Mg-Fe-LDH涂層改性AZ91D合金的耐蝕性、體外降解及成骨性能

景紹慧，周吉祥，趙大鵬，吳宏

(1.中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué) 湘雅醫(yī)院，長(zhǎng)沙 410083；3.湖南大學(xué) 生物學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083)

新時(shí)代背景下，鎂合金作為綠色化生物金屬材料的代表，以其高比強(qiáng)度、高強(qiáng)韌性和生物可降解等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[1]。因具有與人體骨骼相近的彈性模量(41～45 GPa)和密度(1.74～1.84g/cm2)，鎂合金成為骨科植入材料的理想候選者，被廣泛應(yīng)用于可降解心血管支架、骨固定材料和骨組織工程多孔支架材料等醫(yī)療器械[2-3]。然而，鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位較低(約-2.37 V)，化學(xué)活性較為活潑，當(dāng)鎂合金與腐蝕介質(zhì)接觸后，會(huì)迅速發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并形成疏松多孔的腐蝕層膜，使用壽命大打折扣[4]。如何提高鎂合金的耐腐蝕性是鎂基金屬植入物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)展亟需解決的問(wèn)題。

表面改性是目前提高鎂合金耐腐蝕性最為有效的方法，包括微弧氧化處理、溶膠-凝膠法和化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層等改性方法[5]。主要是通過(guò)在鎂基體表面構(gòu)建阻礙鎂基金屬植入物與腐蝕環(huán)境直接接觸的涂層，從而降低鎂合金被腐蝕的概率，達(dá)到緩蝕效果[6-7]。LDH(layered double hydroxide)是一種具有典型二維層狀結(jié)構(gòu)的生物材料，主要由二價(jià)、三價(jià)金屬陽(yáng)離子、層間陰離子和結(jié)合水構(gòu)成[8]。結(jié)構(gòu)的特殊性和優(yōu)異的離子交換性，使得 LDH在與腐蝕介質(zhì)接觸后，侵蝕性離子被捕獲到 LDH的中間層，與層間陰離子進(jìn)行交換，從而降低腐蝕液濃度，實(shí)現(xiàn)緩蝕作用[9]。CHEN等[10]采用原位生長(zhǎng)法在 AZ31鎂合金上制備了Mg-Al-LDH薄膜，對(duì)不同變形工藝處理后AZ31的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸以及腐蝕行為進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，鎂合金經(jīng)軋制處理后形成的 LDH涂層更厚且更緊湊，緩腐效果最佳。DING[11]團(tuán)隊(duì)采用原位生長(zhǎng)法在 AZ31B鎂合金表面優(yōu)先構(gòu)建了 LDH轉(zhuǎn)化膜，使用月桂酸鹽對(duì)其進(jìn)行改性，得到了脲交聯(lián)聚二甲基硅氧烷疏水聚合物層。與未改性的 LDH涂層相比，超疏水復(fù)合涂層具有較長(zhǎng)的保護(hù)作用和較快的自愈合效果，對(duì)擴(kuò)大鎂合金的潛在應(yīng)用具有重要意義。大多數(shù)研究者將目光聚焦在解決鎂合金耐腐蝕性問(wèn)題，往往忽略了鎂合金作為骨科植入物在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，植入物與骨組織間結(jié)合不理想、骨修復(fù)能力較差和調(diào)節(jié)成骨作用不顯著等問(wèn)題導(dǎo)致植入失敗，并給患者帶來(lái)嚴(yán)重的術(shù)后風(fēng)險(xiǎn)和巨大的經(jīng)濟(jì)壓力[12]。

構(gòu)成 LDH結(jié)構(gòu)的層間金屬陽(yáng)離子有著優(yōu)異的生物學(xué)性能，如Mg2+作為細(xì)胞代謝和生長(zhǎng)的輔酶因子，在改善材料的生物活性、促進(jìn)骨重建和增強(qiáng)成骨分化等過(guò)程都扮演著重要角色[13]；Fe3+作為人體不可或缺的元素，在紅細(xì)胞成熟過(guò)程中，與細(xì)胞代謝和促骨分化等過(guò)程息息相關(guān)[14]。實(shí)驗(yàn)以具有良好機(jī)械和物理性能，但耐腐蝕性較差的醫(yī)用 AZ91D鎂合金材料作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行Fe-LDH涂層改性，一方面有效提高鎂合金耐腐蝕性能，另一方面改善成骨效果，為解決鎂基骨科植入物因調(diào)節(jié)成骨效果差等導(dǎo)致植入失敗這一問(wèn)題提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

