介孔涂层包覆镁合金材料的制备、降解和生物性能的研究

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作为新一代可降解骨修复材料,镁合金具备良好的力学性能、生物相容性以及可降解特性,近年来引起了广泛关注和研究。但是,镁合金在生理体液环境中的初期腐蚀速度较快,限制了其临床应用。通过制备保护涂层,可以有效保护镁合金基体,控制其腐蚀行为。与传统涂层材料相比,介孔材料具备窄的孔径分布、大的比表面积以及良好的亲水性等特点,可以显著提高材料的生物性能。为此,在镁合金表面制备介孔涂层有望获得具有良好综合性能的骨修复材料。本文采用溶胶凝胶法结合浸渍提拉的工艺分别在载玻片和镁合金表面制备出介孔羟基磷灰石涂层以及添加45S5玻璃陶瓷的介孔羟基磷灰石/45S5玻璃陶瓷复合涂层,优化出结构均匀、无缺陷裂纹涂层的制备工艺。以CTAB或F127做为模板剂制备的介孔羟基磷灰石,可通过改变pH值或模板剂浓度调控其介孔结构;其中,使用0.192g/mL的F127模板剂制得了孔径、孔容和比表面积分别为3.17nm,0.38cc/g,211.7m2/g的介孔羟基磷灰石,并在镁合金表面制得了厚度约为1.0μm,结构均匀、无裂纹的介孔涂层。以模拟体液为腐蚀介质,研究了不同结构和组成的包覆涂层对材料降解行为的影响,并探索了介孔涂层抑制镁合金基体快速降解的作用机理。结果表明:介孔结构的存在可以降低涂层的弹性模量,减小残余应力对涂层失效的影响,避免介孔涂层在浸泡初期的开裂、剥落,延长涂层对镁合金基体的保护作用。介孔涂层包覆的镁合金,在浸泡10d后仅出现部分涂层的剥落,腐蚀速率为0.050mm/d,表现出较好的耐蚀性能。添加45S5玻璃陶瓷可以减小涂层和基体之间热膨胀系数的差异,降低复合涂层中的热应力。介孔复合涂层在浸泡10d后只开裂而未剥落,试样的腐蚀速率为0.012mm/d,进一步提高了对基体的保护。同时,研究了介孔涂层的结构对材料亲水性和生物性能的影响。引入介孔结构提高了羟基磷灰石涂层的比表面积和表面粗糙度,使涂层的水接触角从67.8°下降到30.1°。在体外细胞实验中,介孔涂层比表面积的增大和亲水性的改善促进了材料对培养基中蛋白质的吸附,有利于成骨细胞在涂层表面的黏附、伸展和增殖,以及骨相关蛋白的表达。在一定的培养周期后,介孔涂层试样的细胞密度和蛋白质浓度显著高于非介孔涂层试样(*p<0.05)。综上所述,介孔结构在延缓涂层的开裂、剥落的同时,提高了涂层的亲水性和细胞相容性,介孔涂层包覆的镁合金具有良好的耐蚀性能和生物性能,有望作为骨修复材料使用。
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