冀盛亞,常 成,常帥兵,倪艷榮,王 雷

(1.河南工學(xué)院 電纜工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南工學(xué)院 車輛與交通工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;3.河南工學(xué)院 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

作為人體所必須的營養(yǎng)元素,鎂不但參與600多種酶的合成,而且可以改善人體中胰島素的穩(wěn)定性,促進(jìn)糖類正常代謝,降低冠心病及高血壓的患病機(jī)率[1]。憑借著良好的生物安全性(植入醫(yī)用鎂合金后的人體沒有出現(xiàn)明顯的過敏、炎癥和排斥反應(yīng),無生物毒性)、生物相容性(醫(yī)用鎂合金的屈服強(qiáng)度、彈性模量與自然骨最為接近,能有效避免“應(yīng)力屏蔽效應(yīng)”的發(fā)生)[2]及可貴的自降解性能[1],醫(yī)用鎂合金有望在骨植入、心血管支架等領(lǐng)域成為傳統(tǒng)惰性金屬植入材料(不可降解的鈷鉻鉬合金、鈦合金、不銹鋼材料、鎳鈦合金)的最佳替代者。作為心血管支架,可以有效改善心肌供血。作為骨植入材料不但可以有效治愈骨組織損(創(chuàng))傷,減輕患者病痛,而且可以提高患者的生活品質(zhì)。

近年來,隨著醫(yī)療技術(shù)的成熟及多年的市場培育,骨組織損(創(chuàng))傷患者對(duì)醫(yī)用骨植入材料的心理接受度不斷提高。中商產(chǎn)業(yè)研究院公布的數(shù)據(jù)顯示[3],2016～2020年我國骨植入材料應(yīng)用年均復(fù)合增長率為17.7%(從191億元增長至367億元)。在可預(yù)見的未來,中國對(duì)高端醫(yī)用骨植入材料的需求仍將持續(xù)增長。

然而,過高的降解速率嚴(yán)重降低了醫(yī)用鎂合金在人體中的有效服役期限(在37℃模擬體液中的有效服役期為3～6個(gè)月或降解速率≤0.5 mm/年)[4-5],短期內(nèi)加速釋放的過量H2(鎂的降解析氫反應(yīng))形成的皮下氣囊不但會(huì)引發(fā)局部炎癥,也阻滯了植入體上細(xì)胞的增殖與粘附,成為制約醫(yī)用鎂合金臨床應(yīng)用的瓶頸因素。

表面改性處理簡單、經(jīng)濟(jì),已成為當(dāng)前調(diào)控醫(yī)用鎂合金降解速率、限制析氫數(shù)量的有效手段,不但能夠在醫(yī)用鎂合金植入人體的早期有效減緩其降解速率,從而避免了合金元素的大量溶出及堿性環(huán)境對(duì)植入體周圍細(xì)胞、組織的毒副作用,同時(shí),也為植入部位提供了足夠的力學(xué)支撐,促進(jìn)患處組織修復(fù)和功能重建。

相對(duì)于表面結(jié)構(gòu)改性(離子注入法[6-8]、強(qiáng)流脈沖電子束(HCPEB)表面改性[9-12])、表面涂覆或沉積轉(zhuǎn)化涂層(陽極氧化涂層[13]、微弧氧化涂層[14-17]、生物陶瓷活性涂層[18-20]、可降解高分子聚合物涂層[21-23]、溶膠凝膠涂層[24])等表面改性技術(shù),氟化物涂層制備工藝簡單、成本低廉、涂層與醫(yī)用鎂合金基體結(jié)合緊密(氫氟酸(HF)與合金表發(fā)生化學(xué)反應(yīng))、耐蝕性好(涂層結(jié)構(gòu)致密),贏得國內(nèi)外眾多學(xué)者的青睞和重視。

1 醫(yī)用鎂合金氟化物涂層的組織及性能特征

氟化處理是將醫(yī)用鎂合金浸沒在HF溶液中,在試樣表面生成MgF2涂層(見圖1)的一種表面改性工藝[25]。由于MgF2涂層結(jié)構(gòu)致密,不但有效地阻滯了Cl-向基體的滲入,而且成為基體(α-Mg)與金屬間化合物(第二相)之間的屏障,減弱了醫(yī)用鎂合金的微電偶腐蝕效應(yīng),有效降低了合金降解速率[26-27]。氟化處理后鎂及鎂合金在不同腐蝕介質(zhì)中的性能分析見表1,由表1可知,氟化處理可明顯改善鎂及鎂合金的耐蝕性能。

表1 純鎂及鎂合金氟化處理后在不同腐蝕介質(zhì)中性能分析[25]

圖1 純鎂氟化處理后:(a)SEM照片; (b)EDS分析; (c)XRD分析[25]

作為人體所必須的微量元素,氟不僅存在于脾、腎等人體器官中,也存在于牙齒、骨骼等人體組織中。適量的氟不但可以改善人體內(nèi)分泌系統(tǒng),還有助于骨鈣的沉積,促進(jìn)成骨[28-29]。YAN[30]研究發(fā)現(xiàn),MgF2涂層具有良好的生物安全性(對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMMSCs)無毒性)。將氟化處理過的醫(yī)用鎂合金試樣浸沒于仿生血漿中,試樣表面會(huì)生成羥基磷灰石,讓MgF2涂層展現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性。LALK M等[31]將醫(yī)用鎂合金(AX30)植入白兔股骨中,發(fā)現(xiàn)制備有MgF2涂層的鎂合金更易整合到骨骼中,具有更好的生物相容性。YU等[32]研究發(fā)現(xiàn),MgF2涂層不但增強(qiáng)了鎂合金(AZ31)支架的耐蝕性,而且有利于大鼠骨髓基質(zhì)細(xì)胞(rBMSCs)的附著、增殖及成骨化。毛琳等[33]研究發(fā)現(xiàn)鎂合金(JDBM)表面的納米(200～300nm)MgF2涂層可以將合金的腐蝕速率降低20%,納米級(jí)鱗片狀的MgF2涂層也促進(jìn)了內(nèi)皮細(xì)胞的粘附與增殖,有利于提高血管支架材料的組織相容性。

