医用镁合金表面MOFs涂层制备与性能研究

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镁合金的弹性模量接近人体骨骼,是一种具有良好的机械强度、抗疲劳性能和生物相容性的可降解医用金属。将镁合金作为骨植入体,一方面可以有效地避免“应力屏蔽”现象,另一方面镁合金植入人体后可以安全降解,减少了手术给患者带来的痛苦和感染的风险。然而,镁合金在人体环境下的耐腐蚀性能比较差,在受损组织愈合前,可能已经失去了机械完整性,同时镁合金降解时会释放大量的氢气和造成植入体周围环境pH值急剧增长,这都可能引起人体的不良反应。因此,要促进镁合金在医用材料领域的应用,关键在于既要保持其优良的力学性能,又要提高它在人体环境中的耐蚀性。此外,良好的生物活性、生物活性等对于医用镁合金也是非常必要的。本次课题对AZ31B镁合金分别进行氟化处理和制备硅烷膜预处理后,通过溶剂热法在其表面制备了两种MOFs涂层。对涂层镁合金试样进行表征,并且测试其在SBF模拟体液环境下的耐腐蚀性和体外生物性能。主要研究成果如下:(1)在镁合金表面制备了Mg-MOF-74/MgF2涂层和Bio-MOF-1涂层,并采用XRD、SEM、FTIR、水接触角测量等方法对涂层进行表征。扫描电镜和X-射线衍射表征结果表明,这两种MOFs涂层在镁合金表面生长的均比较致密,并且在模拟体液中都表现出很好的稳定性。此外,表面润湿性结果显示,在生长Mg-MOF-74/MgF2涂层后,样品的水接触角减小,说明镁合金的表面亲水性得到极大地改善。(2)通过动电位极化曲线、交流阻抗谱、析氢实验、腐蚀失重试验和腐蚀溶液pH值分析等手段测试了涂层镁合金样品的耐腐蚀性。动电位极化曲线结果显示,在制备两种MOFs涂层后,镁合金的自腐蚀电位都有所升高,而腐蚀电流密度则表现出两个量级的降低,同时从交流阻抗谱的数据来看,等效电路的膜电阻、电荷转移电阻都明显变大。除此之外,体外降解实验结果表明,制备涂层后试样的氢气释放量,质量损失量以及腐蚀溶液的pH值变化量都发生了明显地降低。这些结果均说明在AZ31B镁合金基体表面制备MOFs涂层后,试样的耐蚀性显著提高。(3)通过SBF模拟体液浸泡实验、抗菌实验测试了涂层的体外生物性能。抗菌实验结果表明,Mg-MOF-74/MgF2涂层可以有效地杀死金黄色葡萄球菌,极大地提高了镁合金的抗菌效果;另外,在SBF模拟体液浸泡实验中Bio-MOF-1涂层表面生成了一层致密的晶体,通过对其表征确定了生成物为碳酸化羟基磷灰石,这说明涂层有着很好的生物活性。
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