專利名稱：一種用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物材料技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于生物醫(yī)用材料的表面改性領(lǐng)域；具體涉及為一種用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，鎂合金以其良好的力學(xué)性能、生物相容性和體內(nèi)可降解性能等特性，而受到人們的極大關(guān)注，有望成為新一代性能更優(yōu)的可降解植入材料。鎂合金具有高的比強(qiáng)度和比剛度，其強(qiáng)度最高可超過200MPa ;純鎂密度在1.74g/cm3左右，與人骨的密質(zhì)骨密度(1.75g/cm3)相當(dāng)；鎂合金的楊氏彈性模量約為45GPa，更接近人骨的彈性模量(20GPa左右)，可明顯減小應(yīng)力遮擋效應(yīng)的發(fā)生。鎂合金在體液環(huán) 境中非?；顫?，具有非常低的電極電位，易在體內(nèi)環(huán)境中發(fā)生腐蝕，從而在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)降解。鎂合金作為醫(yī)用植入材料的嘗試可以追溯到上世紀(jì)40年代，但由于鎂合金在人體環(huán)境中的腐蝕速率過快，并產(chǎn)生大量的氫氣，從而導(dǎo)致植入失效。上世紀(jì)90年代起，隨著人們對(duì)鎂合金的不斷深入研究，在控制合金的耐蝕性能和力學(xué)性能的技術(shù)方面得到很大的提高，同時(shí)通過表面處理進(jìn)一步降低了鎂合金的初期腐蝕速率，使其有望作為醫(yī)用植入材料而得到臨床應(yīng)用。鎂合金作為可降解植入材料，但植入體內(nèi)后的降解速度過快，特別是在植入初期，導(dǎo)致產(chǎn)生局部高的PH值環(huán)境，傷口不易愈合，并產(chǎn)生炎癥反應(yīng)等。同時(shí)因?yàn)榻到膺^快，其降解產(chǎn)物之一的氫氣未能被機(jī)體及時(shí)吸收而形成氣泡并在組織局部聚集。為了控制可降解鎂合金在體內(nèi)的降解速度，通常采用表面處理、純凈化制備及合金化等方法，表面處理方法是其中最為常見的方法。表面化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、陽(yáng)極氧化(及微弧氧化)、激光表面改性、沉積技術(shù)、離子注入、高分子涂層等技術(shù)等都已應(yīng)用于工程用鎂合金的表面處理，來(lái)控制鎂合金在工程環(huán)境下的腐蝕速度。雖然這些研究成果為醫(yī)用可降解醫(yī)用鎂合金的表面處理奠定了一定的基礎(chǔ)，但是由于體內(nèi)環(huán)境與工程用環(huán)境不同，而且更加復(fù)雜，現(xiàn)有的鎂合金表面處理方法不能完全滿足生物可降解鎂合金的臨床應(yīng)用需求?？山到怄V合金表面改性涂層方面的研究較多，如氫氟酸轉(zhuǎn)化處理、堿熱處理、陽(yáng)極氧化處理、微弧氧化處理及電沉積等。但由于鎂合金是一種新興的可降解生物材料，在鎂合金表面制備可降解涂層的工藝不夠成熟，各種表面處理都存在一定問題，如結(jié)合力差、致密度低、表面粗糙度大、耐磨性差、控制鎂合金基體降解速度的作用不夠明顯、工藝很難控制等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，采用本發(fā)明提供的方法，可以實(shí)現(xiàn)控制鎂合金的降解速度，并獲得具有良好耐磨性和良好界面結(jié)合強(qiáng)度的表面涂層，解決直接在鎂合金基體上制備涂層存在的結(jié)合力差、致密度低、表面粗糙度大、控制降解速度的作用不夠明顯、工藝很難控制等不足。