資料顯示[34-35],氟化處理對(duì)鎂合金降解速率的阻滯效應(yīng)取決于氟化物涂層的厚度,涂層越厚,阻滯效應(yīng)越明顯。表2是HF濃度及浸沒時(shí)間對(duì)鎂合金(AZ31)耐蝕性能的影響,由表2可知,制備時(shí)間的延長、制備濃度的提高均有利于提高涂層厚度(對(duì)比圖2(b)(d)～(f))及耐蝕性能。BARAJASA J D等[35]發(fā)現(xiàn),鎂合金表面氟化物涂層的厚度隨制備時(shí)間的延長呈拋物線型增長,但過長的制備時(shí)間(10 vol% HF,制備時(shí)間≥72h) 會(huì)導(dǎo)致涂層表面出現(xiàn)貫穿涂層的微裂紋(如圖2(e)(f)),這些微裂紋加劇了合金的點(diǎn)蝕,同時(shí),點(diǎn)蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物又導(dǎo)致氟化物涂層從基體上剝落。同時(shí),BARAJASA J D等[35]認(rèn)為,經(jīng)HF酸處理后,鎂合金(AZ31)表面生成的涂層成分主要由O和F兩種元素組成,兩元素在整個(gè)涂層上分布均勻,涂層成分的化學(xué)式為Mg(OH)2-xFx。

表2 HF濃度及浸沒時(shí)間對(duì)鎂合金(AZ31)耐蝕性能的影響[35]

圖2 鎂合金(AZ31)試樣在不同濃度HF酸處理后的掃描電鏡圖片及EDX分析:(a)4 vol% HF, 24h; (b)4 vol% HF處理24h后的試樣縱剖面; (c)10 vol% HF, 24h; (d)10 vol% HF處理24h后的試樣縱剖面; (e)10 vol% HF處理72h后的試樣縱剖面; (f)10 vol% HF處理168h后的試樣縱剖面; (g)10 vol% HF處理168h后的試樣縱剖面; (h)10 vol% HF處理168h后的試樣縱剖EDX分析[35]

張春艷等[36]發(fā)現(xiàn),在Hank’s仿生液中,氟化物涂層對(duì)醫(yī)用鎂合金耐蝕保護(hù)隨浸沒時(shí)間的延長而降低,貫穿涂層內(nèi)部的微孔導(dǎo)致合金表面易發(fā)生點(diǎn)蝕。浸沒第15min,合金表面即發(fā)生小孔侵蝕;浸沒的第7d,小孔表面區(qū)域的涂層發(fā)生穿透溶解;浸沒第15d,小孔周邊發(fā)生明顯的點(diǎn)蝕,鎂合金腐蝕加速。

可見,單一氟化物涂層雖然能明顯延緩醫(yī)用鎂合金的降解速率,但氟化物涂層較薄的厚度、涂層微孔的不可避免決定了單一涂層有效保護(hù)時(shí)間的短暫性,而氟化物涂層成分的單一性也決定了涂層功能的單調(diào)性?；诜锿繉雍唵?、低廉、與基體結(jié)合緊密的特性,在醫(yī)用鎂合金耐蝕保護(hù)領(lǐng)域,氟化物涂層往往是作為基底涂層(復(fù)合涂層的預(yù)處理層),通過良好結(jié)合強(qiáng)度與生物活性、功能多樣化的統(tǒng)一,來實(shí)現(xiàn)醫(yī)用鎂合金保護(hù)效果的有效性[36-37]。

2 醫(yī)用鎂合金MgF2復(fù)合涂層的研究與發(fā)展

2.1 MgF2/無機(jī)復(fù)合涂層

人體結(jié)構(gòu)的多層次多功能的復(fù)雜體系決定了不同臨床應(yīng)用植入鎂合金表面改性需求的差異性,鎂合金血管支架側(cè)重于抗菌消炎性、抗血栓性、載藥緩釋性及促內(nèi)皮化。而作為骨植入材料,在鎂合金表面構(gòu)建的表面涂層則需要良好的生物相容性,生物降解性、誘導(dǎo)再生性。在現(xiàn)有表面改性材料中,鈣鹽類無機(jī)陶瓷材料(CaF2、CaP、羥基磷灰石(HA)、磷酸三鈣(EP)、酸式磷酸鈣(DCPD))與骨骼的主要無機(jī)成分(生物磷灰石(CaP))相同或性能最為接近,憑借優(yōu)異的耐蝕性能、生物相容性、生物誘導(dǎo)性,鈣鹽類生物陶瓷成為骨植入鎂合金表面涂層的主流研究材料之一[29,38]。

2.1.1 MgF2/鈣復(fù)合涂層

張世雨等[39]將鎂合金(AZ31)浸沒于室溫下40%的HF溶液中7d,然后將氟化處理后的合金浸沒于澄清后的Ca(OH)2溶液中24h,在鎂合金表面制備了MgF2/CaF2復(fù)合涂層。Hank’s溶液中的電化學(xué)測(cè)試顯示,相對(duì)于單一MgF2涂層,復(fù)合涂層顯著提升了鎂合金的耐蝕性能。這主要是由于鎂合金與HF反應(yīng)的釋H2效應(yīng)造成MgF2涂層上少數(shù)微孔的不可避免(如圖3(a)),而CaF2涂層及其上的微納米片狀結(jié)構(gòu)(如圖3(b))對(duì)MgF2涂層有很好的封孔效應(yīng)(如圖3(c)),這有效避免了單一MgF2涂層早期發(fā)生的點(diǎn)蝕。Hank’s模擬體液的13d浸泡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),表層CaF2涂層雖然降解緩慢,但會(huì)發(fā)生局部脫落,故增強(qiáng)涂層間的結(jié)合力成為提高M(jìn)gF2/CaF2復(fù)合涂層耐蝕性能的關(guān)鍵因素。

