医用镁合金表面PDA/HAp复合涂层的制备及性能研究

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人工骨植入材料是治疗骨折及骨缺损等骨科疾病的关键。可降解镁合金具有与人骨相当的密度及弹性模量,可在体内完全降解避免手术取出等特性,已成为最理想的新型骨植入材料候选者。然而,镁合金在体液中耐腐蚀性能较差,难以满足持续的承载要求。其腐蚀降解通常会引起局部碱化和氢气的析出,造成组织坏死从而危害机体健康。相关研究指出,兼顾腐蚀保护和良好生物相容性的涂层技术在提高镁合金性能方面展现出巨大潜力。本文以商业AZ31镁合金为可降解基底,通过氧化自聚合法及水热法在其表面成功制备了聚多巴胺(PDA)/羟基磷灰石(HAp)复合涂层,复合涂层具有良好的耐腐蚀性能及生物相容性。本研究具体内容及结果如下:(1)通过优化溶剂选择,在乙醇溶液中制备了PDA涂层。扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征结果证明了PDA涂层的成功制备。在乙醇溶液中制备的PDA涂层减少了基底的腐蚀,改善了涂层形貌。原子力显微镜(AFM)结果表明,PDA涂覆后,表面粗糙度从13.36 nm下降至9.10 nm。同时,PDA涂层显著改善了基底的亲水性。电化学测试表明,腐蚀电流密度(Icorr)从6.32×10-5 A/cm2下降至8.64×10-6 A/cm2,腐蚀保护效率为86.4%。模拟体液(SBF)浸泡7天后PDA涂层表面Ca、P成分增加,具有诱导磷酸钙沉积的能力。(2)在PDA涂层基础上通过水热法制备了HAp涂层。PDA/HAp复合涂层的形成机制如下:PDA涂层可作为二次反应平台,表面丰富的儿茶酚基团可以主动结合Ca2+,增大界面处Ca2+过饱和度,促进HAp的形核,即PDA涂层可以诱导HAp膜形成。SEM、EDS及XRD结果显示,PDA诱导的HAp涂层具有更致密的结构。拉伸剪切测试结果证明PDA内层可以提高HAp外层的结合强度。PDA/HAp复合涂层的Icorr进一步下降至2.04×10-7 A/cm2,复合涂层的保护效率达到99.6%。浸泡实验结果表明,15天内复合涂层宏观及微观形貌均未发生明显变化,未造成局部碱化以及严重析氢。(3)评价了PDA/HAp复合涂层的血液相容性和细胞相容性。PDA/HAp复合涂层的溶血率仅为0.51%,具有良好的血液相容性。细胞毒性测试结果表明,复合涂层浸提液对细胞没有毒副作用,100%浸提液浓度时,通过溶解产生的Ca、P促进了MC3T3-E1细胞的增殖。相比其他样品,复合涂层表面细胞粘附最多,细胞形态最为完整,且分化出伪足结构,证明其具有诱导成骨细胞粘附的生物学功能。
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