本發(fā)明提供了一種用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法。首先在鎂或鎂合金表面上制備出微弧氧化涂層，然后在微弧氧化涂層的外層制備富氟致密層。本發(fā)明提供的生物醫(yī)用用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，所述鎂或鎂合金包括:純鎂；Mg-Mn，Mg-Al-Zn, Mg-Al-Mn, Mg-Al-Si，Mg-Al-RE, Mg-Al-Ca,Mg-A 1-Ca-RE，Mg-A 1-Sr，Mg-Zn-Zr, Mg-Zn-Al，Mg-Zn-A 1-Ca，Mg-Zn-Mn，Mg-RE-Zr, Mg-RE,Mg-RE-Mn, Mg-RE-Zn等現(xiàn)有鎂合金體系；以及為了提高鎂合金性能而設(shè)計(jì)的新的鎂合金體系O本發(fā)明提供的用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，所述微弧氧化涂層，可控制鎂或鎂合金基體的降解速度，且具有相對(duì)較高的耐磨性和界面結(jié)合力。涂層中存在富鎂相為后續(xù)的氟化處理提供了反應(yīng)物，有利于致密的氟化鎂的生成，并為膨脹系數(shù)相差甚大的鎂合金與外層陶瓷層提供過渡層，從而提高了陶瓷涂層與鎂合金的結(jié)合強(qiáng)度。該微弧氧化涂層可包括磷酸鹽系微弧氧化涂層、硅酸鹽系微弧氧化涂層、硼酸鹽系微弧氧化涂層、鈦酸鹽系微弧氧化涂層等。其制備方法是將鎂或鎂合金浸入硅酸鹽系或磷酸鹽系電解液中，通以30(Γ500伏電壓，1000赫茲的交流電信號(hào)。在一定的交流電壓下，鎂或鎂合金與電解液中成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。或同時(shí)在電壓作用下改善膜層的性質(zhì)，經(jīng)過一段時(shí)間后在鎂或鎂合金表面生成氧化層(陶瓷層)。其制備過程還包括在微弧氧化處理后進(jìn)行一定的水熱處理，改善微弧氧化涂層的性質(zhì)。該微弧氧化涂層的厚度為5 — 25 μ m。本發(fā)明提供的用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，所述富氟層是為微弧氧化涂層提供一個(gè)外層致密層，從而降低初期氫氧根離子的生成。該富氟層的成分為但不限于:氟化鎂等。其制備方法為:將微弧氧化處理后的純鎂或鎂合金浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的氫氟酸中，在2(T35°C之間，經(jīng)過2Γ48小時(shí)處理后，微弧氧化涂層的外層轉(zhuǎn)化成致密的氟化鎂涂層。該復(fù)合涂層在模擬體液中浸泡3天后，可有新生Ca-P層形成，說明涂層具有良好的生物活性，從而可以使植入體對(duì)生物體組織具有良好的生物相容性，有利于生物體組織在植入體上的粘附、生長(zhǎng)和增殖，并提高兩者之間的界面結(jié)合強(qiáng)度，提高了植入成功率。該富氟層還與內(nèi)層轉(zhuǎn)化膜協(xié)同作用，對(duì)鎂合金基體的腐蝕降解速度進(jìn)行控制，從而提高生物體的生物相容性及其力學(xué)性能持久性。該富氟層的厚度為1一 10 μ m。本發(fā)明的特點(diǎn)在于:
1.本發(fā)明提出一種可控制鎂合金降解速度并具有良好耐磨性的鎂合金表面涂層，該表面涂層包括內(nèi)層微弧氧化涂層及外層富氟層。內(nèi)層微弧氧化涂層既可控制鎂合金基體的降解速度，又改善了單純氟轉(zhuǎn)化涂層耐磨性及與基體結(jié)合力較差等問題。外層富氟涂層提高了微弧氧化涂層的致密性，改善了微弧氧化涂層的相組成，改善了由于微弧氧化涂層本身缺陷及相組成等引起的植入體周圍局部PH上升過快問題，提高了植入成功率。對(duì)可降解鎂合金的表面改性，已有的方法往往僅偏重于控制鎂合金的降解速度或僅為了提高鎂合金的表面生物活性，而本發(fā)明所述涂層則同時(shí)解決了鎂合金的降解速度快、涂層耐磨性差、涂層與基體結(jié)合力差等問題。2.本發(fā)明同時(shí)為鎂合金表面制備生物活性涂層提供了新的方法，所述中間微弧氧化涂層不僅起到了控制鎂合金降解速度的作用，同時(shí)其良好的耐磨性為最終復(fù)合涂層的耐磨性奠定良好基礎(chǔ)，并增加了復(fù)合涂層與鎂及鎂合金的結(jié)合強(qiáng)度，改善了手術(shù)植入過程中涂層容易破壞的問題。