圖3 鎂合金(AZ31)經(jīng)氟處理及氟-鈣處理后表面SEM照片及XRD分析:(a)40 vol% HF, 7d; (b)40 vol% HF, 7d+Ca(OH)2, 24h; (c)40 vol% HF, 7d+Ca(OH)2, 24h后合金縱剖面; (d)縱剖面XRD[39]

SU等[40]通過兩步法(HF浸沒+磷化法沉積CaP)在鎂合金(AZ60)表面制備了MgF2/CaP復(fù)合涂層,相對(duì)與單一MgF2涂層或CaP涂層,MgF2/CaP復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)更致密,表面更光潔。模擬體液中的電化學(xué)檢測(cè)顯示,MgF2/CaP復(fù)合涂層的極化電阻是單一CaP涂層的27倍。同時(shí),基于MgF2涂層良好的生物相容性,MgF2/CaP復(fù)合涂層更有利于細(xì)胞的粘附和生長。REN等[41]在HF預(yù)處理后的鎂合金(AZ31)表面通過溶膠-凝膠浸涂法制備了MgF2/CaP復(fù)合涂層,該復(fù)合涂層組織均勻,表面光滑,與鎂基體結(jié)合緊密。模擬體液(SBF)中的電化學(xué)檢測(cè)顯示,MgF2/CaP復(fù)合涂層不但提高了合金的腐蝕電位和電荷轉(zhuǎn)移阻抗,而且顯著降低了合金的腐蝕電流密度,隨后的18d模擬體液(SBF)降解實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步印證了制備有MgF2/CaP復(fù)合涂層的鎂合金具有更好的耐蝕性。

然而,無論是微納米片狀結(jié)構(gòu)CaF2涂層,還是CaP涂層,其表面大量的微小縫隙和孔洞為腐蝕介質(zhì)進(jìn)入鎂合金基體提供了可能的通道,這嚴(yán)重削弱了復(fù)合涂層的耐蝕性能。將CaF2(CaP)涂層與其他表面致密的涂層復(fù)合,成為克服這一缺陷的有效途徑之一。當(dāng)前,已有相關(guān)學(xué)者選取聚乳酸(PLA)、TiO2作為封孔材料,通過制備CaP/PLA復(fù)合涂層、CaP/TiO2復(fù)合涂層來提高CaP涂層的耐蝕性能[42]。

2.1.2 MgF2/羥基磷灰石(HA) 復(fù)合涂層

羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,HA)是一種易溶于酸、難溶于堿、微溶于水的具有高結(jié)晶度的磷酸鈣鹽,作為一種公認(rèn)的骨植入表面改性適配材料,HA不但具有良好的生物相容性(人體骨骼的主要無機(jī)成分),而且具有良好的成骨誘導(dǎo)性能,這主要?dú)w功于HA疏松多孔的晶體結(jié)構(gòu)增大了與骨細(xì)胞的接觸面,便于PO43-、Ca2+離子的沉積[43],同時(shí)HA還可以通過與人體組織形成化學(xué)鍵合來促進(jìn)骨細(xì)胞的粘附與生長[44]。

張春艷等[45]將HF處理后的鎂合金(AZ31)(圖4(a))浸沒在Ca(OH)2溶液中24h,生成納米針狀CaF2(圖4(b)),然后以處理后的試樣為陰極、不銹鋼為陽極進(jìn)行電化學(xué)沉積,在鎂合金表面制備了MgF2/CaF2/HA復(fù)合涂層(圖4(c))。研究表明,在電化學(xué)沉積過程中,MgF2涂層并未溶解,仍作為中間層存在,CaF2/HA涂層對(duì)MgF2涂層有良好的封孔效應(yīng)(圖4(c)(d))。Hank’s仿生液中的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí),MgF2/CaF2/HA復(fù)合涂層的阻抗值隨浸沒時(shí)間的延長而降低,在12d的浸沒實(shí)驗(yàn)中,涂層未發(fā)生明顯的脫落與溶解,表現(xiàn)出良好的結(jié)合強(qiáng)度。制備有MgF2/CaF2/HA復(fù)合涂層的鎂合金的腐蝕形式以點(diǎn)蝕為主(Hank’s仿生液滲透至基體)。

圖4 鎂合金(AZ31)經(jīng)化學(xué)及電化學(xué)沉積后表面SEM照片及XRD分析:(a)40 vol% HF, 7d; (b)40 vol% HF, 7d+Ca(OH)2, 24h; (c)40 vol% HF, 7d+Ca(OH)2, 24h+電化學(xué)沉積, 2h; (d)電化學(xué)沉積后縱剖面; (e)試樣XRD[45]

著眼于先進(jìn)生物材料的仿生策略設(shè)計(jì),SHEN S B等[46]通過微波水性法在鎂合金表面制備了雙層納米針狀陣列的氟化羥基磷灰石(FHA)涂層。體外生物學(xué)試驗(yàn)表明,納米FHA涂層不但顯著提高了鎂合金的耐蝕能力,而且具有良好的成骨分化能力,這源于雙層納米陣列的針狀間隙與破骨細(xì)胞的吸收凹窩結(jié)構(gòu)類似,促進(jìn)了成骨細(xì)胞的分化和增殖。