AZ91D鎂合金購(gòu)自東莞市捷金金屬材料有限公司，主要成分及含量見(jiàn)表1。六水氯化鎂(MgCl2·6H2O)、六水氯化鐵(FeCl3·6H2O)和氫氧化鈉(NaOH)均購(gòu)自上?；び邢薰尽?/p>

表1 AZ91D鎂合金的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of AZ91D Mg alloy (mass fraction, %)

1.2 合金預(yù)處理

將AZ91D鎂合金切成小圓片(直徑為10 mm，厚度為2 mm)，使用SiC砂紙逐級(jí)打磨，依次用丙酮、無(wú)水乙醇和超純水在超聲波清洗機(jī)中對(duì)試樣進(jìn)行洗滌，在室溫下風(fēng)干后備用。

1.3 Fe-LDH/AZ91D的制備

按n(Mg2+):n(Fe3+)=2:1稱(chēng)量0.467 9 g MgCl2·6H2O和0.270 3 g FeCl3·6H2O，倒入10 mL去離子水中攪拌混勻。使用質(zhì)量濃度為0.04 g/mL的NaOH溶液調(diào)節(jié)上述溶液pH值至10.0，充分?jǐn)嚢韬?，將上述溶液倒?0 mL反應(yīng)釜中，并放入鎂片。將反應(yīng)釜擰緊后放入100 ℃烘箱中水熱12 h，之后取出鎂片，用去離子水沖洗、干燥，最終得到Fe-LDH/AZ91D樣品，樣品的制備示意圖如圖1所示。

圖1 Fe-LDH/AZ91D樣品制備示意圖Fig.1 Schematic diagram of Fe-LDH/AZ91D sample preparation

1.4 微觀(guān)結(jié)構(gòu)表征

使用配有能譜儀(EDS)的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，QuantaFEG250，F(xiàn)EI，USA)，透射電子顯微鏡(TEM，JEM-2100F，JEOL，Japan)和動(dòng)態(tài)光散射裝置(DLS，Zeta sizer Nano ZS, Malvern Panalytical, UK)對(duì)涂層形貌、成分及尺寸進(jìn)行分析。通過(guò)X射線(xiàn)衍射儀(XRD，Rigaku D/MAX-2250，Bruck，GmbH，Switzerland)分析晶體結(jié)構(gòu)，以Cu靶(λ=0.154 06 nm)為輻射源，掃描速率為2 (°)/min， 2θ=5°～90°。使用DA-300M 海綿密度測(cè)試儀對(duì)樣品的密度進(jìn)行測(cè)試。

1.5 涂層體外降解實(shí)驗(yàn)

1.5.1 電化學(xué)測(cè)試

采用帶有三電極腐蝕電池的電化學(xué)工作站(Multilab M204，瑞士)在體積分?jǐn)?shù)為0.9% 的NaCl電解質(zhì)中進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，待測(cè)樣品(暴露面積 1 cm2)為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑電極為對(duì)電極。在開(kāi)路電位(open circuit potential，OCP)下進(jìn)行EIS(electrochemical impedance spectroscopy)測(cè)試，擾動(dòng)振幅為10 mV，頻率范圍為10 MHz～100 kHz；塔菲爾(Tafel)極化曲線(xiàn)以開(kāi)路電位作為參考，在-0.5～1.5 V電壓范圍內(nèi)，以1 mV/s的掃描速率進(jìn)行測(cè)試，最終通過(guò)C-view軟件對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

1.5.2 析氫實(shí)驗(yàn)

將暴露面積為1 cm2的AZ91D和Fe-LDH/AZ91D浸入250 mL磷酸鹽緩沖鹽水(phosphate buffer saline,PBS)溶液中，使用滴定管和倒錐形組成的析氫裝置收集產(chǎn)生的氫氣，每24 h記錄氫氣釋放量，共計(jì)14天。對(duì)試樣浸泡過(guò)程中每天的質(zhì)量變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過(guò)下式分別計(jì)算質(zhì)量損失率及腐蝕速率：

