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医用镁及镁合金被称为第三代生物医用材料,其具有良好的生物安全性、力学相容性以及可降解吸收性等优点。由于其化学活性强、耐蚀性能差,在体液中可以发生降解,当植入到人体后能够在一定的周期内自发降解完全,不需要患者承受二次手术取出带来的痛楚和医疗成本。然而耐蚀性能较差导致降解速率过快也是限制其临床应用的一个比较严峻的问题,大量氢气析出、植入部位周围局部碱化导致碱中毒以及植入材料机械强度过早降低甚至丧失等问题随时可能导致植入手术失败、对患者身体产生新的危害等。基于上述问题,本文通过对纯镁进行微弧氧化表面改性处理成功地制备出含磷酸钙的生物活性涂层,在能控制纯镁腐蚀降解速率的同时还能改善其生物活性。然后对微弧氧化涂层进行后续封孔处理,以求进一步增强其耐蚀性和生物相容性。
首先在含有葡萄糖酸钙、三聚磷酸钠、氟化钠和氢氧化钠的碱性磷酸盐电解液中,在纯镁表面成功制备含磷酸钙的微弧氧化涂层,并系统研究电流密度对微弧氧化涂层的表面形貌、厚度、物相组成、化学成分和耐蚀性能的影响,并阐述了微弧氧化含磷酸钙涂层的形成机理。结果表明,随着电流密度的增大,涂层表面微孔径、粗糙度以及涂层厚度逐渐增加,在适当的中等电流密度(0.06A/cm2)下制备的微弧氧化涂层表面具有相对均匀致密的结构。不同电流密度下制备的微弧氧化涂层都主要由MgO、CaF2、Ca2P2O7、Ca3(PO4)2等物相组成,说明电流密度的变化不会改变涂层的化学元素、物相和官能团结构的组成。
不同电流密度下制备的微弧氧化涂层均能提升纯镁基体的耐蚀性能,且在电流密度为0.06A/cm2时制备的微弧氧化涂层保护效果最佳,其具有最低的腐蚀电流密度(6.05×10-7A/cm2)、最小的析氢速率(0.061mL·cm-2·day-1)和最大的阻抗模值,可归因于其内部致密阻挡层和相对均匀致密的内部结构。在模拟人体体液(SBF)溶液中浸泡两周后涂层开始降解,随着浸泡时间的延长,试样表面含磷酸钙盐的沉积物含量逐渐增多,这是一个涂层不断溶解而Ca和P元素在不断沉积的动态平衡过程。同时在整个28天的浸泡周期内,微弧氧化涂层试样的失重率以及浸泡液的pH值和Mg2+浓度值均比纯镁试样的要低,但试样表面的Ca和P含量比纯镁高,表明微弧氧化含磷酸钙涂层不仅能控制纯镁的腐蚀降解速率还能提升其生物活性。
微弧氧化涂层表面微孔的存在使腐蚀介质易于渗透并破坏内部致密层和基体,因而选用三种不同浓度的聚乳酸对单一的多孔微弧氧化涂层进行封孔处理。结果表明微孔被聚乳酸完全密封起来,涂层的粗糙度和耐蚀性均有所增加,其中浓度为6%的微弧氧化/聚乳酸复合涂层具有最佳耐蚀性,与纯镁基体试样相比,其腐蚀电流密度(9.90×10-8A/cm2)降低了近四个数量级,同时比微弧氧化涂层的低了一个数量级。
首先在含有葡萄糖酸钙、三聚磷酸钠、氟化钠和氢氧化钠的碱性磷酸盐电解液中,在纯镁表面成功制备含磷酸钙的微弧氧化涂层,并系统研究电流密度对微弧氧化涂层的表面形貌、厚度、物相组成、化学成分和耐蚀性能的影响,并阐述了微弧氧化含磷酸钙涂层的形成机理。结果表明,随着电流密度的增大,涂层表面微孔径、粗糙度以及涂层厚度逐渐增加,在适当的中等电流密度(0.06A/cm2)下制备的微弧氧化涂层表面具有相对均匀致密的结构。不同电流密度下制备的微弧氧化涂层都主要由MgO、CaF2、Ca2P2O7、Ca3(PO4)2等物相组成,说明电流密度的变化不会改变涂层的化学元素、物相和官能团结构的组成。
不同电流密度下制备的微弧氧化涂层均能提升纯镁基体的耐蚀性能,且在电流密度为0.06A/cm2时制备的微弧氧化涂层保护效果最佳,其具有最低的腐蚀电流密度(6.05×10-7A/cm2)、最小的析氢速率(0.061mL·cm-2·day-1)和最大的阻抗模值,可归因于其内部致密阻挡层和相对均匀致密的内部结构。在模拟人体体液(SBF)溶液中浸泡两周后涂层开始降解,随着浸泡时间的延长,试样表面含磷酸钙盐的沉积物含量逐渐增多,这是一个涂层不断溶解而Ca和P元素在不断沉积的动态平衡过程。同时在整个28天的浸泡周期内,微弧氧化涂层试样的失重率以及浸泡液的pH值和Mg2+浓度值均比纯镁试样的要低,但试样表面的Ca和P含量比纯镁高,表明微弧氧化含磷酸钙涂层不仅能控制纯镁的腐蚀降解速率还能提升其生物活性。
微弧氧化涂层表面微孔的存在使腐蚀介质易于渗透并破坏内部致密层和基体,因而选用三种不同浓度的聚乳酸对单一的多孔微弧氧化涂层进行封孔处理。结果表明微孔被聚乳酸完全密封起来,涂层的粗糙度和耐蚀性均有所增加,其中浓度为6%的微弧氧化/聚乳酸复合涂层具有最佳耐蚀性,与纯镁基体试样相比,其腐蚀电流密度(9.90×10-8A/cm2)降低了近四个数量级,同时比微弧氧化涂层的低了一个数量级。