BAKHSHESHI-Rad等[47]先將鎂合金(Mg-Ca-Zn)浸沒在40%HF溶液中,然后再通過電化學(xué)沉積和堿熱處理,在鎂合金表面制備了MgF2/HA復(fù)合涂層。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示,相對(duì)于無涂層的鎂合金,單一MgF2涂層和MgF2/HA復(fù)合涂層均使鎂合金的腐蝕電流密度降低了接近2個(gè)數(shù)量級(jí)。為了更好地開發(fā)應(yīng)用F的生物活性(生物安全性、成骨效應(yīng)),簡化鎂合金表面涂層的制備工藝,BAKHSHESHI-Rad等[48]將2 mmol/L NaF添加進(jìn)電解液中(0.042mol/L Ca(NO3)2,0.025mol/L NH4H2PO4,0.1mol/L NaNO3,10mol/L H2O2,通過HNO3和(CH2OH)3CNH2調(diào)控Ph=5.0),直接采用電化學(xué)沉積法在鎂合金(Mg-Ca)表面制備了氟摻雜的FHA涂層,花瓣?duì)畹腇HA涂層不但能加速鎂合金表面骨狀磷灰石層的形成,而且有效地提高了鎂合金的耐蝕性能。

MENG等[49]發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)恒流陰極電沉積工藝(traditional cathodic process,TED)制備的FHA涂層成分不均勻、粘度低,且疏松、多孔(見圖5(a)),這導(dǎo)致FHA涂層在后期降解過程中易發(fā)生剝落和崩塌(見圖5(c)),而采用脈沖反向電流工藝(pulse reverse current,PRC)在鎂合金(Mg-Ca-Zn)表面制備的FHA涂層更加致密均勻(見圖5(b)),耐蝕性更高(見圖5(d))。

圖5 鎂合金(Mg-Ca-Zn)經(jīng)電化學(xué)沉積及在SBF模擬體液中腐蝕5天后SEM照片:(a)TED制備的FHA涂層; (b)PRC制備的FHA涂層; (c)TED 制備的FHA涂層腐蝕形貌; (d) PRC制備的FHA涂層腐蝕形貌[49]

研究發(fā)現(xiàn),MgF2/HA復(fù)合涂層間的結(jié)合強(qiáng)度、表層HA形貌及致密度成為決定其耐蝕性的關(guān)鍵因素。在已開發(fā)出的多種醫(yī)用鎂合金表面制備HA涂層工藝中,電化學(xué)沉積(常電勢(shì)法、電流脈沖法、TED、PRC)由于制備過程的釋H2效應(yīng),會(huì)降低基體與涂層、涂層與涂層間的結(jié)合強(qiáng)度[43]。溶膠凝膠法制備的HA涂層與基體(涂層)粘附性差,且疏松多孔[43]。磁控濺射[50]作為一種物理氣象沉積技術(shù)(利用電場中的電子轟擊氬原子,帶正電的氬離子以高能狀態(tài)轟擊靶材,中性的靶原子(分子)濺射沉積在基材上),具有沉積速度高、沉積面積大、涂層密度高、均勻性好、與基體結(jié)合緊密、適配各種基材及可制備多層復(fù)雜涂層的特點(diǎn),但其整個(gè)工藝流程復(fù)雜(基體的電化學(xué)預(yù)處理、磁控濺射、后期熱處理),影響因素多(預(yù)處理電壓參數(shù)的選擇、磁控濺射參數(shù)選擇(靶-基距、濺射功率、工作電壓、氬氣流量、濺射時(shí)間)、熱處理溫度(時(shí)間)選擇),限制了其使用范圍。水熱法[43](在高溫高壓的反應(yīng)釜中,以水溶液為介質(zhì),在鎂合金生成各種表面涂層的工藝方法)簡單經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保、工藝參數(shù)便于控制、所得涂層與基體結(jié)合牢固、涂層純度高,已成為各種金屬基材料表面制備HA的重要工藝之一。而水熱法制備MgF2/HA多級(jí)復(fù)合涂層尚待深入研究。

當(dāng)前,醫(yī)用鎂合金表面復(fù)合涂層的研究正朝著功能多樣化和生物活性化方向快速邁進(jìn),MgF2/CaP(HA)復(fù)合涂層在提高醫(yī)用鎂合金的耐蝕性、成骨誘導(dǎo)性方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。而鈣鹽類無機(jī)陶瓷材料的固有脆性(較低的抗斷裂性及拉伸性)導(dǎo)致其在鎂合金的釋H2反應(yīng)下易發(fā)生溶脹失效[44],同時(shí),如何提高鈣鹽類無機(jī)陶瓷材料致密度,如何提高M(jìn)gF2、無機(jī)涂層間的結(jié)合強(qiáng)度已成為MgF2/無機(jī)復(fù)合涂層走向應(yīng)用的首要問題。

2.2 MgF2/有機(jī)復(fù)合涂層

近年來,憑借工藝簡單、種類繁多、良好的生物安全性、生物相容性、廣泛的適應(yīng)性,有機(jī)涂層材料(植酸(PA)、多巴胺(DA)、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)、殼聚糖(CS)、聚乳酸(PLA)、硬脂酸(SA)、聚已內(nèi)酯(PCL))在醫(yī)用鎂合金表面改性領(lǐng)域獲得眾多學(xué)者的青睞。這些有機(jī)涂層材料不但具有好的耐蝕性能、高的粘附強(qiáng)度,而且在鎂合金植入材料的多功能性方面帶來了更多的可能。

