CN115627513A

CN115627513A - 一种用于微弧氧化的电解液及其应用和骨科植入材料及其制备方法

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Publication number: CN115627513A
Application number: CN202211337622.4A
Authority: CN
Inventors: 潘明强; 颜丙蛟; 罗苏徽; 刘吉柱; 王阳俊
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2022-10-28
Filing date: 2022-10-28
Publication date: 2023-01-20

Abstract

本发明涉及医用材料领域，公开了一种用于微弧氧化的电解液及其应用和骨科植入材料及其制备方法。本发明所述电解液包括作为主盐的磷酸盐和强碱，以及含生物活性元素的副盐；所述副盐选自钙盐和硅酸盐中的一种或两种以上。本发明的微弧氧化电解液在锌合金表面制备的涂层具有高孔隙率和立体结构的氧化锌涂层，不仅显著改善了锌基材料的腐蚀速率，而且能够提高成骨细胞的粘附和增殖，促进医用锌基材料在制备骨科植入物的应用。

Description

一种用于微弧氧化的电解液及其应用和骨科植入材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及医用材料领域，具体涉及一种用于微弧氧化的电解液及其应用和骨科植入材料及其制备方法。

背景技术

骨科植入材料是目前生物材料研究的热点之一。锌基可降解金属因其具有良好的生物相容性、显著的生物功效以及介于镁基、铁基金属的标准电位，理论上有着更合适的降解吸收速率，在骨内固定植入器械领域中展现出了巨大的应用潜力，逐渐引起了学者们的关注。然而，锌合金降解过快会导致人体内Zn²⁺浓度超过安全阈值而带来细胞毒性。表明改性技术是解决以上问题的主要途径，一方面，通过表面改性技术可以在锌合金表面构建微结构来提高其表面细胞相容性；另一方面，制备涂层以后可以解决锌合金作为医学材料时降解过快的问题。

微弧氧化(MAO)是一种工艺简单、高效、绿色环保的新型表面改性技术。它是通过电解液与相应参数的组合，在合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，原位生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷多孔涂层。生物活性离子是人体重要的微量元素，在涂层表面装载功能离子可以有效地改善锌的生理反应。例如钙是人体骨骼中的重要组成部分，能够增强骨质强度和改善骨代谢，促进成骨细胞的增殖分化；硅是结缔组织的交联剂，可以促进骨钙化；磷是人体中一个极为重要的元素，它是细胞组成及骨骼构成中必不可少的离子。当前，在锌合金表面将钙、磷、银、硅等生物活性元素引入微弧氧化涂层是通过向电解液中添加相应的盐实现的。

目前，使用微弧氧化对锌合金进行表面改性的研究还相对较少。制备的涂层多为火山口状或分立的多孔状结构。这些表面结构孔洞相互独立，且结构尺度相对单一。同时，在提高锌合金耐腐蚀性和生物相容性方面改善效果有限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于微弧氧化的电解液，使其用于微弧氧化制备涂层时，能够在锌合金表面形成具有立体结构和高孔隙率的多孔涂层并增加成骨细胞的粘附和增殖；

本发明的另外一个目的在于提供上述电解液在制备骨科植入材料中的应用；

本发明的另外一个目的在于提供基于上述电解液获得的骨科植入材料。

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题的方法，作为本发明的第一个方面，提供了一种用于微弧氧化的电解液，包括作为主盐的磷酸盐和强碱，以及含生物活性元素的副盐；所述副盐选自钙盐和硅酸盐中的一种或两种以上。

可选地，所述磷酸盐的浓度为20～30g/L；进一步可选地，所述磷酸盐为磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠中的一种或两种以上。

可选地，所述强碱的浓度为不大于5g/L；进一步可选地，所述强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。

