镁合金表面45S5生物玻璃陶瓷涂层的制备及性能研究

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医用镁及镁合金具有良好的力学相容性、生物相容性、生物降解性以及骨诱导能力,有望成为新一代可降解骨植入材料。然而,镁及镁合金在含有Cl-的环境中可发生快速降解,破坏材料的力学完整性,同时产生大量氢气造成皮下气肿,限制了临床应用。因此,研发具有可控降解能力的镁及镁合金材料具有重要的意义,而表面涂层技术是目前提高镁及镁合金耐蚀性的一种有效手段。本文以溶胶-凝胶浸渍提拉技术,在AZ31镁合金基体表面制备45S5生物玻璃陶瓷涂层及45S5生物玻璃陶瓷/羟基磷灰石(HA)复合涂层。通过SEM、XRD和FTIR研究了工艺参数对涂层表面形貌的影响,优化了制备工艺。并通过体外降解实验和电化学测试研究了材料的耐腐蚀性能,探索了材料的腐蚀机理。最后通过细胞实验考察了材料的生物相容性。实验结果表明,当TEOS/H2O的摩尔比为0.0070,热处理温度为500°C,提拉次数为1~3次时,可获得厚度为0.43~1.00μm且表面致密、均匀、无裂纹的45S5生物玻璃陶瓷涂层,该涂层由无定形相和少量的六方Na2Ca2Si3O9相组成。不同厚度的涂层均可提高镁合金基体在浸泡初期的降解性能,降低基体的腐蚀速度,但在浸泡过程中由于残余应力释放导致涂层开裂和剥落,引起提拉1~2次的试样(B500和2B500)快速失效,提拉3次的试样(3B500)内部应力最低,厚度最高,裂纹形成的过程较为缓慢,在7d的浸泡实验中始终保持最低的基体失重、浸泡液pH值变化及腐蚀速度,涂层对基体的保护最为有效。同时,3B500试样提高了基体的自腐蚀电位和抗腐蚀电阻,降低了腐蚀电流密度,提高了材料的耐蚀性能。细胞实验证明3B500短期内不具有细胞毒性,且具有比AZ31镁合金基体更高的细胞相容性和生物相容性。通过制备45S5生物玻璃陶瓷/羟基磷灰石复合涂层,调控涂层的晶相组成和降解速度,当45S5生物玻璃陶瓷溶胶和羟基磷灰石溶胶的体积比是1:10,热处理温度为500°C,提拉次数为3次时,可以获得均匀致密、无裂纹的复合涂层,复合涂层在浸泡初期可有效保护基体防止被腐蚀,但随着浸泡时间延长,涂层开裂甚至剥落,导致涂层失效,对基体的长期保护作用略低于试样3B500。电化学测试结果也证明,复合涂层提高了基体的腐蚀电位和抗腐蚀电阻,并降低了基体的腐蚀电流密度,提高了耐蚀性能,但效果略低于试样3B500。
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