2.2.1 MgF2/聚多巴胺(PDA)復(fù)合涂層

聚多巴胺(Polydopaminc,PDA)的開發(fā)與使用始于貽貝的仿生學(xué)研究,依靠足絲分泌的含有大量左旋多巴胺(L-3,4-dihydroxyphenylalanine)的粘附蛋白,海洋生物貽貝可以牢固地粘附于各種基體的表面,受此啟發(fā),學(xué)者們研究了與貽貝的粘附蛋白有相似結(jié)構(gòu)的多巴胺(C8H12NO2,DA),發(fā)現(xiàn)DA在堿性條件下會(huì)發(fā)生有氧自聚反應(yīng),在所有材料表面生成粘附性極強(qiáng)的一薄層PDA[44,51]。PDA涂層具有獨(dú)特的高穩(wěn)定性、(涂層厚度)可調(diào)控性、高親水性(有利于細(xì)胞的粘附與增殖)、二次反應(yīng)功能(含有大量官能團(tuán)可將各種功能性分子加載在材料表面)等特性[44,52],在表面改性、生物催化領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

鎂合金的化學(xué)活性較高,在合金表面采用浸漬法(堿性鹽酸DA溶液為浸漬劑)制備PDA涂層時(shí),鎂與溶劑中的水發(fā)生反應(yīng)生成的H2(產(chǎn)生鼓泡效應(yīng))會(huì)降低PDA涂層在鎂合金的附著效應(yīng),浸漬劑中大量的Cl-會(huì)促進(jìn)Mg(OH)2的溶解(鎂的水蝕產(chǎn)物),造成PDA涂層的龜裂[44],同時(shí),PDA涂層抗凝血性能較差[53-54],這些都限制了單一PDA涂層在鎂合金耐蝕領(lǐng)域的應(yīng)用。

LIU等[55]分別將鎂合金(Mg-Zn-Y-Nd)浸漬在HF、鹽酸DA溶液中,采用兩步浸漬法在鎂合金表面制備了MgF2/PDA復(fù)合涂層。圖6為鎂合金不同處理狀態(tài)水接觸角SEM照片及所有試樣在腐蝕液浸沒不同時(shí)間的SEM照片。對(duì)比圖6(a)～(c),相對(duì)于沒有涂層的鎂合金而言,制備了MgF2涂層及MgF2/PDA復(fù)合涂層的鎂合金表面不但組織更加致密均勻,而且具有更好的親水性(水接觸角從43.74°±2.8°分別減小到15.64°±0.33°和28.01°±2.98°)。電化學(xué)測(cè)試表明,單一MgF2涂層雖然與基體結(jié)合較好,但厚度較薄,對(duì)鎂合金的保護(hù)有限,而制備了MgF2/PDA復(fù)合涂層的鎂合金(Mg-Zn-Y-Nd)具有最低的腐蝕速率。體外浸漬實(shí)驗(yàn)證實(shí)(如圖6(a1)～(c4)), MgF2/PDA復(fù)合涂層可明顯提高鎂合金(Mg-Zn-Y-Nd)耐蝕性能。同時(shí),細(xì)胞培養(yǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)顯示,MgF2/PDA復(fù)合涂層有利于細(xì)胞的粘附、增殖與生長。

圖6 鎂合金不同處理狀態(tài)水接觸角、SEM照片及SEM局部放大照片: (a)無表面涂層鎂合金; (b)40 vol% HF, 48h; (c)40 vol% HF, 48h+鹽酸多巴胺溶液, 2h. 所有試樣在腐蝕液(DMEM+40 g/L BSA)浸沒不同時(shí)間的SEM照片: (a1)～(a4)鎂合金;(b1)～(b4)40 vol% HF, 48h; (c1)～(c4) 40 vol% HF, 48h+鹽酸多巴胺溶液, 2h[55]

ZHANG等[56]在經(jīng)過HF預(yù)處理的鎂合金(AZ31)表面通過浸涂法制備了MgF2/PDA/SA(硬脂酸)復(fù)合涂層。研究發(fā)現(xiàn),在MgF2/PDA/SA復(fù)合涂層中,作為中間層的高粘附PDA涂層為MgF2涂層與SA涂層提供了高效的錨固效應(yīng),復(fù)合涂層組織致密、均勻,復(fù)合涂層間、復(fù)合涂層與基體結(jié)合緊密。相對(duì)于沒有涂層的鎂合金,MgF2/PDA/SA復(fù)合涂層將鎂合金的耐蝕性提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)。

硬脂酸(C18H36O2,SA) 是一種油脂水解后的產(chǎn)物,作為一種優(yōu)點(diǎn)(良好超疏水性能)與缺點(diǎn)(表面附著力差)并存的材料[57],與鎂基體結(jié)合緊密的涂層(氟化涂層、微弧氧化涂層[58-59])取長補(bǔ)短,強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合,是SA涂層在鎂合金耐蝕應(yīng)用領(lǐng)域的不二選擇。

