文摘

涂层处理中发挥着不可替代的作用推动镁合金的临床应用。这个实验的目的是为了观察老鼠的氟化镁涂层防腐行为。的MgF2层在镁合金表面制备饱和NH4高频2解决方案通过微弧氟化(加)在190 V。横断面SEM, EDS和XRD分析表明,合金表面覆盖着MgF2。同时,使用扫描电镜观察治疗前后比较镁合金样本,并发现涂层被奉承和平滑后的样品。两组实验进行了主题,6雄性老鼠。所以未经处理的样品AZ31和微弧氟AZ31样品可以埋在单独肌肉层。体积变化和表面形态的腐蚀样本在16周内使用微ct动态监测在活的有机体内。比较两组样品之间的结果呈现的腐蚀微弧含氟样品比未经处理的慢得多。加涂层被证明是有效的在控制镁合金的腐蚀速率和进展。

1。介绍

作为一种生物材料,镁(Mg)和镁合金有前途的医学应用。镁和镁合金提供特定强度高和理想的生物相容性,植入材料。此外,镁和镁合金的密度是类似于人类的骨头(1,2]。如今,临床实践中通常使用的材料主要是提供长期的结构稳定性,如钴铬合金、钛合金、不锈钢、和其他金属。然而,由于这些材料是外星人的身体,过敏或炎症反应在随后的复苏(治疗期间也很常见3]。骨重塑的过程也将严重破坏如果发生应力屏蔽效应。甚至可能会发生二次骨折植入切除手术后(4,5]。值得注意的是,二次手术后骨折愈合无疑会增加疼痛和医疗费用。镁材料,与此同时,可能会避免上述副作用。因此,镁合金似乎更可取的选择。然而,镁材料的一个突出的缺点是人体的快速腐蚀速率。这将导致增加渗透压等问题的局部微环境,这可能会降低整个机械强度(1]。因此,这是一个站在关心学者控制镁合金的腐蚀速率。

作文修改和合金表面处理可以用来降低镁合金的腐蚀进展。前者可以提高其耐腐蚀性能和力学性能而不是生物活性(6]。目前,常用的表面改性方法是离子、碳处理,氟化物治疗,等等。在这一阶段的研究,电化学腐蚀分析表明,氟化镁(MgF2)层可以提高镁合金的极化电阻(7- - - - - -9]。此外,在现有的研究中证明MgF的准备2涂层耐腐蚀性能有一定的影响(7,10,11]。此外,MgF的生物相容性2涂料在细胞毒性实验中已被证明是积极的。镁合金的负面影响在氢气的退化和降水在一定程度上减轻了体液(8,12,13]。感兴趣的一点是,氟化镁涂层的抗菌作用是另一个属性,在以前的研究中已经发现(3]。在腐蚀实验,毫克2 +和F- - - - - -离子降解过程中产生的合金不仅无毒周围组织也有营养作用在骨的形成6]。氟在骨组织介导钙和磷的新陈代谢,帮助构建骨骼强度(14]。与MgF Mg合金涂层2是高度耐腐蚀在活的有机体内。此外,其防腐能力可以植入可能控制满足要求保留为一个合适的时间。MgF的可持续性2涂料是显而易见的。

实验进行了MgF做准备2于涂料使用微弧氟化方法(15- - - - - -17]。一系列的在体外氟化腐蚀测试证明了微弧处理过的镁合金,与未经处理的相比,显著提高了防腐性能。此外,增殖的细胞生长和粘附率涂层是先进的15,16]。这种方法是基于电解的原则。MgF2层准备的镁或镁合金基体上使用特定的电压作为反应条件在氟化解决方案17,18]。这个实验加方法之后。这项工作的目的是观察加涂层的腐蚀控制rat-body-fluid环境下。一个190 V volt-treated加涂料制备,及其动态变化和降解行为记录在实验对象。其预处理和postcorrosion形态、成分和耐蚀性进行了评估。该研究补充了实验系统为微弧氟化镁氟涂料的制备在活的有机体内实验。

2。材料和方法

2.1。材料和预处理

在这项研究中,AZ31的大小(东莞FeiTai金属制品有限公司,中国)大约是70.0毫米(3]。然后,波兰1000年样本转化为网格。AZ31化学成分是显示在表1。

表1
AZ31的化学成分(质量分数,%)。

测试样本处理微弧氟化(加)方法。氟涂料在饱和NH准备样本4高频2解决方案使用190 V直流恒压模式。闭路成立,AZ31作为阳极,石墨棒阴极在电气化。用蒸馏水清洗所有的样品三次,彻底干燥。样品分为两组标签“裸”和“我们”。

