-3# 样品表面均被大量的活细胞覆盖。上述结果说明经过水热处理以及进一步聚多 巴胺处理后的镁合金材料具有良好的细胞相容性。
实施例9
采用革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌评价LDH、LDH/PDA、Zn-1#、Zn-2# 和Zn-3#样品的抗菌性。方法如下：
1)将经过12小时紫外灭菌的样品放入24孔培养板中，每孔滴加0.8mL 密度为106cfu/mL菌液，置于37℃培养24小时；
2)用生理盐水清洗样品3遍，加入2.5％戊二醛，4℃冰箱过夜固定细菌；
3)依次用30％，50％，75％，90％，95％的酒精脱水10分钟，然后再用 纯酒精脱水两次，每次十分钟。接着用酒精和六甲基硅胺烷的混合液(1:2， 2:1，纯六甲基硅胺烷)分别脱水十分钟。干燥后，经过喷金处理再用扫面电 镜观察样品表面的细菌。
本实施例的实验结果如图6所示。从图中可以看出细菌在LDH和 LDH/PDA样品表面大量增殖，而在Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样品表面只观察到 少量零散的细菌。上述结果说明掺锌后的复合涂层具有优异的抑菌性。
综合上述实施例6-9的结果可以看出，Zn-1#、Zn-2#和Zn-3#样品可以持 续缓慢地释放锌离子，细胞在材料表面具有更好的早期粘附且具有良好的长期 活性，而细菌在材料表面的增殖则受到显著抑制。本发明在镁合金表面制备的 负载锌离子的复合涂层有望在医用镁合金表面改性领域得到应用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有抗菌性的表面改性镁合金的制备方法，其特征在于具体步骤为：
将镁合金浸泡在含铝源的碱性溶液中，然后进行水热处理，即在镁合金表面得到镁铝层状双氢氧化物和氢氧化镁混合相涂层；在盐酸多巴胺溶液中加入硝酸锌水溶液，然后将表面为镁铝层状双氢氧化物和氢氧化镁混合相涂层的镁合金浸泡浸泡其中，进行自聚合反应得到具有抗菌性的表面改性镁合金。
2.根据权利要求1所述的具有抗菌性的表面改性镁合金的制备方法，其特征在于：
所述铝源为硝酸铝、硫酸铝和醋酸铝中的至少一种；
所述碱性溶液为氢氧化钠水溶液和氢氧化钾水溶液中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的具有抗菌性的表面改性镁合金的制备方法，其特征在于：
所述含铝源的碱性溶液的pH为10～13；
所述含铝源的碱性溶液中铝源的摩尔浓度为0.01～0.1mol/L。
4.根据权利要求1所述的具有抗菌性的表面改性镁合金的制备方法，其特征在于：
所述含铝源的碱性溶液的pH为12.8；
所述含铝源的碱性溶液中铝源的摩尔浓度为0.02mol/L。
5.根据权利要求1所述的具有抗菌性的表面改性镁合金的制备方法，其特征在于：
所述盐酸多巴胺溶液的pH为8～9，；所述盐酸多巴胺溶液中盐酸多巴胺的浓度为1～3mg/mL；
所述硝酸锌水溶液的浓度为10～100mmol/L。
6.根据权利要求1所述的具有抗菌性的表面改性镁合金的制备方法，其特征在于：所述硝酸锌水溶液的用量满足每1mL的盐酸多巴胺溶液对应加入5～500μL硝酸锌水溶液。
7.根据权利要求1所述的具有抗菌性的表面改性镁合金的制备方法，其特征在于：所述水热处理的温度为60～160℃，时间为5～15h。
8.根据权利要求1所述的具有抗菌性的表面改性镁合金的制备方法，其特征在于：所述浸泡为在室温下避光浸泡6～24h。
9.一种根据权利要求1～8任一项所述方法制备得到的具有抗菌性的表面改性镁合金。
10.根据权利要求9所述具有抗菌性的表面改性镁合金在医用材料中的应用。
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