镁合金表面钙磷/氧化石墨烯复合涂层的制备及性能研究

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作为轻质结构材料,镁合金密度小,比强度高,可加工性好,广泛应用于汽车、化工、军工以及电子等领域中。同时,镁元素是人体必需的元素,具有良好的生物可降解性以及相容性,因此,镁合金在生物医用领域有巨大的发展潜力。相对于传统的钛合金等医用金属来说,镁合金降解后对人体无害,并且可以避免二次手术的麻烦。然而,镁合金的耐腐蚀性较差,往往导致其在受伤组织还未完全愈合前就失效,这极大地限制了镁合金的临床应用。因此,如何提高镁合金的耐蚀性成为其突破限制、扩宽应用的关键问题。钙系磷化物(CaP)与人体骨主要的无机成分高度相似,具有良好的生物相容性以及骨诱导作用,是骨科植入镁合金表面常用涂层之一。但是CaP涂层表面存在大量孔洞,对镁合金耐蚀性的提升有限,因此可以将其与其他材料复合,进一步提升基体耐蚀性。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的氧化物,表面有大量的氧化官能团,具有优异的物化性能以及不渗透性,可以阻挡腐蚀液的渗透,并且生物相容性良好。鉴于GO的以上特性,可将其用作生物医用涂层材料与CaP复合,进一步提升镁合金的耐蚀性及生物相容性。综上所述,本文以AZ60镁合金为基体,采用不同的方法将CaP涂层与GO复合,制备CaP/GO复合涂层,并通过SEM、XRD、FT-IR、XPS、电化学测试、浸泡测试以及体外细胞实验等对复合涂层的结构、性能以及防护机理进行了系统的探究。本文使用的复合方式以及实验主要研究内容如下:(1)通过在仿生液中掺入GO将其与仿生沉积CaP涂层复合。首先对镁合金进行碱预处理,然后在其表面仿生沉积CaP涂层,同时在沉积液中加入一定量的GO,制备CaP/GO复合涂层。GO的复合可加速沉积过程,减少CaP涂层缺陷。实验结果表明,CaP/GO复合涂层的耐蚀性显著提高,腐蚀电流密度仅为2.9×10-7A/cm~2,相比镁合金下降了两个数量级,腐蚀电位正移,浸泡实验中产生的总析氢量明显降低,说明其耐蚀性显著提高。同时,细胞实验结果表明,CaP/GO复合涂层样品的生物相容性明显改善,细胞存活率显著提高,且细胞附着形貌良好。此外,浸泡7天后样品的SEM图像显示涂层出现了明显的矿化,说明CaP/GO复合涂层具有很好的生物矿化能力。(2)通过在涂层表面旋涂GO将其与仿生沉积CaP涂层复合。首先在镁合金表面制备一层聚多巴胺(PDA)预处理层,然后在其表面仿生沉积CaP涂层,最后旋涂GO,制备PDA/CaP/GO复合涂层。GO作为封孔层,可减少CaP层表面缺陷,进一步改善其耐蚀性及生物相容性。此外,在旋涂GO时,本实验采用了乙醇和水两种不同的分散剂,探究了分散剂对涂层性能的影响。实验结果表明,以水为分散剂的复合涂层性能提升更为显著,其腐蚀电流密度相比镁合金下降了近两个数量级,仅为3.2×10-7A/cm~2,浸泡实验的总析氢量仅为0.105 m L,耐蚀性改善明显。并且,复合涂层表面为细胞生长提供了更有利的条件,体外细胞实验表明,复合涂层促进了细胞的增殖和附着。
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