2.2。涂层的观察

每个表面的形态和横断面图像样本的扫描电镜观察到(具体模型参考:FE-SEM,地产- 67000)。然后,基本成分是由能谱仪(EDS)。Mg阶段MgF表面2样本以40 kV和30 mA, x射线衍射(XRD、Rigaku创世纪4日本),扫描速率是1 /分钟。

2.3。电化学实验

潜在的动态偏振(PDP)测试执行与一个常数稳压器(VersaSTAT 3: 300)和商业软件(VersaStudio 2.44)。电化学分析细胞包括古典三电极细胞含有测试样品作为工作电极,纯铂棒电极和参比电极(Ag) / AgCl / Sat-KCl + 197 mV比标准氢电极)。在这里,1000毫升的商业汉克的平衡盐溶液(hbs)解决方案(WELGENE Inc .、韩国)用作电解质和放置在一个被称作烧杯。保持电解液的温度 使用再循环热水器°C。PDP测量的扫描速度是3 mV / s。

2.4。动物实验
2.4.1。实验设计

在活的有机体内实验对动物伦理和动物保护的指导方针。六6雄性老鼠(新西兰)平均重量180克是本研究随机选择。老鼠被分为两组;与裸露的一组实验,另一组是尝试了。16周后,大鼠安乐死,样品被移除。

2.4.2。外科手术

首先,老鼠与异氟烷麻醉(Isolurane吸入麻醉的解决方案;Pizer日本公司,日本东京)。剥去皮肤、筋膜暴露前胫骨肌肉。样本之间的葬右胫骨肌肉和骨膜牙科圆钢筋和nontaper组织酒吧。然后,按下植入和生理盐水冲洗,可以看到在图1。伤口被缝合针封闭(尼龙缝合5;写到制作有限公司)。缝合切口后,把老鼠放在垫,直到他们从麻醉状态中恢复过来。术后镇痛,0.5毫升transaminopurine水合物(sulpyrine注入250毫克NP;Nipro制药公司,日本大阪)被添加到老鼠的饮用水作为两周的抗炎、镇痛。在实验结束时,老鼠与异氟烷麻醉(Pizer日本Inc .)和安乐死的吸入有限公司2。样品从每个老鼠被移除。

(一)
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(b)
(b)
图1
在大鼠体内腐蚀控制样品和术中图。(一)立体成像的抽样大小的样本和注释。(b)的制备在老鼠体内腐蚀模型和手术埋葬的样本。
2.5。腐蚀分析在活的有机体内

第四周的样本被微ct扫描(SkyScan1076力量)。微ct扫描仪成立与100千伏电压,100μ目前,360度旋转,和17.6μm像素大小。大鼠麻醉后,扫描开始1厘米以上植入和结束它下面1厘米。在第16周的样品后,样品再次进行扫描。图像(2 d和3 d)和体积数据通过程序(CTAn-CTVol 1.10)。

体积百分比计算损失为:

植入前的体积是, 16周后的体积是。为了更好的可视化在活的有机体内形态在第16周,样本在铬酸清洗(H2阴极射线示波器3)和干。表面被扫描电镜观察。

3所示。结果

3.1。样品表面形态

图2说明了加组的表面形态扫描电镜下之前放置在身体。MgF表面2涂层不均匀,多孔,珊瑚。


图2
FE-SEM加涂后观察表面形态。

图3介绍了x射线衍射曲线光和加器采样组。未经处理的JCPDS标准卡的比较表明,涂层的样品由四边形MgF治疗2主要(JCPDS号41 - 1443)。EDS分析表明,涂层表面是由F和镁元素,占61.04%和38.41%,分别如图4。


图3
XRD的裸露和乘加模式。

图4
EDS加涂层的光谱和元素成分的比例。

图5给出了SEM扫描截面的加器组。从图5(一个),它可以看到一层出现在镁合金基体和PMMA,即。,表面的基础。根据EDS映射分析,F元素只分布在上层的样品(图5 (c)),场均4.26μ米厚。涂层的中间部分是等间距的。氟元素的密度下降接近衬底,和镁元素在这个深度相对稀疏分布式相比更深的部分(图5 (d))。数字的组合5 (c)和5 (d)揭示了一个同时Mg和F分布在这一领域。