3.本發(fā)明提供的方法可以降低鎂合金的初期降解速度，為植入體提供生物相容表面，使處理后的鎂合金植入體較處理前的降解速度有明顯降低。且本發(fā)明涂層兼具可降解性、良好的耐磨性能等特點(diǎn)，更能滿足實(shí)際手術(shù)應(yīng)用的需求。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明予以進(jìn)一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。實(shí)施例1
首先，將純度為99.99 %的純鎂，在磷酸鹽系電解液中制備出微弧氧化涂層，電壓為360V，頻率為800Hz，處理時(shí)間為5分鐘。電解液成分如下:六偏磷酸鈉:l_50g，氟化鉀:2-20g/L,氫氧化I丐:0.Ι-lg/L,其余為水。本實(shí)施例制備出磷酸鹽系微弧氧化涂層以磷酸鎂、氧化鎂為主要成分，厚度為20 μ m0然后用去離子水清洗、干燥，采用氟處理方法在磷酸鹽系微弧氧化涂層外層制備出富氟涂層，具體制備過程為:將微弧氧化處理后的純鎂，浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%氫氟酸中，在30°C下反應(yīng)24h，取出，用去離子水徹底清洗，在空氣中干燥后，置于干燥箱中，于600°C下干燥3h，隨爐自然冷卻。由此在微弧氧化涂層外層獲得晶化的氟化鎂層。純鎂經(jīng)上述方法進(jìn)行表面改性后，在37°C模擬體液中浸泡3天后，模擬體液的pH為8.3，而相同浸泡條件下未處理純鎂浸泡液的pH為11.2，說明該表面涂層可有效控制純鎂的降解速度。在電鏡下觀察可見，改性后的純鎂表面有新生Ca-P層，說明表面具有良好的生物相容性和生物活性。實(shí)施例2
將AZ31 (Mg-Al系)鎂合金在以Na2SiO3.9Η20為主要成分的轉(zhuǎn)化液中制備出微弧氧化膜。轉(zhuǎn)化水溶液的成分為=Na2SiO3.9H20:llg/L, KOH: 4g/L, pH值為12，溫度為35° C,時(shí)間為 20min。本實(shí)施例制備出微弧氧化涂層的成分為Mg2SiO4和MgO，厚度為15 μ m。然后用去離子水清洗、干燥，采用氟處理方法在磷酸鹽系微弧氧化涂層外層制備出富氟涂層，具體制備過程為:將微弧氧化處理后的純鎂，浸泡在高純氫氟酸中，在30°C下反應(yīng)48h，取出，用去離子水徹底清洗，在空氣中干燥后，置于干燥箱中，于50° C下干燥lh，在空氣中自然冷卻。由此在微弧氧化涂層外層獲得無(wú)定型的氟化鎂層。涂層后的AZ31鎂合金，在37° C模擬體液中浸泡3天后，電鏡下觀察表面有新的鈣磷層生成，說明表面具有良好的生物活性。通過電化學(xué)測(cè)試，表明涂層后鎂合金的自腐蝕電流明顯降低，點(diǎn)蝕電位明顯提高，說明其耐蝕性得到提高。實(shí)施例3
在ZK60 (Mg-Zn-Zr系)鎂合金表面采用微弧氧化方法進(jìn)行涂層處理，電解液成分為，NaOH:l-5g/l,Na2SiO3:10_40g/L，KF:10_15g/L，其余為水，電壓:230 450V，時(shí)間:5_35min，制備出鎂合金微弧氧化膜，厚度為lOym。然后進(jìn)行氫氟酸處理，處理溫度:25-90°C，處理時(shí)間:24-48h。在外表面制備出富氟涂層，厚度為10 μ m。采用MTT法檢測(cè)樣品的細(xì)胞毒性，結(jié)果顯示，經(jīng)過氟處理涂層后鎂合金的毒性為O級(jí)，滿足生物醫(yī)用材料的使用要求。而未處理鎂合金的毒性為3級(jí)，不能滿足生物醫(yī)用材料對(duì)細(xì)胞毒性的要求，說明該鎂合金表面涂層可有效提高鎂合金植入體的生物相容性。實(shí)施例4
