醫(yī)用鎂表面L–聚乳酸與MgO或Mg(OH)2復(fù)合涂層的制備與性能

董連軍，張永君*，賈書功，李愛紅

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

鎂及鎂合金具有良好的生物相容性、生物降解性和力學(xué)相容性，是理想的生物植入材料[1-3]。但是由于它在人體內(nèi)的高腐蝕速率導(dǎo)致植入器件很快因腐蝕而失效，且腐蝕速度過快時會產(chǎn)生局部pH急劇變化和氫氣量的急劇增多，使人體無法承受，限制著鎂及其合金作為植入材料的發(fā)展，因此控制鎂及鎂合金的生物降解尤為關(guān)鍵[4]。

在眾多控制金屬生物降解的技術(shù)中，有機涂裝由于其簡單且廉價的工藝過程，因而具有良好的應(yīng)用前景[2]。但作為醫(yī)用鎂及鎂合金的保護(hù)性涂層，其涂層必須無毒且要有良好的生物相容性，這就限制了常規(guī)涂層的應(yīng)用。而鎂及鎂合金作為可降解生物植入材料應(yīng)用時，其表面涂層還必須具有生物相容性。因此尋找一種生物相容性好、可降解的材料作為鎂及鎂合金的保護(hù)涂層更具有研究前景。

左旋聚乳酸(PLLA)不僅具有良好的生物相容性，而且具有生物可降解性，其降解的最終產(chǎn)物二氧化碳和水及中間產(chǎn)物乳酸都對人體無毒副作用[5]。PLLA已被美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)認(rèn)可，可作為植入人體內(nèi)的生物醫(yī)用材料，在外科手術(shù)縫合線、載藥領(lǐng)域、腳手架固定工程和其他臨時醫(yī)療領(lǐng)域都有廣泛的使用[6-8]。但PLLA降解時產(chǎn)生酸性物質(zhì)乳酸，可能導(dǎo)致局部生理環(huán)境的酸化繼而引發(fā)無菌性炎癥，甚至可能加速鎂及鎂合金基體的降解。本文選用左旋聚乳酸(PLLA)與氧化鎂、氫氧化鎂復(fù)合作為金屬鎂的表面涂層材料，測試了所得復(fù)合涂層的結(jié)合力、耐蝕性及生物降解性。

1 實驗

1.1 材料及儀器

基材為高純鎂(鎂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.97%)，切割成20 mm × 20 mm × 5 mm的方形試樣，依次經(jīng)過240～1 000砂礫的砂紙打磨，用蒸餾水清洗以及在無水乙醇中超聲清洗后干燥備用。涂層材料主要為顆粒狀的PLLA(濟南岱罡生物材料有限公司)及粉末狀MgO、Mg(OH)2(均為分析純，天津金匯太亞化學(xué)試劑有限公司)。

采用美國FEI Quanta 200掃描電鏡(SEM)觀察膜層表面形貌，溶液的吸光度采用 Gold Spectrumlab53紫外可見分光光度計來測定，溫度控制設(shè)備為LHS-150SC恒溫恒濕箱和LRH-250生化培養(yǎng)箱，稱重采用德國Sartorius B電子分析天平(120 g/0.1 mg)，采用上海雷磁pHS-3C型酸度計測量pH。

1.2 試樣制備

1.2.1 基材的陽極極化前處理

在制備涂層前添加一個陽極極化前處理，可使試樣表面變得更加粗糙，從而提高涂層與基體之間的結(jié)合力。將試樣與直流電源的正極相連，不銹鋼則與負(fù)極相連，中間串聯(lián)直流電阻器和電流表，將試樣和不銹鋼放在同一個裝有20 g/L NaCl溶液的玻璃或塑料容器中，以電流密度1 mA/cm2極化15 min。

1.2.2 涂層的制備

以環(huán)氧氯丙烷及丙酮(體積比為2∶1)的混合溶液作為溶劑，配制30 g/L PLLA的浸涂液，再將6 g/L MgO和 175 g/L Mg(OH)2分別加入其中，均勻分散后獲得MgO/PLLA及Mg(OH)2/PLLA復(fù)合涂層的浸涂液。