可选地，所述钙盐为乙二胺四乙酸二钠钙、醋酸钙、硝酸钙、氯化钙中的一种或两种以上。

可选地，所述硅酸盐为硅酸钠、硅酸钙、硅酸钾中的一种或两种以上。

作为本发明的第二个方面，提供了所述电解液在制备骨科植入材料中的应用。

作为本发明的第三个方面，提供了一种骨科植入材料，在锌合金表面有经本发明所述电解液微弧氧化而成的涂层。

作为本发明的第四个方面，提供了所述骨科植入材料的制备方法，包括：

步骤1、锌合金材料进行打磨、除油和清洗的预处理；

步骤2、预处理后的锌合金材料为正极，在本发明所述电解液中进行微弧氧化。

与现有技术相比，本发明有益效果至少具有以下优点：

(1)本发明的微弧氧化电解液能够通过微弧氧化将电解液中钙盐和硅酸盐中的生物活性元素掺入锌合金表面的微弧氧化涂层，方法简单，元素分布均匀，适用范围广；

(2)本发明的微弧氧化电解液在锌合金表面制备的涂层具有高孔隙率和立体结构的氧化锌涂层，该涂层具有随机分布微纳米孔和原位生长的颗粒；

(3)本发明的微弧氧化电解液在锌合金表面制备的涂层不仅显著改善了锌基材料的腐蚀速率，而且能够提高成骨细胞的粘附和增殖，促进医用锌基材料在制备骨科植入物的应用；

(4)本发明的制备方法具有绿色环保的特点，工艺简单，成本低。

附图说明：

图1所示为本发明实施例1制备的多孔涂层的500、2000倍的SEM图像；

图2所示为本发明实施例1制备的多孔涂层的EDS图像；

图3所示为本发明实施例1制备的多孔涂层(MAO表示)的细胞增殖率结果；其中，纯锌即表示锌合金；

图4所示为本发明实施例2制备的多孔涂层的500、2000倍的SEM图像；

图5所示为本发明实施例2制备的多孔涂层的EDS图像；

图6所示为本发明实施例2制备的多孔涂层(MAO表示)的荧光染色图；其中，纯锌即表示锌合金；

图7所示为本发明实施例1、2制备的多孔涂层的极化曲线；其中，纯锌即表示锌合金；

图8所示为本发明对比例1和2与实施例1制备的涂层的细胞增殖率对比；其中，纯锌即表示锌合金。

具体实施方式：

本发明公开了一种用于微弧氧化的电解液及其应用和骨科植入材料及其制备方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的产品、制备方法以及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的产品及其制备方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。

在本发明第一个方面中，所述用于微弧氧化的电解液包括作为主盐的磷酸盐和强碱，以及含生物活性元素的副盐；所述副盐选自钙盐和硅酸盐中的一种或两种以上。

在本发明某些实施方式中，所述磷酸盐的浓度为20～30g/L；在本发明另外一些实施方式中，所述磷酸盐的浓度可选自20g/L、25g/L或30g/L。在本发明另外一些实施方式中，所述磷酸盐为磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠中的一种或两种以上。

在本发明某些实施方式中，所述强碱的浓度为不大于5g/L；在本发明另外一些实施方式中，所述强碱的浓度为1g/L、2g/L、3g/L、4g/L或5g/L；在本发明另外一些实施方式中，所述强碱为氢氧化钠或氢氧化钾；在本发明另外一些实施方式中，通过对比实验验证了强碱的加入有助于促进成骨细胞的粘附和增殖。

在本发明某些实施方式中，所述副盐可选择钙盐，或者钙盐和硅酸盐；在本发明另外一些实施方式中，所述钙盐和硅酸盐的浓度独立选自1～5g/L；在本发明另外一些实施方式中，所述钙盐和硅酸盐的浓度独立选自1g/L、2g/L、3g/L、4g/L或5g/L；在本发明另外一些实施方式中，所述钙盐为乙二胺四乙酸二钠钙、醋酸钙、硝酸钙、氯化钙中的一种或两种以上；在本发明另外一些实施方式中，所述硅酸盐为硅酸钠、硅酸钙、硅酸钾中的一种或两种以上。

所述电解液可任意选择如下一种组成：

(1)磷酸钠、乙二胺四乙酸二钠钙和氢氧化钠；

(2)磷酸钠、硅酸钠、乙二胺四乙酸二钠钙和氢氧化钠。

在本发明的第二个方面中，由本发明所述电解液仅微弧氧化制备的涂层，相比较纯锌合金以及没有使用强碱的电解液制备的涂层，在耐腐蚀性和促进成骨细胞的粘附和增殖方面更加优异，并且涂层具有随机分布的微纳米孔与原位生长的颗粒构成的立体结构和高孔隙率，由此提出了所述电解液在制备骨科植入材料中的应用。

在本发明的第三个方面中，提供了一种骨科植入材料，在锌合金表面有经本发明所述电解液微弧氧化而成的涂层。

在本发明某些实施方式中，所述锌合金中Zn≥99.99％；在本发明另外一些实施方式中，所述纯锌材料为0号纯锌，更为具体地，所述0号纯锌元素成分(质量分数)为：Al0.001％，Mg 0.0003％，Fe 0.001％，Cu 0.003％，Pb 0.0005％，Cd 0.0001％，Sn0.0002％，Zn≥99.99％。

在本发明第四个方面中，提供了所述骨科植入材料的制备方法，包括：

步骤1、锌合金材料进行打磨、除油和清洗的预处理；

在本发明某些实施方式中，锌合金材料逐级打磨，采用丙酮、无水乙醇和水进行超声波清洗，然后采用碱性除油液除油、清洗。其中，所述逐级打磨采用标号递增的碳化硅砂纸进行打磨，打磨程度至表面光亮无明显划痕且纹路一致。所述碱性除油液为氢氧化钠，可选为10％氢氧化钠溶液。