在Mg-Ca5-Znl合金表面制備硼酸鹽系微弧氧化涂層，電解液為濃度為Na3BO4:4_10g/L ；NaOH:l_5g/L，溫度為40_80°C，pH值為12-14，電壓300 500伏，時(shí)間為0.5_6h。本實(shí)施例微弧氧化層厚度為15 μ m。然后采用40%的氫氟酸于30°C處理48h，形成一層富氟層，富氣層厚度為5 μ m。采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的溶血實(shí)驗(yàn)方法對(duì)鎂合金進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過氟處理的帶有微弧氧涂層的鎂合金植入體的溶血率為3%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求(小于5% )，說明微弧氧化涂層經(jīng)過氟處理后可有效降低鎂合金植入體的溶血率，提高其生物相容性。實(shí)施例5
首先，在ZAC8502 (Mg-Zn系鎂合金)表面制備微弧氧化膜，電解液成份為=KH2PO4:13.5g/L，NaF:3-5g/L, KOH: 2g/L，其余為水，pH值為12 14，處理溫度為50_60°C，時(shí)間為20-50min,電壓為400V,水洗,干燥。微弧氧化涂層厚度為15 μ m。然后進(jìn)行氟處理,處理溫度為30°C，處理時(shí)間為48h，富氟層厚度為10 μ m。將帶有上述經(jīng)過氟處理涂層的鎂合金在37°C模擬體液中浸泡3天后，鎂合金浸提液的PH值為8.2，表明外層氟轉(zhuǎn)化膜對(duì)周圍環(huán)境的pH上升起到了有效控制作用，其可調(diào)節(jié)鎂合金在體內(nèi)的降解速度。比較例I
在ZK60鎂合金(Mg-Zn-Zr系合金)上制備出微弧氧化涂層，電解液=Na2SiO3.9Η20:12g/L，KF:10g/L，K0H:4g/L，溫度為35° C，電壓為370V，頻率為1000Hz，時(shí)間為5min。涂層主要由氧化鎂、鎂橄欖石相組成 。在PBS模擬體液中浸泡，I小時(shí)后pH值升到9.5。對(duì)上述涂層進(jìn)行氟化處理，同樣在PBS模擬體液中浸泡，I小時(shí)后pH值僅升到
7.9，說明氟化處理可顯著降低微弧氧化涂層對(duì)周圍環(huán)境的堿化作用。比較例2
將純度為99.99%的純鎂，在轉(zhuǎn)化液中制備出磷酸鹽系轉(zhuǎn)化膜，溫度為20-60°C，浸泡時(shí)間為3-10min。轉(zhuǎn)化液成分如下:磷酸鈉:100g/L，高錳酸鉀:10_50g/L，其余為水。磷酸調(diào)pH= 3.0-4.0。制備出磷酸鹽系轉(zhuǎn)化膜以磷酸鎂為主要成分，厚度為90 μ m。將純度為99.99%的純鎂，在磷酸鹽系電解液中制備出微弧氧化涂層，電壓為360V，頻率為800Hz，處理時(shí)間為5min。電解液成分如下:六偏磷酸鈉:l_50g，氟化鉀:2-20g/L，氫氧化鈣:0.Ι-lg/L，其余為水。然后用去離子水清洗、干燥。采用氟處理方法在磷酸鹽系微弧氧化涂層外層制備出富氟涂層，具體制備過程為:將微弧氧化處理后的純鎂，浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%氫氟酸中，在30°C下反應(yīng)24h，取出，用去離子水徹底清洗，在空氣中干燥后，置于干燥箱中，于600°C下干燥3h，隨爐自然冷卻。由此在微弧氧化涂層外層獲得晶化的氟化鎂層。體外浸泡實(shí)驗(yàn)顯示上述兩種涂層都能顯著降低周圍環(huán)境的pH值。進(jìn)行了動(dòng)物植入實(shí)驗(yàn)，植入過程中發(fā)現(xiàn)磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜有明顯的局部脫落現(xiàn)象，而微弧氧化后氟化處理的樣品顯示出良好的耐磨性。植入后微弧氧化后氟化處理的樣品周圍的氣體體積明顯小于磷化處理的樣品，微弧氧化后氟化處理涂層的臨床使用性能更佳。本發(fā)明的中間微弧氧化膜可以包括:磷酸鹽系微弧氧化膜、硅酸鹽系微弧氧化膜、硼酸鹽系微弧氧化膜、鈦酸鹽系微弧氧化膜等。氟處理化學(xué)轉(zhuǎn)化膜的制備方法為:將鎂或鎂合金浸入一定濃度的氫氟酸中，在一定的溫度下，微弧氧化涂層中的成分與氫氟酸中成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在微弧氧化涂層外側(cè)生成致密的富氟層。本發(fā)明的外層致密層包括但不限于:氟化鎂層。實(shí)驗(yàn)表明，以上選擇 均可適用于本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，其特征在于:首先在鎂或鎂合金表面制備微弧氧化涂層，然后在微弧氧化涂層外層制備富氟致密層。