將陽極極化處理后的純鎂試樣浸入配制好的浸涂液中，然后勻速提拉出來，并采用超低速(約60 r/min)旋轉(zhuǎn)的方式使浸涂液均勻分布在試樣的表面，之后晾干。重復(fù)以上操作6次，最后靜置干燥24 h，獲得涂層。浸涂和晾干過程的溫度均控制在35 °C。

1.3 性能測試

1.3.1 耐蝕性快速檢測

采用自有知識產(chǎn)權(quán)的材料耐蝕性快速測試方法[9]。測試機理為：利用高錳酸鉀的強氧化性，在酸性環(huán)境下與鎂基體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，鎂原子被氧化，紫紅色的高錳酸根離子被還原為無色的二價錳離子，溶液褪色。涉及化學(xué)反應(yīng)式如下：

將試樣浸泡在含50 mg/L KMnO4及5 mL/L硝酸(65%～68%)的水基測試溶液中600 s后取出，在525 nm下測定溶液的吸光度tA。以空白測試溶液的吸光度A0作為基準(zhǔn)，作為判據(jù)，定量評價材料的耐蝕性，式中t為浸泡時間(即600 s)，θ為測試液的體積與試樣表面積之比(本文為 2 mL/cm2)，為基準(zhǔn)因子，其中為對照溶液(本文與測試溶液相同)在與對照材料(即高純鎂基材)作用時間tc(本文也是600 s)后的吸光度，Ac0為對照溶液的空白吸光度，θc為對照溶液體積與對照材料表面積之比(本文也是2 mL/cm2)。

1.3.2 涂層/基體結(jié)合力測試

按ISO 2409:2007(E)《色漆和清漆──劃格試驗》對涂層的結(jié)合力進(jìn)行評價。使用不銹鋼刀片，以均勻的速率在涂層上橫豎各切割 6次，形成網(wǎng)格圖形。粘膠帶為1.8 cm透明膠帶。

1.3.3 電化學(xué)測試

采用上海辰華CHI604C電化學(xué)工作站，以動電位極化法來評價試樣的耐蝕性，溫度控制在37 °C，掃描速率為 0.5 mV/s。三電極測試系統(tǒng)中，試樣為工作電極(暴露工作面積為10 mm × 10 mm，其余部分用環(huán)氧樹脂封裝)，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對電極。測試介質(zhì)為 Hank’s模擬體液，其成分(均為分析純)為：NaCl 8.00 g/L，KCl 0.40 g/L，CaCl20.14 g/L，MgSO4·7H2O 0.20 g/L，Na2HPO4·12H2O 0.12 g/L，KH2PO40.06 g/L，NaHCO30.35 g/L。用電化學(xué)工作站自帶軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.3.4 體外生物降解研究

試樣分別在37 °C的Hank’s模擬體液中浸泡30 d，浸泡前用HCl和NaOH溶液調(diào)節(jié)Hank’s溶液的pH為7.40。浸泡溶液體積與試樣表面積之比為24 mL/cm2。每組實驗至少5個平行試樣。實驗結(jié)束后將試樣取出，用蒸餾水沖洗干凈，吹干，再用軟毛刷刷掉表面涂層及雜物，然后放入180 g/L鉻酸溶液中浸泡清洗，清除試樣表面的降解產(chǎn)物后稱重。用降解后試樣的單位面積失重r(單位為mg/cm2)來評定試樣的生物降解程度：

式中m0為試樣無涂層時的質(zhì)量(g)，m3為試樣清除降解產(chǎn)物及涂層后的質(zhì)量(g)，A為試樣原始表面積(cm2)。

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣的形貌分析

圖 1為陽極極化處理后的鎂基材表面以及各涂層試樣表面的SEM照片?？梢钥闯?，單一的PLLA涂層表面均勻致密，MgO/PLLA及Mg(OH)2/PLLA復(fù)合涂層的表面較為粗糙，其中Mg(OH)2在涂層中的分布比MgO更致密、均勻。

