文摘

镁合金作为生物可降解金属植入物在骨科研究近年来引起了广泛的注意。他们有吸引力的生物属性包括人体新陈代谢的关键,生物相容性和生物降解性。然而,镁可以腐蚀过快high-chloride环境的生理系统,在组织充分愈合之前失去机械完整性。羟基磷灰石(HAp)涂料提出了降低腐蚀速率,提高镁合金的生物活性。磷灰石是cathodically沉积在镁合金的表面组成的解决方案,3毫米Ca (H₂阿宝₄)₂和7毫米CaCl₂在不同的应用潜力。HAp的增长是确认表面的涂料在SBF溶液浸后7天。获得的涂层−1.4 V显示更高的耐蚀性和生物活性的行为。

1。介绍

金属材料,包括不锈钢、钛和cobalt-chromium-based合金,通常用于植入设备因其高强度、延性和良好的防腐性能1]。它更适合承载应用程序相比,陶瓷或高分子材料由于其较高的机械强度和断裂韧性(2]。有毒的金属离子的释放或粒子腐蚀或磨损过程导致不良影响细胞和骨骼组织(3]。此外,这些金属材料在人体不能生物降解,可能导致长期的并发症(感染)4]。当前金属生物材料的弹性模块匹配不佳与天然骨组织,导致应力屏蔽效应,可能导致减少刺激新骨生长和改造,减少植入稳定(5]。比较常见的批准金属生物材料,镁合金有许多杰出的优势因为他们吸引人的生物属性包括人体新陈代谢的关键,生物相容性和生物降解性6]。

镁合金的力学性能类似于自然骨(40-57 GPa) [7]。此外,镁是最重要的一个二价离子与生物欲望的形成和发挥着重要作用在骨基质的变化决定了骨骼脆弱(8]。另一方面,植入的镁合金降解体内,不再需要第二次手术植入物移除。良好的生物相容性是临床研究中观察到9]。不幸的是,镁可以在生理腐蚀过快pH值(7.4 - -7.6)和high-chloride环境的生理系统,组织有充分愈合前失去机械完整性和生产氢气在腐蚀过程中速度太快是由主持人组织处理(10]。

最近,一些研究已经完成减速镁合金的降解速率,包括氟转化膜(11],alkali-heat治疗[12),等离子体浸没离子注入(13]。除了改善镁合金的降解率,生物相容性也应该被考虑。羟磷灰石(Ca₁₀(PO₄)₆(哦)₂),以下(HAp)、涂料能满足双重属性。合成HAp陶瓷总是作为多孔体,粉末和涂层金属假体提供固定生物活性。少可溶性HAp涂层的存在导致骨组织反应(osteoconduction)沿着涂层,并成立了一个机械骨骼增长强劲接口(14]。因此,HAp涂层表面沉积金属植入物改善生物相容性财产,并减少在生理环境中降解率。HAp涂层沉积已经通过一些方法,包括等离子喷涂(15),离子注入16),溅射(17,溶胶-凝胶涂层18[],仿生方法19),电泳沉积(环保署)20.),电化学沉积21),电喷射沉积(ESD) [22,23]。

在这些方法中,电化学沉积是简单、灵活、廉价的技术制造的金属薄膜,不需要复杂的和昂贵的真空装置。此外,沉积处理可以在室温下进行的,可以控制涂层的形态很容易通过改变电化学势和电解质浓度24]。

在这项研究中,电沉积法生产HAp涂层粗加工合金为了提高防腐性能,增强其生物活性。电沉积过程中执行磷酸钙与其他添加剂在电解液pH值和温度进行了优化。应用潜在的影响在结构和防腐性能研究。发达涂料的防腐性能进行评估的阳极极化和电化学阻抗谱技术。涂层的表面形貌和相结构的电影也检查使用扫描电子显微镜(SEM), x射线衍射(XRD),能量色散谱(EDS)。HAp涂层可以提高防腐性能,有效改善体外模拟体液的生物活性。

2。材料和方法

2.1。标本制备

商用AZ31镁合金(3质量%,1质量%锌)作为底物。合金的化学成分表中列出1。合金的表面抛光了。2000砂纸0.05紧随其后μ米氧化铝粉末。标本被小心翼翼地清洗水,用丙酮冲洗,干燥的空气。所有的实验标本安装使用聚四氟乙烯(PTFE)树脂磁带离开和接触面积的1厘米²。

2.2。这部电影的形成

标本都沉浸在3毫米Ca (H₂阿宝₄)₂+ 7毫米CaCl₂解决方案在37°C和pH值6 30分钟。电沉积是在−1.4−1.6,和−1.8 V应用潜力使用传统电化学电池配备三个电极。铂、银/ AgCl坐,氯化钾,镁合金试样担任柜台,参考,分别和工作电极。

2.3。表征方法

电影的形态和微观结构观察与日立s - 800扫描电子显微镜(SEM)。涂层的晶体结构的电影被确认使用薄膜x射线衍射(XRD)分析用日本岛津公司XRD与铜K - 6000 x射线衍射仪α辐射与扫描步骤0.02°和扫描速度2°/分钟。从10到60岁的衍射角30 kV和20 mA。元素组成的涂层被确认使用能量色散谱(EDS)。

2.4。防腐测量

阳极极化和电化学阻抗谱测试进行了使用Solartron 1285稳压器Solartron分析,英国范堡罗。测量是由斯克里布纳尔出版社Associates Corrware和Z情节电化学实验软件,分别。极化曲线测定磷酸缓冲盐PBS(−)解决方案的扫描速度1 mV / s。