2.按照權(quán)利要求1所述的用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，其特征在于:所述微弧氧化涂層為以下涂層中的一種:磷酸鹽系微弧氧化涂層、硅酸鹽系微弧氧化涂層、硼酸鹽系微弧氧化涂層、鈦酸鹽系微弧氧化涂層。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，其特征在于:所述微弧氧化涂層的制備方法為:將鎂或鎂合金浸入相應(yīng)的電解液中，通以一定電壓和頻率的交流電信號(hào)，在交流電壓作用下，鎂或鎂合金與電解液中的有效成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在鎂或鎂合金 表面生成一個(gè)陶瓷類反應(yīng)產(chǎn)物。
4.按照權(quán)利要求1所述的用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，其特征在于:所述外層富氟致密層為氟化涂層，其主要成分為氟化鎂。
5.按照權(quán)利要求1或4所述的用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，其特征在于:所述富氟致密層的制備方法為:將微弧氧化處理后的樣品浸入特定濃度氫氟酸中，在20 35°C之間；經(jīng)過2Γ48小時(shí)的處理后，微弧氧化涂層的外層轉(zhuǎn)化成致密的氟化鎂涂層。
6.按照權(quán)利要求1所述的用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，其特征在于:所述微弧氧化涂層的厚度范圍為:5 - 25ym0
7.按照權(quán)利要求1所述的用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，其特征在于:所述富氟致密層厚度為:1 — 10 μ mo
8.按照權(quán)利要求3所述的用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，其特征在于:所述電解液為硅酸鹽系或磷酸鹽系電解液。
9.按照權(quán)利要求3所述的用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法，其特征在于:所述的電壓和交流電信號(hào)最佳參數(shù)為:30(Γ500伏電壓，1000赫茲交流電信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于可降解鎂合金的生物活性表面改性方法。首先，在鎂或鎂合金表面上制備出一層微弧氧化涂層；然后，采用氟化處理方法在微弧氧化涂層外側(cè)制備富氟致密層。因此，該表面涂層包括中間微弧氧化涂層及外層富氟層中間微弧氧化涂層既可控制鎂合金基體在生物體環(huán)境中的降解速度，又改善了單純氟涂層較低的耐磨性能及與基體較差的結(jié)合力；外層富氟致密層改善了微弧氧化涂層比較疏松的特點(diǎn)，降低了涂層合金在生物體環(huán)境中的pH上升速率，從而大幅降低了初期炎癥及發(fā)生溶血的概率，可提高鎂合金植入的成功率。本發(fā)明旨在解決生物可降解鎂合金的降解速度過快、表面涂層結(jié)合力差、耐磨性能不佳等問題。
文檔編號(hào)A61L27/30GK103194781SQ20121000143
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者林瀟, 譚麗麗, 楊柯, 蔡勇, 邱劍虹, 席小松 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所, 創(chuàng)生醫(yī)療器械(中國(guó))有限公司