式中：M為質(zhì)量損失率；%；m0為樣品初始質(zhì)量，g；mt為樣品浸泡后的質(zhì)量，g；v為腐蝕速率，mm/a；ρ為樣品密度，g/cm3；A為樣品暴露面積，cm2；t為浸泡時(shí)間，h。

1.6 細(xì)胞培養(yǎng)模式

1.6.1 細(xì)胞增殖

選擇人成骨肉瘤細(xì)胞(SaOS-2細(xì)胞)進(jìn)行培養(yǎng)，使用McCoy完全培養(yǎng)基(由體積分?jǐn)?shù)為84%McCoy培養(yǎng)基(Gibco，美國(guó))、15%胎牛血清(FBS；Gibco，美國(guó))和 1%青霉素-鏈霉素(PS；Gibco，美國(guó))組成)培養(yǎng)細(xì)胞。通常使用樣品浸提液對(duì)細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，將Fe-LDH/AZ91D在紫外照射滅菌1天后，以0.5 cm2/mL的表面積/體積比在McCoy培養(yǎng)基中浸提1天，再將浸提液用 McCoy完全培養(yǎng)基分別稀釋至體積分?jǐn)?shù)為 30%、60%和90%的樣品培養(yǎng)基(sample medium，SM)，最后將SaOS-2細(xì)胞以5 000個(gè)/孔的密度接種在48孔板中，放入細(xì)胞培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每2天更換一次培養(yǎng)基。

1.6.2 細(xì)胞活性測(cè)試

待 SaoS-2細(xì)胞與樣品培養(yǎng)基在 CO2培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1、3、5天后進(jìn)行CCK-8測(cè)定以評(píng)估細(xì)胞活性，使用酶標(biāo)儀在460 nm處測(cè)量細(xì)胞工作溶液的吸光度。

1.7 SaOS-2細(xì)胞的體外介導(dǎo)成骨作用

1.7.1 堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)活性

SaOS-2細(xì)胞以5 000個(gè)/孔的密度種植在48 孔板中，在細(xì)胞培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，當(dāng)培養(yǎng)至第4、6天時(shí)進(jìn)行ALP定性測(cè)試：細(xì)胞經(jīng)PBS清洗3次后，使用體積分?jǐn)?shù)為4%的多聚甲醛(paraformaldehyde, PFA)在室溫下固定15 min，再次用PBS清洗3次，每孔加入100 μL ALP染色試劑(Jiancheng bio-engineering research institute of Nanjing, China) 染色20 min，吸去染色劑并用PBS清洗3次以終止染色，使用熒光顯微鏡 (DSY-L140, chang heng rong chuang technology) 對(duì)細(xì)胞進(jìn)行拍照。ALP定量測(cè)試：待細(xì)胞培養(yǎng)至 4、6天時(shí)，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行清洗后，每孔加入 200 μL RIPA(radio immunoprecipitation assay)裂解液，在冰上進(jìn)行15 min裂解，將裂解液轉(zhuǎn)移至1.5 mL 離心管中，以12 000 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min，對(duì)上清液的ALP 活性進(jìn)行測(cè)定，采用 BCA(bicinchoninic acid)試劑盒(beyotime, China) 對(duì)上清液的蛋白濃度進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)蛋白濃度對(duì)ALP 活性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

1.7.2 膠原蛋白分泌(collagen，COL)

將SaOS-2 細(xì)胞以5 000個(gè)/孔的密度種植在48孔板中，在細(xì)胞培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，待培養(yǎng)至6、8天時(shí)吸去舊培養(yǎng)基并清洗細(xì)胞，使用體積分?jǐn)?shù)為4%的PFA對(duì)細(xì)胞進(jìn)行固定15 min，再次清洗細(xì)胞，每孔加入200 μL 體積分?jǐn)?shù)為 0.1%的天狼猩紅染色劑(sigma, USA)在室溫下避光孵育6 h，吸去染色劑并用PBS 清洗3次以終止染色，在熒光顯微鏡下對(duì)細(xì)胞進(jìn)行拍照。拍照完畢后，每孔加入 150 μL 洗脫液(φ(乙醇):φ(0.2 mol/L NaOH) =1:1)洗脫 30 min，每孔取 100 μL 洗脫液轉(zhuǎn)至 96 孔板，在酶標(biāo)儀上檢測(cè)波長(zhǎng)在520 nm處的吸光度。

