AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs骨植入材料在m－SBF中腐蝕行為的研究①

張　杰，祝芳芳，遲艷俠，劉鳳華，張向宇，張　鳳

(1.佳木斯大學(xué)藥學(xué)院，黑龍江佳木斯154007;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，黑龍江哈爾濱154001;3.佳木斯大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，黑龍江佳木斯154002;4.佳木斯多多藥業(yè)，黑龍江佳木斯154002)

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AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs骨植入材料在m－SBF中腐蝕行為的研究①

張杰1，2，祝芳芳1，遲艷俠3，劉鳳華1，張向宇1，張鳳4

(1.佳木斯大學(xué)藥學(xué)院，黑龍江佳木斯154007;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，黑龍江哈爾濱154001;3.佳木斯大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院，黑龍江佳木斯154002;4.佳木斯多多藥業(yè)，黑龍江佳木斯154002)

摘要:目的:研究AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs骨植入材料在模擬體液(m－SBF)中的腐蝕行為，并提出腐蝕機(jī)制。方法:將電泳沉積技術(shù)所制備的AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs浸泡于m－SBF，通過電化學(xué)交流阻抗(EIS)和塔菲爾(Tafel)曲線測試考察材料在m－SBF中腐蝕過程，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP－OES)測試m－SBF中鎂元素濃度。結(jié)果:隨浸泡時(shí)間的增加，AZ91D基鈣磷/殼聚糖/CNTs在m－SBF中腐蝕反應(yīng)依次由電化學(xué)和有限層擴(kuò)散過程、電化學(xué)和半無限擴(kuò)散過程和半無限擴(kuò)散過程控制，鈣磷/殼聚糖/CNTs陶瓷膜層顯著提高了AZ91D的腐蝕阻抗。結(jié)論:鈣磷/殼聚糖/ CNTs膜層可以保護(hù)AZ91D鎂合金基體在m－SBF中的腐蝕。

關(guān)鍵詞:鎂合金;羥基磷灰石;殼聚糖;碳納米管

鎂是人體內(nèi)不可缺少的一種重要元素。鎂及鎂合金與人體的相容性高，可自消溶吸收，具有良好的綜合力學(xué)性能，不僅能降低應(yīng)力遮掩效應(yīng)，還可促進(jìn)新骨生成，是理想的骨組織替代材料［1］。但是鎂及鎂合金腐蝕速率大，造成區(qū)域堿性環(huán)境，使骨組織在治愈前就失去了機(jī)械完整性，尤其是在含氯離子的人體環(huán)境中腐蝕性能加劇，從而限制了它在臨床方面的應(yīng)用［2，3］。因此，如何提高鎂及鎂合金的抗腐蝕性成為亟待解決的問題。表面改性技術(shù)作為一種有效、快速、低成本的方法，已成為制備金屬基生物陶瓷涂層材料研究的一個(gè)重點(diǎn)。

羥基磷灰石(以下簡稱HA)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與人體骨骼中的無機(jī)成份十分相似，具有優(yōu)異的生物相容性和生物活性，植入體內(nèi)不僅安全、無毒，還能起到誘導(dǎo)骨生長的作用。殼聚糖(以下簡稱CS)的結(jié)構(gòu)與人體骨中的有機(jī)成分相似，可降解，生物相容性好，無毒無刺激。碳納米管(CNTs)是石墨管狀結(jié)構(gòu)，由于其特殊的物理、電學(xué)和化學(xué)性質(zhì)引起了人們的關(guān)注。CNTs具有小尺寸、生物活性、高比表面積以及高強(qiáng)度和剛度，可以有效增強(qiáng)骨替代材料。因此，CNTs通常作為次級(jí)成分加到生物活性涂層中，通過孔壁的納米結(jié)構(gòu)表面促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附和增殖［4，5］。從自然骨結(jié)構(gòu)出發(fā)，本文將羥基磷灰石、殼聚糖和CNTs涂覆于鎂合金表面，則可集三者的優(yōu)點(diǎn)于一體，又可解決鎂合金降解速度快的問題。本文采用電泳沉積技術(shù)制備了AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs骨植入材料，并研究了該材料在m－SBF中的體外降解行為。

1　儀器、材料和試劑

穩(wěn)壓穩(wěn)流電源(DH1718E－4，北京大華無線電儀器廠) ;電化學(xué)工作站(CHI750D，上海辰華儀器公司) ;電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(5300DV，美國Perkin Elmer公司) ;多壁碳納米管(CNTs，廣州延瑞化工有限公司) ; AZ91D鎂合金(保定市東啟鎂合金型材有限公司) ;磷酸氫二鈉，磷酸二氫鈉，硝酸鈣，殼聚糖，無水碳酸鈉，氫氧化鉀，四硼酸鈉，硅酸鈉，磷酸氫二銨，冰乙酸，氨水，無水乙醇，聚酰胺樹脂，環(huán)氧樹脂，均為分析純。

