AZ60镁合金表面转化膜的制备及生物性能研究

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镁是一种特殊的轻金属,其密度只有1.7g/cm3,它的比强度和比刚度要优于钢和铝。与传统医用植入材料不锈钢和钛合金相比,镁合金的弹性模量、屈服强度和断裂韧度与人体骨的力学性能相接近,能够避免应力遮挡效应。研究表明,人体骨组织中存在镁离子,所以镁在人体新陈代谢中发挥作用的同时还具有促进骨组织生长的作用,而传统的金属植入材料植入体内后,在磨损或腐蚀的过程中有可能会释放出有毒的金属离子或颗粒,易引起炎症和组织损伤,导致材料生物相容性的降低。当骨折痊愈后,镁合金能够在生物体内完全降解,可以避免因二次手术所带来的医疗风险。但是,镁合金在生理环境中容易很快被腐蚀,影响植入材料在骨折恢复期的力学性能,并且在腐蚀过程中产生的氢气,会导致人体皮下气泡的积累,阻挡体液与一些组织的接触,影响伤口的愈合。本文为了提高镁合金的耐腐蚀性能,选用从天然植物中提取的单宁酸和植酸作为主要成膜剂,在AZ60镁合金表面分别制备了单宁酸转化膜和植酸转化膜。通过SEM观察转化膜形貌和电化学测试方法确定了两种转化膜的最佳成膜工艺参数,利用EDS、XPS和FTIR测试方法研究了两种转化膜的膜层成分并分析了成膜过程,采用浸泡试验和体外生物实验研究了两种转化膜的生物性能。1、单宁酸转化膜的最佳成膜工艺参数为,转化液pH值为3.5,转化时间为10min和转化温度为20℃。植酸转化膜的最佳成膜工艺参数为,植酸处理液pH值为4、转化时间为20min、转化温度为20℃、植酸浓度为5g/L。2、XRD、EDS和FTIR分析结果显示,单宁酸转化膜的膜层成分为单宁酸-镁的络合物以及少量的MgF2,植酸转化膜的膜层成分为植酸镁、MgO、Mg(OH)2以及少量的Al2O3。3、在模拟体液中进行的电化学测试结果表明,单宁酸转化膜和植酸转化膜的腐蚀电流密度和腐蚀电位都要远远优于AZ60镁合金基体,腐蚀电流密度分别降低两个数量级和三个数量级,膜层电阻分别是基体的33倍和48倍。4、浸泡试验结果显示,两种转化膜在模拟体液中浸泡7天后,表面只是在局部发生腐蚀,腐蚀的位置覆盖了一层富含Ca、P等元素的腐蚀产物。析氢测试和pH值测试表明,在镁合金表面制备的两种转化膜,能够有效的控制试样在模拟体液中的析氢速度,减慢溶液pH值的变化速度以及缩小pH值的变化范围。5、镁合金表面制备的两种转化膜的体外生物实验结果显示,镁合金单宁酸转化膜细胞毒性等级为2级,具有轻微细胞毒性。镁合金植酸转化膜细胞毒性等级为1级,符合国家规定,无细胞毒性。通过倒置显微镜观察两种转化膜与L929小鼠成纤维共同培养72h后,细胞的生长的状态发现,在植酸转化膜表面生长的细胞与阴性对照组无显著差异。单宁酸转化膜上生长的细胞形态较差。
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