钙磷涂层镁合金支架的抗腐蚀性及生物相容性

0 引言 Introduction

镁合金在骨替代和骨移植生物医用材料领域具有非常大的潜力，多年来一直被认为是未来骨科可应用的可降解金属材料[1-10]。截止到现在，存在着各种各样的镁合金，比如Mg-Zn[4]、Mg-Zn-Ca[7]、AZ31[11]、AZ91[11]、WE43[11]、WE54[12]、Mg-Y-Zn[13]，以及Mg-Ca和Mg-Nd-Zn-Zr[14-18]，都是比较有前途的骨科植入材料。研究证实，镁合金具有可降解性、良好的生物相容性及力学性能，可促进骨细胞生长，诱导成骨细胞和骨细胞的产生[19-21]。然而，在生理环境下，由于镁合金的腐蚀速率很快，会产生很多的气体，引起机械强度的快速下降，使得镁合金在临床应用过程中有很大障碍[3，5，19-20，22-23]。因此，如果要使镁合金在骨科临床应用，它的腐蚀速度必须得到有效控制，使其保持机械完整性，直到损伤组织痊愈。此次研究选用综合性能较好的AZ31镁合金，因AZ31镁合金具有良好的强度和韧性，相比其他镁合金有较强的耐腐蚀性。为了进一步提高AZ31镁合金支架的耐腐蚀性能及生物相容性，采用化学沉积法在AZ31镁合金支架表面制备钙磷涂层，主要研究钙磷涂层的特征及钙磷涂层对AZ31镁合金支架腐蚀行为和生物相容性的影响，确定钙磷涂层控制AZ31镁合金支架腐蚀速率及改善其表面生物相容性的可行性。

1 材料和方法 Materials and methods

1.1 设计 体外细胞实验。

1.2 时间及地点 实验于2015年7月至2017年8月在兰州大学第一临床医学院完成。

1.3 材料 AZ31镁合金是由中国科学院金属研究所提供，其中Al、Zn、Mn、Si、Ni、Cu、Fe的质量分数分别为1.92%，0.74%，0.35%，0.026%，0.003%，0.002 8%，<0.003%；MC3T3-E1细胞由中国科学院提供；DMSO(上海金山化工厂)；吖啶橙(西格玛，美国)；荧光显微镜(Olympus，IX71；日本)；自动血液分析仪(Sysmex，xt-1800i)；扫描电子显微镜(日立，S-4800，日本)。

实验动物：健康新西兰大白兔，体质量(2.)kg，由上海Jiesijie动物股份有限公司提供，许可证号：SCXK(沪)2010-0026。

1.4 实验方法

1.4.1 样品制备 将AZ31镁合金加工成5 mm×5 mm×5 mm直径的多孔支架结构，表面经过抛光处理，用无水乙醇进行10 min的超声清洗，然后在室温下进行干燥处理。进行实验前使用环氧乙烷消毒处理。

1.4.2 钙磷涂层制备 采用化学沉积法进行AZ31表面钙磷涂层制备。试样首先在室温下浸于40%氢氟酸，然后在去离子水中清洗，样本在20℃混合溶液(含55.5 g/L NaNO3、99.7 g/L Ca(H2PO4)2·H2O、体积分数18.51%的30%H2O2)中浸泡24 h，获得样品表面钙磷涂层。

1.4.3 涂层特征检测 利用扫描电子显微镜观察钙磷涂层AZ31镁合金支架的表面形貌。利用能谱分析测定钙磷涂层的化学成分。

1.4.4 静态浸泡实验 采用静态浸泡试验评价钙磷涂层AZ31镁合金的体外腐蚀性能[24]。将钙磷涂层与无涂层AZ31镁合金支架分别浸泡于DMEM细胞培养液中，温度设置为(37.)℃，静态浸泡第10，20，30天后从模拟体液中取出试样，先用去离子水冲洗，再使用乙醇清洗，然后放在室温下干燥。借助于扫描电镜观察试样表面形貌，用200 g/L铬酸清洗去除试样表面沉积的腐蚀产物，按照下面公式计算出腐蚀速率，腐蚀速率=K×W/(A×T×D)。其中，系数K=8.76×104，W指的是失重(g)，A指的是试样与溶液接触的表面积(cm2)，T指的是浸泡时间(h)，D指的是密度(g/cm3)。

表2 不同浓度钙磷涂层AZ31镁合金支架浸提液中MC3T3-E1细胞的吸光度和细胞相对生长率 (n=6)Table 2 Absorbance values and relative cell growth rates of MC3T3-E1 cells cultured in the extracts of AZ31 magnesium alloy scaffolds with 100%,75%,50%and 25%calcium phosphate coatings表注：与同组1 d比较，aP<0.05。组别 1 d 3 d 5 d吸光度(±s) 细胞相对生长率(%) 吸光度(±s) 细胞相对生长率(%) 吸光度(±s) 细胞相对生长率(%)阴性对照组 0. 100.0 0. 100.0 0. 100.0 25%浓度浸提液组 0. 86.5 0. 110.3 0. 117.0 50%浓度浸提液组 0. 86.5 0. 109.3 0. 106.3 75%浓度浸提液组 0. 85.9 0. 103.8 0. 103.2 100%浓度浸提液组 0. 87.1 0. 102.9 0. 109.2

图1 钙磷涂层AZ31镁合金支架的扫描电镜和能谱分析结果Figure 1 Scanning electron microscope and energy spectrum analysis results of AZ31 magnesium alloy scaffolds with calcium phosphate coatings图注：图中A为钙磷涂层AZ31镁合金支架的扫描电镜表面形貌，支架表面为一层灰白色的颗粒状物；B为钙磷涂层AZ31镁合金支架的能谱分析结果，钙磷涂层主要由钙、磷、氧和碳组成。

图2 在DMEM细胞培养液中浸泡30 d后钙磷涂层和无涂层AZ31镁合金支架的体外腐蚀形貌(扫描电镜)Figure 2 The in vitro corrosion morphology of AZ31 magnesium alloy scaffolds with or without calcium phosphate coatings at 30 days after immersion in DMEM medium under scanning electron microscope图注：图中A为钙磷涂层AZ31镁合金支架，B为无涂层AZ31镁合金支架，两种支架表面粗糙，有一层灰白色的腐蚀产物；C为去除腐蚀产物后的钙磷涂层AZ31镁合金支架，D为去除腐蚀产物后的无涂层AZ31镁合金支架，与无涂层AZ31镁合金支架对比，钙磷涂层AZ31镁合金支架表面的腐蚀孔小，表面分布更加均匀。

文章来源：《中国腐蚀与防护学报》 网址: http://www.zgfsyfhxb.cn/qikandaodu/2021/0313/622.html