2　實(shí)驗(yàn)方法

2.1 AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs的制備

與前期實(shí)驗(yàn)類似［6～8］，將0.25g殼聚糖(簡稱CS)、1.0g nHA粒子和0.1g CNTs依次加到200mL醋酸水溶液(含醋酸9mL)中，將1.5g nHA粒子加到300mL無水乙醇中，兩溶液混合后超聲1～2h、陳化24～30h。微弧氧化后的AZ91D鎂合金作為陰極，涂覆銥鉭的鈦合金為陽極，兩電極之間的距離為1cm左右，在40V電壓下電泳沉積20min，在AZ91D鎂合金上沉積復(fù)合膜層。最后，將AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs試樣在37℃溫度下于PBS(10g/L NaH2PO4和10g/L Na2HPO4)中浸泡5d，得到AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/碳納米管試樣。

2.2 m－SBF浸泡實(shí)驗(yàn)

所制備的AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs試樣在37°C下分別置于250mL模擬體液(簡稱m －SBF)中浸泡12周，在不同時(shí)間點(diǎn)，測試pH值，試樣表面積(cm2)與m－SBF (mL)的比值是1: 250。

2.3電化學(xué)測試

使用電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)交流阻抗(EIS)測試和Tafel曲線測試。EIS測試中，飽和甘汞電極(SCE)作參比電極，鉑作對(duì)電極，試樣作工作電極，測試介質(zhì)是m－SBF，頻率范圍為100kHz～10mHz，振幅為5mV，再使用Zsip Win 3.0軟件對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行等效電路擬合; Tafel曲線測試中，掃描速度為0.005V/s，極化時(shí)間為2s。

2.4電感耦合等離子體發(fā)射光譜測試

在不同浸泡時(shí)間點(diǎn)，精確量取2.2項(xiàng)1mL m－SBF浸泡液，并加入等體積的新鮮浸泡液，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP－OES)測試溶液中Mg元素濃度。

3結(jié)果與結(jié)論

3.1電化學(xué)交流阻抗

圖1是AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs在m－SBF中浸泡不同時(shí)間時(shí)Nyquist圖和等效電路，在不同時(shí)間的Nyquist圖根據(jù)相應(yīng)的等效電路進(jìn)行擬合，見表1。

圖1　鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs在m－SBF中浸泡不同時(shí)間時(shí)Nyquist圖和等效電路

表1　鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs在m－SBF中浸泡不同時(shí)間時(shí)等效電路擬合

由圖1(a) (b) (c)可知，當(dāng)在m－SBF中浸泡10d、2周和4周時(shí)，Nyquist圖相似均是由高中頻的兩個(gè)容抗弧和低頻區(qū)的一個(gè)感抗弧構(gòu)成，高頻區(qū)的容抗弧對(duì)應(yīng)于傳荷電阻(Rct)和界面雙電層電容(Cd)，中頻區(qū)容抗弧表示穿過鎂合金表面腐蝕產(chǎn)物層、MAO層和鈣磷/殼聚糖/CNTs膜層的電阻和電容，低頻區(qū)感抗弧表示溶液與金屬基體界面上腐蝕產(chǎn)物的吸附和脫落。由表1可知，當(dāng)AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs在m－SBF中浸泡10d、2周和4周時(shí)，Rct增加Rs降低。鈣磷/殼聚糖/CNTs的微孔結(jié)構(gòu)使m－SBF能夠穿過膜層與金屬基體接觸并發(fā)生反應(yīng)，隨浸泡時(shí)間的增加，生成的腐蝕產(chǎn)物將覆蓋在帶膜層MAO－AZ91D界面上，使得電化學(xué)反應(yīng)難發(fā)生。另外，MAO層會(huì)與穿過鈣磷/殼聚糖/ CNTs膜層的電解質(zhì)發(fā)生腐蝕反應(yīng)，膜層中磷酸鈣在沉積時(shí)也會(huì)發(fā)生溶解過程。因此，上述綜合作用的結(jié)果使Rct增加Rs降低。而且，與AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖相比［7］，AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs在m－SBF中浸泡4周左右時(shí)(圖1(c) )膜層沒有發(fā)生破裂，說明鈣磷/殼聚糖膜層中復(fù)合CNTs后膜層與基體結(jié)合力有所提高。浸泡時(shí)間增加到10周和12周時(shí)，試樣Nyquist圖是由高頻區(qū)一個(gè)容抗弧和中低頻一條斜線組成，如圖1(d) (e)所示。高頻區(qū)容抗弧代表傳荷過程，而中低頻的斜線是由半無限擴(kuò)散過程引起的。隨浸泡時(shí)間的增加，因?yàn)榻饘倩w與m－SBF之間經(jīng)長時(shí)間接觸會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕，所以金屬基體上的腐蝕產(chǎn)物、MAO層和鈣磷/殼聚糖/CNTs膜層會(huì)發(fā)生局部的破壞，這將導(dǎo)致金屬基體的保護(hù)層缺失。因此，Nyquist圖中Rs降低到零(表1)，它的腐蝕行受電化學(xué)和無限半擴(kuò)散混合過程控制。