圖1 鎂基體粗化處理后以及涂覆PLLA、MgO/PLLA和Mg(OH)2/PLLA涂層后的表面SEM照片F(xiàn)igure 1 SEM images of surface morphologies of the magnesium substrate after roughening and coating with PLLA, MgO/PLLA, and Mg(OH)2/PLLA

圖2為各涂層試樣斷面的SEM照片。從中可以近似算出PLLA涂層的厚度約為16 μm，MgO/PLLA復(fù)合涂層約為17 μm，Mg(OH)2/PLLA復(fù)合涂層約為22 μm。單一的 PLLA涂層間排布較為緊密，復(fù)合涂層則由MgO或Mg(OH)2與PLLA相混合組成。

圖2 不同涂層試樣的斷面SEM照片F(xiàn)igure 2 SEM images of section morphologies of different coatings

2.2 耐蝕性快速檢測結(jié)果

3種涂層試樣的耐蝕性從小到大的排列順序為：PLLA < MgO/PLLA < Mg(OH)2/PLLA。MgO/PLLA涂層試樣和Mg(OH)2/PLLA涂層試樣的耐蝕性比單一的PLLA涂層試樣分別提高了43%和60%，說明MgO及Mg(OH)2可以有效地增強PLLA涂層的耐蝕性能。

2.3 涂層與基體的結(jié)合力評價

結(jié)合力測試結(jié)果表明：PLLA涂層、MgO/PLLA復(fù)合涂層及Mg(OH)2/PLLA復(fù)合涂層與基體的結(jié)合性能良好，其附著力都是 0級。采用放大鏡觀察發(fā)現(xiàn)，劃痕的十字交叉處邊緣光滑，無翹起或脫落現(xiàn)象。

而 3種涂層試樣在溶液中浸泡時，單一的 PLLA涂層試樣在7 d后表面開始出現(xiàn)氣泡，而復(fù)合涂層試樣表面無氣泡，說明溶液中單一 PLLA涂層與基體的結(jié)合性能差。這是由于單一、致密的 PLLA膜層在溶液中降解后，原本較光滑的表面逐漸變得粗糙，并出現(xiàn)一些微孔，使溶液更容易侵蝕基體，導(dǎo)致與基體的結(jié)合性能降低[10]。

2.4 電化學(xué)測試結(jié)果

圖3為不同涂層試樣在37 °C的Hank’s模擬體液中的動電位極化曲線，從中得到的腐蝕電位(φcorr)和腐蝕電流密度(jcorr)列于表1。

圖3 不同涂層試樣在37 °C的Hank’s模擬體液中的動電位極化曲線Figure 3 Potentiodynamic polarization curves for different coatings immersed in Hank’s simulated body fluid at 37 °C

表1 動電位極化曲線的相關(guān)擬合參數(shù)Table 1 Electrochemical parameters fitted from the potentiodynamic polarization curves

從各試樣的腐蝕電位來看，無涂層的空白試樣的腐蝕電位高于涂層試樣的腐蝕電位，這是由于鎂在模擬體液中比較活潑，很容易就與溶液發(fā)生反應(yīng)，使鎂基體表面生成一層膜。而含涂層的試樣由于涂層的保護(hù)，使基體很難與溶液反應(yīng)。正是由于鎂表面發(fā)生氧化反應(yīng)生成一層膜，鎂的腐蝕電位發(fā)生正移。PLLA涂層試樣的腐蝕電位低于 2種復(fù)合涂層試樣，說明 MgO或Mg(OH)2的添加使PLLA涂層的腐蝕電位正移。

從腐蝕電流密度來看，空白試樣的腐蝕電流密約是涂層試樣的腐蝕電流密度的 400倍，說明涂層對基體保護(hù)效果顯著。各涂層試樣之間的腐蝕電流密度相差很小，PLLA涂層試樣的腐蝕電流密度略大于MgO/PLLA及Mg(OH)2/PLLA復(fù)合涂層試樣的腐蝕電流密度，說明2種復(fù)合涂層試樣的耐蝕性比PLLA涂層試樣好，這驗證了耐蝕性快速檢測的結(jié)果。

