镁合金骨螺钉表面复合涂层制备及性能研究

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镁合金作为一种新型医用金属材料,其密度、屈服强度及弹性模量与人体骨相似,植入人体后可有效减缓应力遮挡效应;同时,镁及其合金在人体环境中可以降解,生成的Mg2+是人体必须的生物元素,能够被人体及时吸收而不产生副作用。然而在含有Cl-的体液环境中,镁合金不可控降解速率限制其在临床上的使用。近年来,表面改性技术被广泛认为是提高镁合金耐腐蚀性和生物相容性的有效处理方法。  本文创新性地采用微弧氧化结合双脉冲电化学沉积的方法,直接在镁合金骨螺钉表面制备氧化镁、磷酸镁/钙磷盐复合涂层。该方法既保留了微弧氧化层与镁基体良好的结合强度,同时利用双脉冲电沉积对微弧氧化层进行封孔,也可有效提高其耐蚀性。通过探究微弧氧化工艺参数对涂层结构和性能的影响,确定最佳微弧氧化工艺参数为:工作电压E=180 V,氧化时间为20 min,电解液中丙三醇含量为8 mL/L。对比不同电化学沉积模式制备的钙磷盐涂层对微弧氧化涂层的封孔效果,并对其工艺参数进行探究,优化得出双脉冲电化学工艺最佳沉积时间为20 min,沉积后5 min再进行超声处理1 min,制备所得的钙磷盐复合涂层最为平整均匀致密。  利用SEM、EDS、XRD、FTIR、厚度测试及接触角实验等表征方法,对最佳工艺参数下制备的涂层表面结构与成分进行分析可知,微弧氧化涂层厚度为14.5±0.62μm,微孔分布均匀,尺寸大小一致,其主要成分为氧化镁和磷酸镁。双脉冲电沉积钙磷盐复合涂层厚度为19.1±0.78μm,涂层表面平整均匀,钙磷盐对微弧氧化涂层微孔封孔完全,其主要成分为HA。表面改性后的两种涂层润湿性良好,植入体内后有利于细胞在其表面的粘附。  通过电化学测试和模拟体液浸泡实验对涂层试样体外腐蚀降解行为进行研究,其结果表明,复合涂层的耐腐蚀性能优于微弧氧化涂层,腐蚀电位较基体提高了50 mV,电流密度降低了两个数量级。浸泡初期两种表面改性后的涂层均可以对基体进行保护,减缓基体的析氢速率及pH增大速率,其中复合涂层的保护效果更为明显,说明电沉积涂层对微弧氧化涂层封孔效果良好,显著降低了基体的腐蚀速率。同时,复合涂层在浸泡实验过程中表面能够快速诱导新的钙磷盐生成,提高了基体试样的生物相容性。  利用拉伸试验、扭矩测试、涂层附着力测试及微动摩擦磨损实验等对表面改性后的试样进行一系列的力学性能表征,分析结果可知,表面改性后的镁合金试样其力学性能均有一定的提高,抗拉强度为238 MPa,可满足临床对植入体材料的要求。改性后的骨螺钉最大扭矩为3.76 N2m,这将对骨科医生临床手术固定螺钉时,确定施加力的大小具有重要的指导意义。涂层附着力测试结果表明,复合涂层与基体的附着力为14.8 N,结合浸泡实验可知,在浸泡过程中未出现涂层的脱落,说明涂层与基体的结合力可满足植入需求。同时,由于复合涂层与基体结合强度好,硬度高,微动摩擦磨损实验结果表明,复合涂层在往复摩擦过程中未出现涂层的粘连脱落,这将有效避免涂层在植入人体后由于脱落而导致炎症症状的发生。
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