3.2塔菲爾測試

AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs在m－SBF中浸泡不同時(shí)間Tafel曲線及相應(yīng)的分析結(jié)果分別見圖2和表2。由圖2和表2可以看出，當(dāng)浸泡時(shí)間從10 d增加到12周時(shí)，AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs的icorr值呈大致減小的趨勢。具體地，從10 d到4周時(shí)，復(fù)合膜層完好無損，icorr值變化不大，這表明由于膜層的保護(hù)作用使試樣的電化學(xué)腐蝕速率相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)浸泡時(shí)間大于4周時(shí)，由于膜層發(fā)生局部破裂現(xiàn)象，金屬基體與m－SBF直接接觸，這樣在膜層破裂處的鎂合金表面生成一層致密的腐蝕產(chǎn)物膜，也使icorr值有所降低。

圖2　鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs在m－SBF中浸泡不同時(shí)間Tafel曲線

表2　鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs在m－SBF中浸泡不同時(shí)間Tafel曲線分析

3.3浸泡實(shí)驗(yàn)

圖3是m－SBF中Mg元素濃度和pH值隨浸泡時(shí)間的變化趨勢。由圖3可知，Mg元素濃度和pH值隨浸泡時(shí)間的延長而增加，說明鈣磷/殼聚糖/ CNTs膜層和微弧氧化(MAO)層不能完全阻止鎂合金在m－SBF中的腐蝕，與前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致［7］。m－SBF可通過鈣磷/殼聚糖/CNTs膜層和MAO層孔隙與鎂合金發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致鎂合金在m－SBF中發(fā)生腐蝕。

圖3　m－SBF中Mg元素濃度和pH值隨浸泡時(shí)間的變化趨勢(a) Mg元素濃度; (b) pH值

綜上可知，AZ91D鎂合金基鈣磷/殼聚糖/CNTs 在m－SBF中腐蝕反應(yīng)機(jī)制為:隨m－SBF中隨浸泡時(shí)間的增加，腐蝕反應(yīng)依次由電化學(xué)和有限層擴(kuò)散過程、電化學(xué)和半無限擴(kuò)散過程和半無限擴(kuò)散過程控制。

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In vitro corrosion behavior of AZ91D magnesium alloy based calcium phosphate/chitosan/CNTs bone implant material in the m－SBF

ZHANG Jie1，2，ZHU Fang－fang1，CHI Yan－xia3，LIU Feng－h(huán)ua1，ZHANG Xiang－yu1，ZHANG Feng4

(1.Pharmacy College of Jiamusi University，Jiamusi 154007，China; 2.School of Chemistry Engineering and Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China; 3.Oral Medicine College of Jiamusi University，Jiamusi 154002，China; 4.Duoduo Pharmacy of Jiamusi，Jiamusi 154007，China)

Abstract:Objective: To study in vitro degradation behavior of AZ91D magnesium alloy based calcium phosphate/chitosan/CNTs in m－SBF.Methods: AZ91D magnesium alloy based calcium phosphate/chitosan/CNTs prepared by electrophoretic deposition technique was immersed in the m－SBF.The corrosion process of sample in the m－SBF was tested through electrochemical impedance and Tafel curve.Magnesium concentration in the m－SBF was measured by inductively coupled plasma emission spectrum.Results: The corrosion reaction of AZ91D based CaP/chitosan in m－SBF was orderly controlled by electrochemical and limited layer diffusion process，electrochemical and semi－infinite diffusion process，and semi－infinite diffusion process with immersion time.Calcium phosphate/chitosan/CNTs ceramic film significantly improved the corrosion resistance of AZ91D.Conclusion: Calcium phosphate/chitosan/CNTs coating can protect the corrosion of AZ91D magnesium alloy substrate in the m －SBF.

Key words:Magnesium alloy; Hydroxyapatite; Chitosan; Carbon nanotubes

(收稿日期:2015－12－02)

作者簡介:張杰(1979～)女，黑龍江嫩江人，講師。

基金項(xiàng)目:①黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目，編號(hào): 12541796。

中圖分類號(hào):R318.08文獻(xiàn)識(shí)別碼: A

文章編號(hào):1008－0104(2016) 02－0003－04