1.7.3 細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)礦化

將 SaOS-2 細(xì)胞以5, 000個(gè)/孔的密度接種在48孔板，細(xì)胞貼附生長(zhǎng)1天后，改用不同體積分?jǐn)?shù)的樣品培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，另外加入β-磷酸甘油鈉(10 mM)、維生素 C(50 μg/mL)和地塞米松(100 nM)加速成骨細(xì)胞分化，每2天更換一次培養(yǎng)基。培養(yǎng)至10、12天后，吸去培養(yǎng)基，使用PBS 洗滌細(xì)胞3次，然后使用體積分?jǐn)?shù)為4%PFA固定細(xì)胞 30 min，之后使用體積分?jǐn)?shù)0.2%的茜素紅染液(alizarin)在 37 ℃下對(duì) SaOS-2 細(xì)胞分泌的鈣結(jié)節(jié)進(jìn)行染色30 min，使用光學(xué)顯微鏡拍攝圖像。拍照結(jié)束后將染液溶解在體積分?jǐn)?shù)為10%的氯化十六烷基吡啶溶液中進(jìn)行定量分析，使用酶標(biāo)儀對(duì)570 nm處的吸光度進(jìn)行檢測(cè)。

1.8 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

最終的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從至少3次平行實(shí)驗(yàn)中得到，并用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示。采用最小顯著性差法(least significant difference，LSD)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。p＜0.05被認(rèn)為具有顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的理化性能表征

圖2為Fe-LDH/AZ91D的相關(guān)理化性能表征。如圖2(a)所示，F(xiàn)e-LDH在A(yíng)Z91D表面層層交錯(cuò)且豎立生長(zhǎng)，形成均勻且致密的涂層薄膜，EDS結(jié)果表明涂層主要包括Mg、Fe、C和O元素，說(shuō)明Fe3+已成功引入至 LDH層間結(jié)構(gòu)中。將涂層從基體刮下并進(jìn)行TEM表征，可以看到Fe-LDH顆粒具有規(guī)則的正六邊形片狀結(jié)構(gòu)，這一形狀特征符合前述文獻(xiàn)對(duì) LDH納米顆粒的描述[15]，見(jiàn)圖2(b)。結(jié)合DLS結(jié)果，得到涂層顆粒的平均直徑約為 120 nm，分散系數(shù)(polymer dispersity index，PDI)為0.182，見(jiàn)圖2(c)。根據(jù)XRD結(jié)果(圖2(d))，2θ=5°～90°范圍內(nèi)鎂基體衍射峰位太強(qiáng)，F(xiàn)e-LDH 涂層的特征峰不明顯，將 2θ=5°～25°范圍的 XRD 圖進(jìn)行放大，可以看出在 11.35°(003)和21.68°(006)處有LDH結(jié)構(gòu)的特征峰，說(shuō)明Fe-LDH涂層具有典型的層狀晶體結(jié)構(gòu)，即Fe-LDH已成功覆蓋在 AZ91D 表面。

圖2 涂層樣品的微觀(guān)結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of the Fe-LDH coating sample

2.2 電化學(xué)性能

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的NaCl溶液中，對(duì)不同樣品的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)C-view軟件對(duì)結(jié)果涉及到的相關(guān)電化學(xué)參數(shù)進(jìn)行擬合，見(jiàn)圖3。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[11]，極化曲線(xiàn)上腐蝕電流密度越低，樣品腐蝕速率越小，耐腐蝕性能越好。從圖3可以看出，AZ91D的自腐蝕電位Ecorr和自腐蝕電流密度Jcorr分別為-1.504 V和6.04×10-4A/cm2；相比之下，F(xiàn)e-LDH/AZ91D的Ecorr為-1.259 V，比鎂基體高出0.245 V，Jcorr為 4.37×10-5A/cm2，比基板低 5.60×10-4A/cm2，充分說(shuō)明經(jīng)Fe-LDH涂層改性后的AZ91D耐腐蝕性能大幅度提高。使用式(3)和式(4)對(duì)兩種樣品腐蝕速率和緩蝕效率進(jìn)行計(jì)算[16-17]，結(jié)果列于表1。

