可降解镁合金表面多功能复合涂层的制备及性能研究

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与传统的永久性金属植入材料(如不锈钢、钴铬合金和钛合金)相比,镁及其合金具有良好的机械性能、可降解性以及一定的生物相容性。然而,镁合金在人体内环境中的降解速率过快且无法预测,导致植入体在骨组织充分愈合之前过早地失去机械完整性。另外,镁合金降解过程中产生的氢气泡将会引起组织和植入物界面之间的分离,延缓骨组织的修复。因此,增强镁及其合金的耐腐蚀性能是实现其临床应用的关键。表面改性是提高镁合金耐腐蚀性能最常用的方法,其不但可以保持镁合金良好的机械性能,还可以赋予镁合金一定的生物功能,如生物相容性、血液相容性以及抑菌性。本文通过化学转化法、溶胶凝胶法、浸渍提拉法以及循环伏安法在镁合金表面制备了多种多功能复合涂层。并且通过体外降解实验、生物相容性实验以及抑菌性实验等对复合涂层的性能进行了系统的研究。本文的主要研究内容如下:(1)采用化学转化法和溶胶凝胶法在镁合金表面制备了由羟基磷灰石(HA,Ca10(PO46(OH)2)和二氧化钛(TiO2)组成的多功能复合涂层。TiO2溶胶凝胶涂层作为密封层可以填补HA涂层表面以及内部的裂纹和孔洞,从而提高涂层的耐腐蚀性能。通过改变TiO2溶胶凝胶的涂层数,达到最佳的封孔效果。HA/TiO2复合涂层表面微观形貌以及电化学测试结果表明,当TiO2溶胶凝胶涂层数为15层时,所获得的复合涂层具有最佳的封孔效果和耐腐蚀性能。同时,该复合涂层保持了HA涂层的顶部片状结构,为细胞的生长和粘附提供了结合点,明显改善了镁合金的生物相容性。体外抑菌性实验结果表明HA/TiO2复合涂层对浮游的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达到99.5±0.3%和99.8±0.2%。(2)采用化学转化法和浸渍提拉法在镁合金表面制备了由磷酸钙(CaP)和胶原蛋白(Collagen,Col)组成的多功能复合涂层。对CaP/Col复合涂层的表面形貌,化学成分和耐腐蚀性能进行了系统的研究。结果表明,胶原蛋白涂层有效地密封了CaP涂层表面的缺陷,显著提高了镁合金的耐腐蚀性能和体外生物矿化性能。此外,CaP/Col复合涂层具有与天然骨骼相似的化学成分,为细胞的生长和粘附提供了更有利的界面。体外生物相容性研究表明,复合涂层显著促进了细胞的附着,增殖和分化。(3)采用两步化学转化法在镁合金表面制备了由聚多巴胺(Polydopamine,PDA)、透钙磷灰石(DCPD,CaHPO4·2H2O)和胶原蛋白组成的多功能复合涂层。研究分析了涂层的表面形貌、化学成分、涂层厚度、耐腐蚀性能和细胞相容性。实验结果表明PDA/DCPD/Col涂层显著提高了镁合金的耐腐蚀性能和体外生物矿化性能。此外,PDA/DCPD/Col涂层由于与天然骨的化学成分相似,且涂层表面具有由纤维状的DCPD和胶原蛋白组成的网状结构,这为细胞的生长和附着提供了更有利的界面和微环境。与镁合金和PDA/DCPD涂层相比,PDA/DCPD/Col涂层具有良好的细胞相容性。(4)采用循环伏安法在镁合金表面制备了由聚吡咯(Polypyrrole,Ppy)和纳米氧化锌(ZnO)组成的多功能复合涂层。纳米ZnO粒子可以掺杂到聚吡咯涂层结构的缺陷中,延长涂层的使用寿命。电化学和浸泡实验表明,Ppy/ZnO复合涂层显著提高了镁合金的耐腐蚀性能。体外生物相容性实验结果表明Ppy/ZnO复合涂层明显促进了细胞的粘附和增殖。另外,体外抑菌性实验表明Ppy/ZnO涂层可以有效地抑制大肠杆菌的粘附以及生长,且对培养基中浮游的大肠杆菌的抑菌率达到96.5±2.6%。
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