钙磷生物玻璃陶瓷涂层包覆镁合金的制备及性能研究

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镁及镁合金具有良好的力学相容性、生物相容性、生物降解性以及骨诱导能力,有望成为新一代可降解骨植入材料。然而,镁合金在含有Cl-的环境中降解速率过快,短时间内材料的力学性能大幅下降,不能起到支撑作用;同时降解产生大量氢气造成皮下气肿,使其临床应用受到很大限制。因此,研发具有可控降解能力的镁合金材料具有重要的意义,而表面涂层技术是目前提高镁合金耐蚀性的一种有效手段。本文采用溶胶-凝胶结合浸渍提拉技术,在AZ31镁合金基体表面制备了CaO-P2O5-Na2O-ZnO生物玻璃陶瓷涂层,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)研究了不同工艺参数对涂层表面形貌及组成的影响,优化了制备工艺;通过电化学测试和体外降解实验研究了材料的耐腐蚀性能及磷灰石形成能力。实验结果表明,在合适的溶胶浓度及干燥条件下,可以制备出厚度为~1.00μm,且表面致密、均匀、无裂纹的CaO-P2O5-Na2O-ZnO生物玻璃陶瓷涂层。热处理温度对涂层的组成及性质有很大影响,在400°C~500°C,随热处理温度的升高涂层中无定形相逐渐减少,有Ca2P2O7和Ca4P6O19晶相析出,且温度越高晶相含量越多。电化学测试表明玻璃陶瓷涂层提高了镁合金基体的自腐蚀电位和抗腐蚀电阻,降低了腐蚀电流密度,提高了材料的耐蚀性能;浸泡实验结果也表明涂层有效降低了基体在浸泡初期的腐蚀速度。相比之下400°C处理的玻璃涂层内部应力最低,裂纹形成的过程较为缓慢,在7天的浸泡实验中浸泡液pH值变化最小,试样腐蚀速度最低,浸泡后试样表面有高钙磷比沉积物形成,表明材料具有较好的生物活性。为了进一步延长涂层对镁合金的保护时间,在镁合金表面制备了CaO-P2O5-Na2O-ZnO生物玻璃/氟转化膜复合涂层。一方面,通过化学转化法在镁合金表面制备与基体结合良好的氟转化膜中间层,可以起到一定的保护效果。另一方面,中间过渡层的存在还可以有效提高后续溶胶凝胶涂层的附着力,进一步提高涂层对基体的保护效果。电化学及体外浸泡实验结果表明,与单一CaO-P2O5-Na2O-ZnO生物玻璃涂层相比,增加了氟转化膜的复合涂层的耐蚀性显著增强,经过18天的浸泡仍能对基体起到很好的保护作用。此外,成骨细胞蛋白质表达测试结果表明,复合涂层包覆镁合金试样具有良好的生物活性。
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