透明質(zhì)酸(HA,也稱玻尿酸),作為細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的重要組成成分之一,在細(xì)胞的粘附、增殖、生長與遷移中發(fā)揮著極其重要的作用[60-61]。王爍等[62]首先制備了透明質(zhì)酸(HA)/聚乙烯亞胺(PEI)納米顆粒,然后將鎂合金(Mg-Zn-Y-Nd)依次浸漬在HF、鹽酸DA溶液、不同濃度的納米顆粒透明質(zhì)酸(HA)/PEI溶液中,采用三步浸漬法在鎂合金表面制備了納米顆粒MgF2/PDA/透明質(zhì)酸(HA)/PEI復(fù)合涂層。傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)檢測(cè)表明納米顆粒透明質(zhì)酸(HA)/PEI成功固定在MgF2/PDA涂層上,HBSS(Hank’s平衡鹽溶液,pH=7.4)浸沒實(shí)驗(yàn)及電化學(xué)測(cè)試表明,制備了納米顆粒MgF2/PDA/透明質(zhì)酸(HA)/PEI復(fù)合涂層的鎂合金(Mg-Zn-Y-Nd)具有更好的潤濕性、抗降解性。生物學(xué)測(cè)試(血小板粘附與激活、纖維蛋白原粘附與變性、溶血率、內(nèi)皮細(xì)胞(平滑肌細(xì)胞、巨噬細(xì)胞)靜態(tài)培養(yǎng))證實(shí)納米顆粒MgF2/PDA/HA/PEI復(fù)合涂層具有良好的血液相容性和促進(jìn)內(nèi)皮粘附與增殖、抑制病理性平滑細(xì)胞(巨噬細(xì)胞)粘附與增殖的效果。濃度為1.5 mg/mL、2.5 mg/mL的納米顆粒透明質(zhì)酸(HA)/PEI溶液制備的MgF2/PDA/透明質(zhì)酸(HA)/PEI復(fù)合涂層表現(xiàn)出最佳的綜合性能。

然而,人體透明質(zhì)酸酶對(duì)透明質(zhì)酸(HA)快速的降解效應(yīng)限制了透明質(zhì)酸(HA)涂層的臨床療效[63]?；诨腔该髻|(zhì)酸(S-HA)比透明質(zhì)酸(HA) (在人體透明質(zhì)酸酶環(huán)境)更好的穩(wěn)定性,于洋等[64]首先制備了S-HA,然后將鎂合金(ZE21B)依次浸漬在HF、鹽酸DA溶液、S-HA溶液中,采用三步浸漬法在鎂合金表面制備了MgF2/PDA/S-HA復(fù)合涂層,檢測(cè)發(fā)現(xiàn),擁有獨(dú)特網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的MgF2/PDA/S-HA復(fù)合涂層具有較大的粗糙度(Ra為64.73±4.47 nm,Rq為82.30±6.00 nm),較好的親水性能(水接觸角僅為10.33±1.61°),較高的耐蝕性及優(yōu)異的抗凝血功能和細(xì)胞相容性。

依靠與基體結(jié)合緊密的氟化物涂層、微弧氧化(MAO)涂層為基底,以具有良好生物活性的可降解有(無)機(jī)涂層為外涂層的多級(jí)復(fù)合涂層,已成為醫(yī)用鎂合金植入材料表面改性技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。相對(duì)于MAO/PDA復(fù)合涂層(專用設(shè)備、高電壓、后期附加封孔工藝),MgF2/PDA復(fù)合涂層無設(shè)備、電壓需求,無需封孔,工藝簡單,具有較高的成本優(yōu)勢(shì)。同時(shí),PDA涂層厚度的可調(diào)控性(有利于可控降解的實(shí)現(xiàn))、高親水性(有利于細(xì)胞的粘附與增殖)、高穩(wěn)定性引人注目,其包含的大量強(qiáng)螯合能力的官能團(tuán)也為各種功能性分子加載在材料表面提供了可貴的機(jī)遇。因此,以PDA涂層的性能優(yōu)勢(shì)為推手,開發(fā)具有良好生物活性及多功能性的MgF2/PDA多級(jí)復(fù)合涂層已勢(shì)在必行。

2.2.2 MgF2/植酸(PA)復(fù)合涂層

植酸(phytic acid,PA)是一種普遍存在于植物(豆類、谷物)種子和麩皮(胚芽)中的無生物毒性的天然有機(jī)材料。由于每個(gè)PA分子(包括1個(gè)碳六環(huán)、12個(gè)羥基、6個(gè)磷酸基)的12個(gè)羥基上的氫原子均可電離,因此PA具有極強(qiáng)的多齒螯合功能[65-67]。這種多齒螯合功能不但賦予PA在金屬表面極強(qiáng)的涂層形成及附著能力(通過與Zn2+、Fe3+、Fe2+、Mg2+、Ti4+和Ca2+等金屬離子形成絡(luò)合物),而且可以改變材料(蛋白質(zhì)、淀粉、礦物質(zhì))的溶解性、吸附性及增加功能特性[65,66,68]。

崔秀芳等[69]學(xué)者認(rèn)為鎂合金表面PA涂層的形成依賴于鎂合金的快速降解(PA與大量溶解的鎂合金絡(luò)合)。HERNANDEZ-ALVARADO L A等[70]研究發(fā)現(xiàn)鎂合金快速降解時(shí)會(huì)釋放大量H2,這些H2在溢出過程中會(huì)在PA涂層表面形成大量的微裂紋(微裂紋的大小取決于H2溢出量),削弱PA涂層對(duì)鎂合金的防護(hù)效果。圖7為不同工藝參數(shù)條件下PA涂層的形貌變化。由圖7可見,通過調(diào)整制備工藝參數(shù)(制備時(shí)間、制備溫度、PA溶液的濃度、pH值等)可以改善PA涂層致密度,提高鎂合金基體耐蝕性[70],但PA涂層有限的厚度、大量微裂紋的不可避免,限制了單一PA涂層在鎂合金耐蝕領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。

圖7 不同工藝參數(shù)條件下PA涂層微觀形貌[70]:(a)～(d) pH2.0, 植酸濃度0.5%v/v; (e)～(h) pH2.0, 植酸濃度2.0%v/v