2.5。生物活性实验模拟体液

涂层沉浸在SBF 7天(Kokubo解决方案)和离子浓度几乎相同的人体血浆。SBF溶液的pH值调整到7.4。阶段结构、表面形态和防腐性能检查每天的标本SBF溶液,用蒸馏水冲洗,晾干。

3所示。结果与讨论

高生物活性的涂层可以通过执行条件是接近人类的内部环境。一些研究小组应用各种范围的温度(室温;45、50和80°C)和初始pH值(5.8,6.5,和中性)25]。

实现纯磷灰石涂层镁合金,初始pH值和温度应该精心挑选。在我们之前的工作中,最优解pH值和温度被定义(26]。HAp山峰可以观察到只有在37°C或更高的温度。据报道,磷灰石层的生长速率增加而增加温度由于减少的HAp的溶度积27]。

HAp涂层沉积在AZ31合金使用电沉积方法。固定潜力将−1.4−1.6−1.8 V,因此镁合金基体成为带负电荷(阴极)。镁溶解发生后立即浸泡标本的3毫米Ca (H₂阿宝₄)₂和7毫米CaCl₂解决方案在pH值为30分钟6。根据反应(1)。水是减少在阴极表面生成氢气和氢氧根离子,这将导致增加溶液的pH值根据反应(2):

图1显示当前时间曲线在电沉积处理在不同的潜力。−1.8 V,电流密度大幅下降表明早期的涂料膜的形成。另一方面,电流密度有轻微下降1.6−−1.4 V和几乎一个稳定的速度。当地的pH值和可用性增加钙和磷离子溶液中预计将鼓励HAp和二水磷酸氢钙的沉积,以后在镁合金表面观察反应(所示3)和(4):

图2显示了涂层的SEM图像电影形成于−1.4 V,−1.6 V,−1.8 V。片状的粒子被发现在所有表面阴极沉积,而微晶的大小变得更增加了阴极电位更负。

涂层的耐蚀性电影形成了1.4−−1.6−1.8 V在PBS(−)解决方案使用检查阳极极化测试如图3。结果表明,腐蚀反应不容易发生,因为它表示的降低腐蚀电流和极化电阻的增加。所有Hap-coated标本的蚀电位转向高尚的方向相比,参与标本。这表明涂层电影提供腐蚀保护,和镁合金能够阻止被溶解。此外,在获得的涂层−1.4 V高贵的蚀电位。

EIS进行测试以确保最好的耐腐蚀膜。腐蚀速率测定与电荷转移电阻(Rct)通过使用EIS技术。电荷转移电阻等于半圆的直径在复平面图形(奈奎斯特图)。图4显示了时间依赖性的电荷转移电阻,这对应于腐蚀速率。治疗的电荷转移电阻增加3毫米Ca (H₂阿宝₄)₂和7毫米CaCl₂解决方案在不同的应用潜力。−1.4 V的电影形成了个随机对照试验值远高于那些形成−−1.8和1.6 V。这个结果是在协议与阳极极化测试表明,膜形成于−1.4 V的防腐性能最好。

改善耐腐蚀和溶解率的减少植入材料是高度建议允许骨愈合。因此,我们进行了生物活性实验获得的涂层−1.4 V。体外检测在37°C进行了7天为了评估HAp涂层的生物活性行为SBF溶液中,离子的元素等于或接近的血浆。

图5显示获得的涂层的表面形态1.4−前后SBF溶液中浸泡1天、7天。HAp的增长是确认后的涂层表面在SBF溶液浸泡1天。颗粒大小是更好的沉浸在SBF溶液。的生长速率HAp涂层表面明显7天的浸泡时间的增加而增加。

图6XRD结果显示获得的涂层前后1.4−SBF溶液中浸泡1天、7天。观察和HAp的山峰都见过沉浸在SBF溶液。

沉浸在SBF溶液,观察转化为更稳定的机会。随着浸泡时间7天,HAp峰值增加,证实了HAp的增长

图7结果显示了EDS−1.4之前和之后获得的涂层沉浸在SBF溶液1天、7天。强峰的钙(Ca)、磷(P)、氧气(O),镁(毫克),铝(Al),和几个小峰出现之前和之后沉浸在SBF溶液。图6(一)表明,涂层膜组成的镁、铝、钙磷酸盐化合物被认为是偶然从先前的XRD测试和观察。在SBF溶液浸泡1天,Ca和P的山峰是标明日益增加和Mg的峰值减少HAp如图6 (b)。随着浸泡时间7天,Ca的山峰和P继续增加和Mg山峰继续减少,如图6 (b)。这种不断增长的HAp浸泡7天,显然证实了这种涂层的生物活性

4所示。结论

羟磷灰石涂层被沉浸在成功在镁合金表面镀层3毫米Ca (H₂阿宝₄)₂和7毫米CaCl₂解决方案30分钟,温度37°C。提高镁合金耐蚀性能与羟磷灰石涂层和最好的防腐性能得到−1.4 V。羟磷灰石生长在涂层SBF溶液中浸泡7天,这证明了其生物活性。

确认

作者欣然承认中国的教育、文化、体育、科技、日本、埃及和中国高等教育,。他们希望教授也承认通过提价Ichino理想环境科学研究所、日本名古屋大学价值的讨论在这个研究。