Mg-4.0Zn-2.5Sr合金表面电沉积HA涂层的制备及其性能研究

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近几十年来,生物医用材料在不断的发展与创新,多种新型材料被成功开发。镁合金作为生物医用植入材料有很多优于其他材料的性能。镁的密度,弹性模量等物理性能与人体骨组织接近,且镁离子是人体所必须的微量元素之一。羟基磷灰石(HA)是骨骼、牙本质和牙釉质等硬组织的主要成分。把这两者结合到一起,即在镁合金表面沉积HA涂层,既保持了金属材料良好的力学性能,还具备了HA优良的生物相容性。根据生物材料的力学性能、可降解性和生物相容性的要求自行优化设计了Mg-4.0Zn-2.5Sr (Wt.%)合金。以Mg-4.0Zn-2.5Sr (Wt.%)合金为基体,通过前碱热处理+电化学沉积+后碱热处理工艺在铸态镁合金Mg-4.0Zn-2.5Sr表面制备羟基磷灰石(HA),并确定最优化参数。并对比研究了表面有HA涂层镁合金和无涂层镁合金的降解性能和生物相容性。主要研究结果如下:(1)无涂层Mg-4.0Zn-2.5Sr合金在Hank’s溶液中腐蚀速率变化为腐蚀初期腐蚀速率很快,随后逐渐降低,并趋于稳定,最终腐蚀速率为0.264g/(cm2·h)。有HA涂层Mg-4.0Zn-2.5Sr合金在Hank’s溶液中腐蚀速率变化与无涂层镁合金相似,为腐蚀初期腐蚀速率较快,随后逐渐降低,并趋于稳定,最终腐蚀速率为0.163g/(cm2·h),由于HA涂层的保护作用,使腐蚀速率减小。(2)电沉积HA涂层的最佳工艺参数是电压为5V,温度为50℃,时间为2h。电沉积后通过后碱热处理可获得厚度均匀,表面致密的HA涂层。(3)电化学腐蚀分析表明,在Hank’s中,无涂层Mg-4.0Zn-2.5Sr合金的腐蚀电位为-1.326V,腐蚀电流密度约为1.120×10-6A/cm2,而有HA涂层的Mg-4.0Zn-2.5Sr合金的腐蚀电位为-0.801V,腐蚀电流密度约为5.293×10-7A/cm2。由于HA涂层的保护,腐蚀电位正移约525mV,腐蚀电流降低0.591μA。HA涂层的存在使Mg-4.0Zn-2.5Sr合金的抗腐蚀性提高,与浸泡实验的结果保持了一致。(4)无涂层Mg-4.0Zn-2.5Sr合金的溶血率为4.75%,而有HA涂层的Mg-4.0Zn-2.5Sr合金溶血率为3.30%,,均小于5%。通过HA涂层能够降低合金的溶血率,使其具有更好的抗溶血性能。(5)无涂层Mg-4.0Zn-2.5Sr合金和有HA涂层Mg-4.0Zn-2.5Sr合金和的浸提液中细胞相对增殖率随着时间的延长均有增加的趋势,且两者均超过96%。HA涂层Mg-4.0Zn-2.5Sr合金相对增值率最大达到109%,无涂层最大达到105%,即通过HA涂层后细胞毒性由1级的轻微细胞毒性变为0级的无细胞毒性。通过培养后的细胞形貌观察,再次验证了HA涂层能够使合金的细胞毒性获得轻微降低。
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