圖3 不同樣品在NaCl溶液(w=0.9%)中的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)Fig.3 Potentiodynamic polarization curves of different samples in NaCl solution (w=0.9%)

式中：vcorr為腐蝕速率，mm/a；ηp為緩蝕效率，%；J0corr和Jcorr分別為裸基板和涂層鎂合金的腐蝕電流密度，A/cm2。

由表1可知，F(xiàn)e-LDH/AZ91D的腐蝕速率 (9.98×10-4mm/a) 約為 AZ91D(1.38×10-2mm/a)的 7.23%，可見(jiàn)，F(xiàn)e-LDH/AZ91D在腐蝕溶液中的腐蝕敏感度顯著降低，樣品的緩蝕效率ηp達(dá)到92.76%，AZ91D的耐腐蝕性能得到極大提升。

表1 不同樣品的電化學(xué)參數(shù)Table 1 Electrochemical parameters of different samples

通過(guò) EIS測(cè)量進(jìn)一步研究 AZ91D和 Fe-LDH/AZ91D 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的 NaCl 溶液中的電化學(xué)腐蝕行為，如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，相比于鎂合金基體，經(jīng)Fe-LDH涂層改性后的AZ91D具有更大的阻抗弧半徑，這說(shuō)明涂層的存在使得 AZ91D具有更高的電荷轉(zhuǎn)移電阻以及更強(qiáng)的界面鈍化膜保護(hù)。結(jié)合圖4(b)的Bode圖可以看出，F(xiàn)e-LDH/AZ91D在低頻率(10-2Hz)范圍內(nèi)的模量較大，從負(fù)頻率區(qū)到正頻率區(qū)間，Bode圖中的相位角也隨之增加。說(shuō)明致密的Fe-LDH涂層給予鎂基體較好的保護(hù)作用，NaCl溶液中的腐蝕介質(zhì)難以滲透到鎂合金基體中，進(jìn)而降低了基體的腐蝕敏感性。在 Bode圖中，峰的數(shù)量反映時(shí)間常數(shù)的多少，而時(shí)間常數(shù)還與系統(tǒng)的電容密切相關(guān)，當(dāng)體系中存在涂層或緩蝕劑時(shí)，將考慮有兩個(gè)或多個(gè)時(shí)間常數(shù)存在[20]。綜上所述，對(duì)各樣品的等效電路圖進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖4(c)，其中Rs表示電解質(zhì)引起的溶液電阻，Rct表示溶液中電荷轉(zhuǎn)移引起的電阻，CPE是由于鎂合金表面不平整引起的恒定相角分量。圖4(c)中，AZ91D只有一個(gè)時(shí)間常數(shù)，表明鎂合金表面與 NaCl溶液直接接觸，沒(méi)有薄膜黏附；Fe-LDH/AZ91D的等效電路圖增加了兩個(gè)分量，R1代表AZ91D表面形成的Fe-LDH涂層的電阻，CPE1是指Fe-LDH薄膜的電容，F(xiàn)e-LDH涂層薄膜的保護(hù)使得Fe-LDH/AZ91D的阻抗譜有兩個(gè)時(shí)間常數(shù)。

圖4 室溫下不同樣品在NaCl溶液(w=0.9%)中的Nyquist圖(a)、Fe-LDH/AZ91D的Bode圖和相位圖(b)、以及等效電路圖(c)Fig.4 Nyquist plots of different samples in NaCl solution (w=0.9%) at room temperature (a), Bode plot and phase diagram of Fe-LDH/AZ91D (b), and equivalent circuit diagram (c)

2.3 涂層體外降解性能

圖5是不同樣品在PBS中長(zhǎng)期浸泡的降解行為，每24 h記錄一次釋放的氫氣量，共計(jì)14天。

由圖5(a)可知，浸泡初期，AZ91D迅速降解，析氫量迅速上升，14天后的析氫量達(dá)到3.48 mL/cm2；而Fe-LDH/AZ91D的析氫量雖隨著浸泡時(shí)間的增加而增加，但均低于1.5 mL/cm2，浸泡14天后最終的析氫量約為1.32 mL/cm2，僅為AZ91D析氫總量的38%。在析氫過(guò)程中，鎂合金會(huì)發(fā)生如下電化學(xué)腐蝕反應(yīng)[21-22]：