(一)
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(b)
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(c)
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(d)
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图5
横截面电镜图像和能量加涂层的衍射谱。(一)横断面形态扫描电镜下观察。代表性的元素测定涂层的EDS的映射。(罪犯)的结果分布的三个元素,氧、氟,分别和镁。
3.2。腐蚀实验

图6潜在的实证结果动态极化(PDP)的实验。电阻属性可以反映样品的腐蚀电位( )和电流密度( )。光组显示大约的腐蚀电流密度 一个。的 我们集团的 一个,约20倍低于前者。更好的耐腐蚀处理标本可以解释。


图6
Potentiodynamic裸的极化曲线和乘加样品。

表面扫描电镜获得的图像(图7)表明,植入前的光(图7(一))是一个研磨产生的谱线形状,而加器(图7 (c))有一个平滑的表面。在第16周清除后,明显的点蚀是观察在裸露的表面(图7 (b))。扫描结果显示腐蚀范围约0.94毫米直径。只加表面似乎是水洗土壤一些偶尔的点蚀孔,可以阅读从图7 (d)。裸更不均匀的表面由于相比更多的局部腐蚀。

(一)
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(b)
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(c)
(c)
(d)
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图7
体内实验样本的观测之前和之后使用FE-SEM腐蚀。(一)裸露的表面形态,0周;(b), 16周;(c)加0周;和(d)加,16周。
3.3。ct机扫描

图8描述了成像的两组样品在活的有机体内在4周使用ct机。大型气体腔清晰可见裸露组的位置(图表示8(一个)),并且有更多的小样品气体蛀牙,这颜色斑点稀疏。加器组,另一方面,在样本密度成像,证明天然气生产很缓慢。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
二维ct机扫描结果的示例(a)裸露的和(b)加在星期4墓地。

图9包含微ct成像的结果标本的周0,4,分别和16。在星期4,腐蚀坑出现在左下角的光秃秃的,倾向于扩大样本。在16周,抽样从光秃秃的组有其他腐蚀坑除了一个在左下角,其中最大的是直径近1毫米。此外,它可以指出矩形形式变得不完整。然而,我们组只有几个pitting-like压痕表面的样本。从4周和16周的结果,我们组会腐蚀比裸露组无论如何。


图9
ct机扫描样本体内实验程序在指定时间点,3 d图像。

图10是一个直方图产生样本删除后的体积损失。体积亏损裸露组加组的14.9%到3.2%。光集团大约是4.67倍的加器组。


图10
体内实验的体积变化。

4所示。讨论

镁合金作为生物可降解生物材料,通常用于提供短期支持在组织恢复,及其医学应用潜力是公认的19- - - - - -22]。然而,在现有的研究已经证明,快速降解率和局部镁合金的腐蚀行为阻碍他们的临床应用23,24]。存在的问题可能会导致不匹配的支持周期和恢复过程甚至断裂破坏的组织移植由于应力集中8,25,26]。为了解决根本问题,控制镁合金的腐蚀速率的电解液在活的有机体内已成为一个更广泛的研究目标。

表面涂层处理的镁合金已经使用在许多研究中,并取得了有效的腐蚀速率减缓结果。表面改性处理可以改善镁合金作为生物材料的生物相容性8]。值得一提的是,使用的涂层处理应满足以下几点:(I)镁合金基体附着力强,(2)提供耐蚀性,(3)无细胞毒性。此外,对于稳定的降解材料在生理环境中,腐蚀产物也应该有良好的生物相容性评价结果(27]。李等人。28发现毫克氟涂料在3.5%氯化钠溶液改善样品的生物活性。赵et al。29日)在实验中,发现MgF hbs的解决方案2涂料样品的耐腐蚀性能提高。

在腐蚀测试在活的有机体内现有环境进行结合体外实验加涂层处理。组成、表面形态和电化学MAF-coated镁合金的评估在某种程度上在体外在先前的研究实验,更满意的结果(15- - - - - -17]。在这个实验中,处理过的AZ31样本处理在190 V恒压模式。图2显示了粗糙的形状微弧氟化物处理过的镁合金的表面形态,类似于以前的乘加涂料在高电压(15,16,30.]。图5(一个)表明氟涂层厚度为4.26μm是均匀分布在镁基体。氧元素的分布在整个截面图5 (b)是,我们推测,由于内部暴露造成的铸造镁和磨削。氧化反应与空气会形成一层氧化膜。由于反应时间短,没有太多的氧含量。氟元素在图的渗透性的分布5 (c),它可以假定衬底的表面电化学过程转化为氟化层。同时随着氟化物层出入口,镁合金的几何形状略有变化(5]。这也导致了相对分布密度的减少镁涂层与底物接触的一部分。化学反应导致镁和氟原子的结合,从而改变原来的元素分布。此外,腐蚀电流密度和腐蚀电位PDP postcoated样本分析的实验。可以观察到显著增强的耐蚀性。