在本发明某些实施方式中，所述微弧氧化采用交流恒压模式进行，处理参数为：正向电压+150V～+250V，负向电压-20V～-40V，脉冲频率固定为0.1～0.3Hz，占空比设置为70％～90％。

在本发明某些实施方式中，以锌合金材料作为正极、其他适宜的金属例如不锈钢作为负极，正负极的间距控制在10cm；对电解液的温度控制通过内外循环制冷装置进行调控保持在25～35℃。

在本发明另外一些实施方式中，具体提供了所述骨科植入材料的制备方法，包括：

1、锌基板预处理

对锌合金材料进行切割、打磨、溶剂超声清洗处理；

2、超声除油

将光亮洁净的纯锌材料浸入碱性除油液中，再进行超声清洗，干燥；

3、配置微弧氧化电解液

将目标物质(主盐和副盐)溶解到去离子水中，搅拌均匀，得到微弧氧化电解液；

4、微弧氧化

将表面预处理后的锌合金置于微弧氧化电解液中，其中锌合金与电源的正极相连接，作为正极，不锈钢的电解槽与电源的负极相连接，作为负极；打开制冷装置，控制温度；采用微弧氧化交流脉冲电源开始供电，恒压模式下正负电压分别为+150V～+250V，负向电压-20V～-40V，脉冲频率固定为0.1～0.3Hz，占空比设置为70％～90％，进行微弧氧化，得到表面含有微弧氧化涂层的锌合金材料(骨科植入材料)；

5、板后处理

所有样品用去离子水冲洗并在环境温度下干燥。

如未特别说明，除了明确指出的区别外，测试中各组的实验环境和参数条件保持一致。

下面就本发明提供的一种用于微弧氧化的电解液及其应用和骨科植入材料及其制备方法做进一步说明。

实施例1：制备带有含Ca、P活性元素的多孔涂层的骨科植入材料

1、锌基板预处理

对0号纯锌进行切割、打磨、溶剂超声清洗处理；

2、超声除油

将光亮洁净的锌材料浸入碱性除油液中，再进行超声清洗，干燥；

3、配置微弧氧化电解液

将25g/L磷酸钠、2g/L乙二胺四乙酸二钠钙和1g/L氢氧化钠溶解到去离子水中，搅拌均匀，得到微弧氧化电解液；

4、微弧氧化

将表面预处理后的纯锌置于微弧氧化电解液中，其中锌合金与电源的正极相连接，作为正极，不锈钢的电解槽与电源的负极相连接，作为负极；打开制冷装置，控制温度；采用微弧氧化交流脉冲电源开始供电，恒压模式下正负电压分别为+200v、-20V，脉冲频率固定为0.2Hz，占空比设置为80％，进行微弧氧化，得到表面含有微弧氧化多孔涂层的锌合金；

5、板后处理

所有样品用去离子水冲洗并在环境温度下干燥。

图1所示为本发明实施例1制备多孔涂层的500、2000倍的SEM图像，表明成功地在锌合金表面制备具有随机分布的微纳米孔与原位生长的颗粒构成的立体结构、高孔隙率的涂层。

图2所示为本发明实施例1制备多孔涂层的EDS图像，EDS结果显示制备的微弧氧化涂层同时负载钙和磷活性元素，钙元素的原子百分比为1.6，磷元素的原子百分比为9.6。

对本实施例中进行电化学测试，制备多孔涂层的极化曲线如图7所示，极化电压为-0.138V，耐腐蚀性能得到了显著地提升。

本实施例对生物相容性进行测试，具体地：

根据ISO 10993-5:2009，采用小鼠成骨细胞样细胞(MC3T3-E1)来评估细胞相容性。在使用前，样品应被消毒。在标准的细胞培养条件下，将样品在α-MEM细胞培养基中培养24小时，提取比例为每1平方厘米1.25毫升，收集材料提取物。采集的提取物，以100％的提取物表示，用α-MEM培养基将100％的提取物稀释2倍和4倍，分别表示为50％的提取物和25％的提取物。将细胞播种在96孔细胞培养板中，密度为每100μL培养基5×10³个细胞。然后将细胞培养1天。在培养结束时，用10％的细胞计数试剂盒-8(CCK8，Dojindo，日本)的细胞培养液代替材料提取物，并在37℃下培养1小时，通过微板阅读器(Bio-RAD680)在450nm波长下测定各组的分光光度。结果如图3所示，在100％、50％、25％的浓度中都表现出了优于纯锌的增殖率，说明微弧氧化涂层具有改善锌合金细胞相容性的作用。