為克服單一PA涂層的性能弱點(diǎn),劉歡等[71]將鎂合金(AZ80)分別浸漬在0.1M氟化鉀(KF)、PA溶液(5g/L)中,采用兩步浸漬法在鎂合金表面制備了Mg(OH)2/MgF2/PA復(fù)合涂層。電化學(xué)檢測(cè)及Hank’s模擬體液120h浸沒實(shí)驗(yàn)顯示,相對(duì)于無涂層、Mg(OH)2/MgF2涂層和Mg(OH)2/PA涂層試樣,制備了Mg(OH)2/MgF2/PA復(fù)合涂層的鎂合金(AZ80)試樣耐蝕性能最好(自腐蝕電位(-1.267V)最高、自腐蝕電流密度(7.121×10-7A/cm2)最小、析氫量(3.48±0.11mL)及失重速率(0.34±0.02mg cm-2d-1)最小)。圖8即為AZ80鎂合金表面Mg(OH)2/MgF2/PA復(fù)合涂層的成形機(jī)理示意圖。劉歡將Mg(OH)2/MgF2/PA復(fù)合涂層的成形過程分為四個(gè)階段,每一階段的反應(yīng)方程式見公式[71](1)～(9)。由圖8和公式(1)～(9)可知,一方面,Mg(OH)2/MgF2/PA復(fù)合涂層厚度最大,且涂層間均勻致密,連續(xù)性好(MgF2涂層促進(jìn)了基體在PA轉(zhuǎn)化液的均勻降解,顯著提高了PA與鎂基體的螯合效應(yīng));另一方面,作為中間層的MgF2涂層對(duì)PA涂層的顯微裂紋具有較好的封孔效果,因此,Mg(OH)2/MgF2/PA復(fù)合涂層顯著提高了鎂合金(AZ80)的耐蝕性能。

圖8 AZ80鎂合金表面Mg(OH)2/MgF2/PA復(fù)合涂層的成形機(jī)理示意圖[71]

(1)(2)

圖8(b)階段反應(yīng) Mg2++2OH-→Mg(OH)2

(3)

(4)(5)

(6)(7)(8)(9)

目前,MgF2/PA復(fù)合涂層的研究主要集中在耐蝕性及MgF2涂層對(duì)PA涂層的封孔效應(yīng)方面。以MgF2/PA為基底的多級(jí)復(fù)合涂層的交互探索、PA耦合劑在多級(jí)復(fù)合涂層中的作用機(jī)理、各涂層在腐蝕進(jìn)程中的失效機(jī)制等尚需進(jìn)一步深耕。如何更好地利用PA多齒螯合功能來實(shí)現(xiàn)MgF2/PA復(fù)合涂層的抗菌抑菌性、載藥緩釋性及誘導(dǎo)再生性等多功能化方面還需要快速邁進(jìn)。

2.2.3 MgF2/聚乳酸(PLA)復(fù)合涂層

聚乳酸(polylactic acid, PLA)是乳酸或丙交酯發(fā)生聚合反應(yīng)生成的脂肪族聚酯類新型可降解高分子材料,包含外消旋聚乳酸、左旋聚乳酸(PLLA)、右旋聚乳酸三種異構(gòu)體[2]。PLA材料不但來源廣泛(其原材料乳酸主要來源于淀粉(玉米、大米、纖維素))、成本低廉、工藝簡單、結(jié)晶度高,加工性好(良好的熱塑性)[42,72],而且其降解產(chǎn)物(二氧化碳和水)安全無毒,弱酸性的降解產(chǎn)物也可中和Mg降解所產(chǎn)生的弱堿性[2,73],因此,在生物醫(yī)藥領(lǐng)域引起了較為廣泛的關(guān)注[72]。但傳統(tǒng)工藝(浸漬提拉法和旋涂法)制備的PLA涂層(與鎂合金基體是結(jié)合力較弱的物理結(jié)合)易于破裂和剝落,所以近年來科研工作者嘗試通過復(fù)合涂層的制備來改善PLA涂層與鎂合金基體的結(jié)合強(qiáng)度。

WANG等[74]通過浸漬法及表面旋涂法在鎂合金(AZ31)表面制備了MgF2/PLLA復(fù)合涂層,研究表明,MgF2涂層生成階段的釋H2效應(yīng)造成涂層表面不均勻地分布著尺寸不一的細(xì)小孔隙,PLLA涂層通過填充這些細(xì)小的孔隙實(shí)現(xiàn)涂層間的機(jī)械錨固,提高了MgF2/PLLA復(fù)合涂層間的界面結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí),PLLA涂層的填充也對(duì)MgF2涂層的孔隙起到了有效的封孔作用。MgF2/PLLA復(fù)合涂層比單一涂層(MgF2涂層、PLLA涂層)具有更好的耐腐蝕性能。

王鑫雨[75]通過浸漬法及表面旋涂法在鎂合金(Mg-Zn)表面制備了MgF2/PLLA+PTMC(聚三亞甲基碳酸酯)復(fù)合涂層,研究發(fā)現(xiàn),增大氟化液濃度及延長氟化處理時(shí)間有利于細(xì)化MgF2晶粒,減少M(fèi)gF2涂層表面缺陷,提高M(jìn)gF2涂層整體均勻性及致密度。同時(shí),作為中間層的MgF2表面粗糙,這不但為聚合物PLLA+PTMC提供了更多的固化位點(diǎn),增大了聚合物固化量,而且有利于加強(qiáng)復(fù)合涂層間的機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí),表層親水性能較差的PLLA+PTMC也阻滯了H2O分子在表層的吸附作用。圖9為不同涂層的鎂合金(Mg-Zn)在Hank’s溶液中浸泡后的SEM形貌,對(duì)比圖9,在Hank’s溶液中浸泡7天后,無涂層的鎂合金基體表面、單一MgF2涂層表面及單一PLLA+PTMC涂層表面均遍布腐蝕產(chǎn)物、裂紋或腐蝕坑,而包覆有MgF2/PLLA+PTMC復(fù)合涂層的鎂合金表面仍保持完整。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示,相較于未處理的鎂合金(Mg-Zn),制備了MgF2/PLLA+PTMC復(fù)合涂層的鎂合金(Mg-Zn)的腐蝕電流密度降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)(由4.95×10-6A/cm2降低到7.89×10-9A/cm2)。均勻致密的MgF2/PLLA+PTMC復(fù)合涂層可有效阻滯腐蝕介質(zhì)對(duì)基體的侵蝕。