2.5 體外生物降解研究

2.5.1 不更換溶液的體外生物降解

不同涂層試樣在Hank’s溶液中降解30 d后的失重情況見表2。

表2 不同涂層試樣在Hank’s溶液中降解30 d后的失重情況Table 2 Weight loss of different coatings immersed in Hank’s solution for 30 days

PLLA涂層試樣的單位面積失重最大，即單一PLLA涂層反而加速了基體的腐蝕。這是由于在溶液的侵蝕下，PLLA涂層與基體的結(jié)合力更差，7 d后試樣表面開始出現(xiàn)起泡，且 PLLA在溶液中降解所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)加速了基體的腐蝕。而復(fù)合涂層試樣在浸泡過程中沒有觀察到表面起泡的現(xiàn)象，復(fù)合涂層中的MgO、Mg(OH)2降低了PLLA分解所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)對基體的影響，因此MgO/PLLA和Mg(OH)2/PLLA復(fù)合涂層試樣的單位面積失重分別比單一 PLLA涂層試樣減少了45.2%和36.3%，說明MgO和Mg(OH)2的添加可以提高PLLA涂層的抗降解性能。

2.5.2 每天更換溶液的體外生物降解

圖4為30 d內(nèi)不同涂層試樣浸泡溶液的pH變化曲線(經(jīng)平滑處理)。由圖4可以看出，PLLA涂層試樣溶液的pH緩慢上升到8.17后保持平穩(wěn)，MgO/PLLA和Mg(OH)2/PLLA復(fù)合涂層試樣溶液的pH在浸泡開始后一周內(nèi)變化較大，然后分別穩(wěn)定在8.27 ± 0.01和8.24± 0.01范圍內(nèi)。各涂層試樣溶液的pH平穩(wěn)時，PLLA涂層試樣溶液的 pH低于空白試樣及復(fù)合涂層試樣溶液的pH。這是由于每天更換溶液降低了腐蝕產(chǎn)物積累的影響，此時溶液的pH與表面涂層24 h內(nèi)的降解產(chǎn)物密切相關(guān)，PLLA降解時會產(chǎn)生酸性物質(zhì)，而復(fù)合涂層中的MgO、Mg(OH)2減弱了這些酸性物質(zhì)的影響。

圖4 浸泡了不同涂層試樣的Hank’s模擬體液的pH隨浸泡時間的變化Figure 4 Variation of pH of the Hank’s simulated body fluid immersed with different coatings

圖5為不同涂層試樣在Hank’s溶液(每天更換)中降解30 d后的外觀。由圖5可以看出，PLLA涂層試樣的表面有很多氣泡，部分地方的涂層已翹起、脫落，而MgO/PLLA和Mg(OH)2/PLLA復(fù)合涂層試樣的表面都只有局部小部分起泡、脫落。

圖5 不同涂層試樣在每天更換的Hank’s溶液中降解30 d后的外觀Figure 5 Apperance of different coatings after 30 days immersion in Hank’s solution changing everyday

3 結(jié)論

MgO/PLLA及Mg(OH)2/PLLA復(fù)合涂層與純鎂基體的結(jié)合性能良好，而單一 PLLA涂層在溶液的侵蝕下與基體的結(jié)合性能較差，只在短期內(nèi)具有良好的耐蝕性能，而MgO或Mg(OH)2的添加能提高PLLA涂層的耐蝕性。在30 d的Hank’s溶液浸泡下，單一PLLA涂層加速了鎂基體的腐蝕，而MgO或Mg(OH)2的添加提高 PLLA涂層的降解防護(hù)性能，對鎂基體具有一定的保護(hù)作用，且 MgO或Mg(OH)2的添加還有利于降低PLLA生物降解時產(chǎn)生的酸化效應(yīng)。

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