圖5 AZ91D和Fe-LDH/AZ91D在PBS溶液中14天內(nèi)析氫含量(a)及pH值的變化(b)Fig.5 Changes of hydrogen evolution content (a) and pH value (b) of AZ91D and Fe-LDH/AZ91D in PBS solution within 14 days

AZ91D與腐蝕溶液接觸后發(fā)生電離，Mg原子失去電子變成 Mg2+，水分子得到電子生成 OH-，Mg2+與之反應(yīng)生成腐蝕產(chǎn)物 Mg(OH)2，導(dǎo)致浸泡初期 pH值便迅速上升；而Mg(OH)2在含有Cl-的溶液中會(huì)進(jìn)一步分解[23]，如式(8)：

根據(jù)式(8)，溶液的pH值持續(xù)升高，經(jīng)監(jiān)測(cè)，兩者的pH值隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)而上升，AZ91D浸泡14天后的pH高達(dá)9.11，F(xiàn)e-LDH/AZ91D浸泡14天后的pH值達(dá)到8.09。經(jīng)Fe-LDH涂層修飾后涂層阻隔了鎂合金與腐蝕溶液的接觸，AZ1D的pH雖有增加但較鎂基體增長(zhǎng)幅度小。

根據(jù)式(1)和(2)，計(jì)算得到樣品質(zhì)量損失率及腐蝕速率變化柱狀圖，如圖6所示。由圖6(a)可以看出，隨著浸泡時(shí)間的增加，AZ91D和Fe-LDH/AZ91D的質(zhì)量損失率隨之增加，14天后 AZ91D的質(zhì)量損失率(40.59%)幾乎是Fe-LDH/AZ91D(25.16%)的1.6倍。兩者的腐蝕速率都呈現(xiàn)出前期緩慢后期增快的趨勢(shì)，見(jiàn)圖6(b)；相比之下，F(xiàn)e-LDH/AZ91D的腐蝕速率較AZ91D的慢很多，14天時(shí)的腐蝕速率(2.13 mm/a)約為AZ91D(4.14 mm/a)的 1/2。

圖6 不同樣品的質(zhì)量損失率(a)和腐蝕速率變化曲線(xiàn)(b)Fig.6 Mass loss rate (a) and corrosion rate change (b) of different samples

圖7為各樣品浸泡14天后的表面SEM形貌?？梢钥闯?AZ91D被完全腐蝕，表面出現(xiàn)剝落和大量較寬的裂紋和腐蝕坑；而Fe-LDH/AZ91D表面出現(xiàn)微裂紋，涂層存在降解，可見(jiàn)，腐蝕過(guò)程仍滯留在涂層表面，對(duì)鎂基體還未造成影響。

圖7 PBS中浸泡14天后不同樣品的表面形貌Fig.7 SEM morphologies of different samples after immersion in PBS for 14 days

基于上述結(jié)果，提出一種Fe-LDH/AZ91D的耐腐蝕機(jī)理：由于 LDH結(jié)構(gòu)的層間金屬離子層對(duì)腐蝕液中陰離子有著不同的親和性，與腐蝕液接觸后，腐蝕性陰離子與 LDH層間陰離子進(jìn)行交換，而層間的陰離子被釋放出來(lái)與鎂合金中的Mg2+發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，形成致密而穩(wěn)定的沉積物以保護(hù)基體。同時(shí)，形成的沉淀物還填補(bǔ)了腐蝕造成的缺陷部位，以降低鎂基體進(jìn)一步腐蝕。Fe-LDH涂層對(duì)不同陰離子具有不同的離子交換能力[24]： C O23-＞ S O24-＞OH-＞F-＞ HPO24-＞Cl-＞ B (OH)-4＞＞NO-3＞＞ClO-4，這意味著 NaCl溶液中的 Cl-可以與 Fe-LDH 涂層之間的 OH-交換，降低Fe-LDH/AZ91D周?chē)?Cl-濃度。同時(shí)，OH-與 Mg2+反應(yīng)生成Mg(OH)2，沉積在鎂合金表面以減緩腐蝕。此外，F(xiàn)e-LDH涂層體系為鎂基體與腐蝕液的直接接觸建立了屏障，對(duì)基體形成較為長(zhǎng)期的耐腐蝕保護(hù)，有效降低了鎂合金被腐蝕的速率。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[25]，當(dāng)溶液中Cl-濃度過(guò)高時(shí)，Mg(OH)2易被Cl-侵蝕生成可溶性Mg2+，使涂層失效。因此，無(wú)論采用何種改性方法，都不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)鎂合金的永久保護(hù)，只能降低被腐蝕的速率。