圖9 不同涂層的鎂合金(Mg-Zn)在Hank’s溶液中浸泡后的SEM形貌[75]

PLLA涂層通過填充MgF2表面的孔隙實(shí)現(xiàn)了封孔和機(jī)械錨固的雙重效應(yīng),不但增強(qiáng)了涂層與涂層間的界面結(jié)合強(qiáng)度,而且克服了單一PLLA涂層(與鎂合金基體是結(jié)合力較弱的物理結(jié)合)易于破裂和剝落的性能弱點(diǎn),同時(shí),也繼承了單一PLLA涂層優(yōu)良的生物安全性、降解產(chǎn)物的酸堿中和性及優(yōu)異的可加工性。目前,對(duì)MgF2/PLLA復(fù)合涂層的研究多集中在體外(模擬體液)的耐蝕性、涂層間的結(jié)合機(jī)制方面,而通過MgF2/PLLA復(fù)合涂層與其他有(無)機(jī)涂層的交叉組合來實(shí)現(xiàn)鎂合金植入材料降解速率與有效服役期限的有效匹配、多級(jí)復(fù)合涂層多功能拓展尚待深入。

3 總結(jié)與展望

近年來,隨著國民整體收入水平的不斷提高、醫(yī)保覆蓋面的不斷擴(kuò)大、老齡人口比重的持續(xù)上升及醫(yī)療觀念的轉(zhuǎn)變,對(duì)新型醫(yī)用植入材料的需求、研發(fā)與生產(chǎn)越來越迫切。表面改性處理已成為當(dāng)前破解醫(yī)用鎂合金的臨床應(yīng)用瓶頸的有效手段。MgF2復(fù)合涂層憑借其成本低廉、工藝簡單、生物安全、生物相容等特點(diǎn)成為醫(yī)用鎂合金表面改性處理的優(yōu)先選項(xiàng)之一。

表3為不同鎂合金表面各種MgF2及其復(fù)合涂層耐蝕性能比較,由前面的分析和表3的性能對(duì)比可以明顯的看出,相對(duì)于無涂層鎂合金、單一MgF2涂層、單一有(無)機(jī)涂層,MgF2復(fù)合涂層在耐蝕性、生物功能多樣性(生物礦化能力,細(xì)胞的粘附、增殖與生長,促進(jìn)內(nèi)皮粘附與增殖,抑制病理性平滑細(xì)胞(巨噬細(xì)胞)粘附與增殖)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

表3 鎂合金表面各種MgF2及其復(fù)合涂層耐蝕性能比較

然而,相對(duì)其他復(fù)合涂層(如微弧氧化)的研究,MgF2復(fù)合涂層在侵蝕機(jī)制、失效機(jī)理方面有待深入,在綜合性組合、功能化交互方面的研究不多。鑒于當(dāng)前的研究現(xiàn)狀,MgF2復(fù)合涂層的發(fā)展應(yīng)從以下幾方面入手:

(1) 前期的研究側(cè)重于涂層和基體間、涂層間的結(jié)合狀況及相關(guān)性能檢測(cè)(耐蝕性、抗凝血功能和細(xì)胞相容性等),而腐蝕液對(duì)MgF2復(fù)合涂層的侵蝕機(jī)制、復(fù)合涂層的失效機(jī)理尚需大量的實(shí)驗(yàn)去補(bǔ)充和驗(yàn)證。

(2) 一些性能優(yōu)異的涂層材料(殼聚糖(CS,在藥物載體、抗菌抑菌、人造皮膚及組織工程較好的應(yīng)用前景)[76-79],聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA,優(yōu)異的生物安全性、生物相容性、可降解性能及載藥釋放功能)[80-83],聚已內(nèi)酯(PCL,良好的生物安全性、生物降解性、聚合物混溶性及優(yōu)異的載藥緩釋功能)[84-87],膠原蛋白(Collagen,優(yōu)良的誘導(dǎo)再生性及自組裝成纖維的能力)[88-89]等)和氟化物涂層的組合與交互研究尚待開展。而通過多重涂層的交互組合來實(shí)現(xiàn)鎂合金植入材料生物功能多樣性(藥物輸送及緩釋給藥性、可控降解性、廣譜抑菌性等)的探索也勢(shì)在必行。

(3)動(dòng)物體內(nèi)植入部位功能性需求的差異(鎂合金支架側(cè)重于抗菌消炎性、抗血栓性、載藥緩釋性及促內(nèi)皮化,鎂合金骨植入材料側(cè)重于適當(dāng)?shù)慕到馑俾?、匹配的力學(xué)性能、細(xì)胞的誘導(dǎo)再生性)對(duì)MgF2復(fù)合涂層的研究開發(fā)提出了多樣性及非均一性要求。

(4)資料顯示,MgF2復(fù)合涂層的性能檢測(cè)以模擬體液的體外實(shí)驗(yàn)為主,而醫(yī)用鎂合金在動(dòng)物體內(nèi)腐蝕形式的多樣性、腐蝕因素的復(fù)雜性、腐蝕狀態(tài)的隨機(jī)多變性限制了體外仿真模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,為加快醫(yī)用鎂合金臨床應(yīng)用進(jìn)程,相關(guān)的動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)迫在眉睫。