医用镁合金表面复合涂层的构建及其腐蚀和生物性能研究

作     者：周海丽 

作者单位：暨南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：金卫红;李卫

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：镁合金 表面改性 涂层 腐蚀 生物相容 

摘      要：与传统医用骨科植入金属材料相比,镁合金在人体内可自发降解,避免了进行二次手术将植入物取出,并且其密度和弹性模量与人骨接近,能够有效消除应力遮挡效应,在骨科领域展现出巨大的应用潜力。然而,镁合金在人体内的降解速率过快,这会导致其固定支撑功能过早丧失、大量氢气产生等,严重限制其在临床的应用。表面改性是减缓镁合金腐蚀的常用手段,还能改善生物相容性。为此,本文采用旋转涂覆、浸泡以及水热法在WE43镁合金表面制备左旋聚乳酸（PLLA）/3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）/氢氧化物纳米片复合涂层,另外,采用水热法和化学转化法在WE43镁合金表面沉积钙磷/磷酸盐复合涂层。研究不同体系涂层的表面性能,通过电化学和浸泡实验探索涂层对镁合金腐蚀行为的影响,通过细胞粘附和细胞毒性实验评价生物相容性。研究发现镁合金表面修饰的可降解高分子复合涂层中,内层氢氧化物纳米片和中间层APTES形成硅烷化纳米曲面,通过物理交锁和化学结合的协同作用,促进外层PLLA和镁合金间结合牢固。电化学测试表明,复合涂层改性镁合金在模拟体液（SBF）中的腐蚀电流密度降低了 5个数量级,复合涂层孔隙电阻达2.702 × 107 Ω cm2。在SBF中浸泡7天的结果表明,复合涂层显著抑制了腐蚀沿表面和深度方向的扩展,这归因于致密且牢固结合的PLLA涂层可阻碍腐蚀介质传输并避免涂层脱落。此外,MC3T3-E1前成骨细胞粘附和毒性实验表明此高分子复合涂层显著提高了镁合金的细胞相容性。研究同时发现镁合金表面沉积的钙磷复合涂层中,磷酸盐预处理层有效避免镁合金直接与水热溶液的接触,为钙磷涂层的沉积提供良好环境,从而减少由氢气产生而引发的涂层缺陷,促进钙磷涂层与镁合金基体的结合。电化学测试表明,复合涂层改性镁合金在SBF中的腐蚀电流密度由（1.756±0.678）× 10-4 A cm-2降低至（9.096±1.618）× 10-7 A cm-2,电荷转移电阻由25.4 Ω cm2增大到6.823× 104 Ω cm2。在SBF中浸泡1、3、7天后,复合涂层明显抑制镁离子的释放,浸泡7天和15天后,复合涂层延缓了腐蚀沿表面的扩展,浸泡30天后镁合金的腐蚀速率由2.389±0.254 mm y-1降低至0.558±0.039 mm y-1,表明复合涂层能够有效减缓镁合金的腐蚀,为其提供长久的保护。