实施例2：制备带有含Ca、P、Si活性元素的多孔涂层的骨科植入材料

1、锌基板预处理

对0号纯锌进行切割、打磨、溶剂超声清洗处理；

2、超声除油

3、配置微弧氧化电解液

将25g/L磷酸钠、3g/L硅酸钠、1g/L乙二胺四乙酸二钠钙和1g/L氢氧化钠溶解到去离子水中，搅拌均匀，得到微弧氧化电解液；

4、微弧氧化

5、板后处理

所有样品用去离子水冲洗并在环境温度下干燥。

图4所示为本发明实施例2制备多孔涂层的500、2000倍的SEM图像，表明成功地在锌合金表面制备具有随机分布的微纳米孔与原位生长的颗粒构成的立体结构、高孔隙率的涂层。

图5所示为本发明实施例2制备多孔涂层的EDS图像，EDS结果显示制备的微弧氧化涂层同时负载钙、硅和磷活性元素，钙元素的原子百分比为1.1，磷元素的原子百分比为8.6，硅元素的原子百分比为1.3。

对本实施例中进行电化学测试，制备多孔涂层的极化曲线如图7所示，极化电压为-0.184V，耐腐蚀性能得到了显著地提升。

本实施例对生物相容性进行测试，具体地：

将MC3T3-E1细胞(5×10³细胞/孔)接种在6孔板上，用100％提取物处理24h。此后，细胞用4％(w/v)多聚甲醛固定10分钟，然后用0.1％ Triton渗透7分钟。随后，使用1.0％(v/v)FITC-鬼笔环肽染料在室温下将微丝染色30分钟。添加用于细胞核的1mg/ml DAPI，并在37℃下孵育10分钟。通过LSCM(激光扫描共聚焦显微镜，Nikon ALR-SI)研究细胞形态。结果如图6所示，相比较锌合金(纯锌)，成骨细胞在涂层上(MAO)能够更好地粘附和扩散，呈现多极纺锤体形态，有许多细胞质延伸和丝状体，说明微弧氧化涂层可以促进成骨细胞的粘附和增殖。

对比例：不加入氢氧化钠的电解液制备涂层

对比例1：参照实施例1的制备过程，步骤3中不加入氢氧化钠；

对比例2：参照实施例2的制备过程，步骤3中不加入氢氧化钠；

对锌合金、实施例1、对比例1和2的植入材料进行生物相容性测试，具体地：

根据ISO 10993-5:2009，采用小鼠成骨细胞样细胞(MC3T3-E1)来评估细胞相容性。在使用前，样品应被消毒。在标准的细胞培养条件下，将样品在α-MEM细胞培养基中培养24小时，提取比例为每1平方厘米1.25毫升，收集材料提取物。采集的提取物，以100％的提取物表示。将细胞播种在96孔细胞培养板中，密度为每100μL培养基5×10³个细胞。然后将细胞培养1天。在时间点结束时，用10％的细胞计数试剂盒-8(CCK8，Dojindo，日本)的细胞培养液代替材料提取物，并在37℃下培养1小时，通过微板阅读器(Bio-RAD680)在450nm波长下测定各组的分光光度。

结果如图8所示，在1天的细胞培养下，对比例1和2浸取培养液中的增殖率不仅低于了实施例1浸取培养液中的增殖率，还明显低于锌合金(纯锌)浸取培养液中的增殖率，这两个对比例说明了强碱对涂层的生物相容性有着巨大的影响，不添加强碱反而会减低细胞相容性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，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

1.一种用于微弧氧化的电解液，其特征在于，包括作为主盐的磷酸盐和强碱，以及含生物活性元素的副盐；所述副盐选自钙盐和硅酸盐中的一种或两种以上。

2.根据权利要求1所述电解液，其特征在于，所述磷酸盐的浓度为20～30g/L。

3.根据权利要求1或2所述电解液，其特征在于，所述磷酸盐为磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠中的一种或两种以上。

4.根据权利要求1所述电解液，其特征在于，所述强碱的浓度为不大于5g/L。

5.根据权利要求1或4所述电解液，其特征在于，所述强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。

6.根据权利要求1所述电解液，其特征在于，所述钙盐为乙二胺四乙酸二钠钙、醋酸钙、硝酸钙、氯化钙中的一种或两种以上。

7.根据权利要求1所述电解液，其特征在于，所述硅酸盐为硅酸钠、硅酸钙、硅酸钾中的一种或两种以上。

8.权利要求1-7任意一项所述电解液在制备骨科植入材料中的应用。

9.一种骨科植入材料，其特征在于，在锌合金表面有经权利要求1-7任意一项所述电解液微弧氧化而成的涂层。

10.权利要求9所述骨科植入材料的制备方法，其特征在于，包括：

步骤1、锌合金材料进行打磨、除油和清洗的预处理；

步骤2、预处理后的锌合金材料为正极，在权利要求1-7任意一项所述电解液中进行微弧氧化。