基于上述事实,它可以表示,准备完全涂层基体和涂层的腐蚀有一定的限制。然而,MAF-treated涂料的耐蚀性在活的有机体内环境没有以前的研究(15- - - - - -17]。在陈的一项研究[31日),需要植入材料的损耗分析,特别是镁合金,是提高。Fischerauer et al。32)表示,表面形态可以在一定程度上影响腐蚀速率。使用ct机监控样品的腐蚀特征在体液环境中用于确定腐蚀行为和腐蚀速率。这允许评估涂层处理的有效性。一定程度的避免损坏样品接触,确保扫描结果的准确性。

镁合金在体液环境中迅速降解,产生气体,主要由氢组成(23]。这个过程是受到液体的复杂动力学环境的有机体。它已经表明,氯离子的存在(Cl- - - - - -)使Mg合金的表面更容易表现出快速的点状腐蚀。因为体液包含大量的Cl- - - - - -,它可以转化为氯化镁(MgCl2)置换反应后与氢氧化镁表面形成镁合金[23,33]。

总之,反应的化学方程式如下:

很明显,是一个动态的组织之间的水分交换,和他们的流动加速腐蚀过程。值得一提的是,氢泡沫植入物的损害,如造成损失的机械完整性,最近也被报道(34]。从微ct成像结果(图8(一个)),很明显,气体密度带出现在未经处理的标本。空气腔的存在对样本与体液接触表面代表发生阳极溶解过程的积累和产品。这部分反映了不恰当的镁合金的降解速率和伤口愈合的困难由于泡沫。尽管泡沫可以影响植入物,没有进一步损害骨骼和周围组织的观察,一样的皮下镁植入实验了et al。35]。它已经表明,随着含镁材料的腐蚀过程中产生的氢气可以删除和排泄在某种程度上32,36]。在某种意义上,腐蚀行为和泡沫的负面影响可以最小化如果腐蚀速率保持在安全的范围内(25]。

氟涂料在许多先前的研究表现出理想的特性。除了最常见的方面,其抗菌性一直是一个值得注意的研究过程的一部分(自1940年以来37,38]。材料与细菌耐药性非常可取的医疗植入程序(8,39]。扫描电镜观察加涂层的实验揭示了氟涂料相似性和先前的研究15- - - - - -17]。因此,我们的结果进行比较在活的有机体内腐蚀与汉克的平衡盐溶液(hbs)浸实验从先前的研究。能找到相似之处腐蚀痕迹(15- - - - - -17]。观察图9SEM扫描显示一个明显的腐蚀坑,表明局部腐蚀的裸镁合金在体液环境中。这意味着腐蚀不统一开发合金之间的接口和体液。相反,定点退化腐蚀发生在特定的位置,在这个位置和腐蚀过程比其他更先进的飞机在同一深度(40,41]。当腐蚀的速率大于体液的遗留物排泄,气体积累和创造了蛀牙。换句话说,有一个高概率的气体在腐蚀坑的位置定位。这也可以证明与数字7 (b)和8(一个)。从以上事实可以推断出来MgF的存在2涂层不仅降低镁合金之间的接触面积和体液,还有效地抑制了H2生产和减少植入材料本身的破坏。

5。结论

在这个实验中,氟化镁镁合金表面涂料准备以190 V恒定电压和评估在活的有机体内腐蚀实验,可以得出以下结论。(1)均匀,致密镁氟涂料准备和连着镁合金基体(2)在体外腐蚀试验表明,该涂料可以显著改善比裸露的镁合金耐蚀性(3)在活的有机体内在老鼠身上的实验表明,提供的涂层保护镁合金和显著降低腐蚀过程中气体的产生和积累。190 V加涂层表现出良好的耐蚀性在活的有机体内环境

合并后的结果表明,MgF2涂料是有效控制镁合金的腐蚀速率和进展,展示了其潜在的医用植入材料。

数据可用性

数据用于支持本研究的发现是包含在这篇文章。

的利益冲突

我们声明我们没有金融和个人关系与他人或组织可以不当影响我们的工作。

作者的贡献

贾Xinzhe高,春玉戴,气了同样的工作。

确认

这项研究是由山东医学与健康科学技术发展计划项目(2018 ws125)和泰安科技发展计划项目(2019 gx043)。