2.4 SaOS-2細(xì)胞活性

為考察Fe-LDH/AZ91D體系的生物相容性，對(duì)不同 SM 浸提液體積分?jǐn)?shù)(30%、60%、90%)下 SaOS-2細(xì)胞的活性進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，各組中細(xì)胞的數(shù)量均隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。與空白組樣品相比，不同體積分?jǐn)?shù)浸提液下 AZ91D和Fe-LDH/AZ91D組別的細(xì)胞活性均較低，其中，90%體積分?jǐn)?shù)下的細(xì)胞數(shù)量較少，但細(xì)胞的存活率均不低于85%，對(duì)細(xì)胞毒性較小。

圖8 不同體積分?jǐn)?shù)浸提液下SaOS-2細(xì)胞活性(*p＜0.05、**p＜0.01分別代表與Control組相比)Fig.8 Cell viability of SaOS-2 in SM extract with different volume fractions(*p＜ 0.05 and **p＜ 0.01 compared with Control group)

2.5 SaOS-2細(xì)胞的成骨分化行為

為探究Fe3+的成骨性能，通過(guò)構(gòu)建浸提液-成骨細(xì)胞共培養(yǎng)模型，檢測(cè)不同浸提液培養(yǎng)基下 SaOS-2 細(xì)胞的 ALP 活性、膠原蛋白分泌和體外礦化在前、中、后期的成骨性能指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 不同體積分?jǐn)?shù)SM浸提液下SaOS-2細(xì)胞的ALP活性(a)，膠原蛋白分泌(b)和體外礦化作用(c) (*p＜0.05、**p＜0.01分別代表與AZ91D相比)Fig.9 ALP activity (a), collagen secretion (b) and in-vitro mineralization (c) of SaOS-2 cells in SM leaching solution with different volume fractions (*p＜ 0.05 and **p＜ 0.01 compared with AZ91D)

如圖9所示，與空白組樣品相比，不同體積分?jǐn)?shù)浸提液SM中的SaOS-2細(xì)胞的形態(tài)飽滿(mǎn)，呈長(zhǎng)梭狀生長(zhǎng)，鈣結(jié)節(jié)形成較為完全，有誘導(dǎo)細(xì)胞向深層礦化、分化的行為，略具促成骨作用，但未表現(xiàn)出顯著差異，說(shuō)明浸提液 SM 體積分?jǐn)?shù)對(duì)細(xì)胞成骨活性無(wú)顯著影響，各浸提液體積分?jǐn)?shù)下較好地維持了細(xì)胞的成骨活性，并達(dá)到與空白組樣品同樣的水平。

3 結(jié)論

1) 通過(guò)水熱法在x(Mg2+):x(Fe3+)=2:1、pH=10.0、T=100 ℃ 條件下于A(yíng)Z91D表面成功制備均勻致密，具有六邊形片狀結(jié)構(gòu)，平均粒徑約為 120 nm的Fe-LDH涂層，獲得Fe-LDH/AZ91D樣品。

2) 涂層的存在隔絕了鎂基體與腐蝕液的接觸，緩解了鎂基體的腐蝕速度。經(jīng) Fe-LDH涂層改性后的AZ91D具有比鎂基體更高的自腐蝕電位Ecorr(-1.259 V)和更低的腐蝕電流密度icorr(4.37×10-5A/cm2)，緩蝕率高達(dá)92.76%；在PBS浸泡14天后，F(xiàn)e-LDH/AZ91D的腐蝕速率(2.13 mm/a)僅為 AZ91D(4.14 mm/a)的一半。

3) 不同體積分?jǐn)?shù)浸提液SM對(duì)SaOS-2細(xì)胞毒性小，能較好地維持細(xì)胞的成骨活性，并達(dá)到與空白組樣品相同的水平。