生物医用镁合金表面PLGA涂层研究3赵常利,张绍翔,何慈晖,李佳楠,张蓓蕾,张小农(上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240)

摘　要:　镁及镁合金作为可降解吸收生物医用材料的研究已得到关注,但与传统可降解材料相比其腐蚀降解较快,可能导致提前失效。以高纯的Mg2Zn合金为研究材料,采用浸涂提拉法在其表面得到PLGA涂层。结果表明,PLGA涂层致密均匀,耐蚀性好,降解周期长,可以有效保护镁合金在植入初期不发生腐蚀降解,延长其发挥功能的时间,达到良好的医学适用性。关键词:　生物镁合金;PLGA涂层;腐蚀降解中图分类号:　TG146.22;R318.01文献标识码:A文章编号:100129731(2008)06209872031　引　言最近,纯镁及镁合金在生物医用领域的应用已得到越来越多的关注[1～4]。镁是人体所必需的元素之一,是人体内含量仅次于钾的细胞内正离子,参与体内一系列新陈代谢过程,包括骨细胞的形成,加速骨愈合能力等。纯镁的密度仅为1.74g/cm3,与人骨的密质骨密度(1.75g/cm3)极为相近,镁合金有较高的比强度与比刚度,且加工性能良好。镁及镁合金的杨氏弹性模量约为45GPa,与人体密质骨弹性模量相当(如人体胫骨纵向弹性模量为18.6GPa[5,6]),远低于Ti6Al4V钛合金及316L不锈钢的弹性模量(分别为110和约200GPa),能有效缓解应力遮挡效应,促进骨愈合。镁的化学性质十分活泼(-2.37VvsSCE)[7],易于与水溶液发生反应而腐蚀,在富含Cl-离子的人体生理环境中耐蚀性差,可以利用其不耐腐蚀的特点将镁及其合金发展为可降解硬组织植入材料,在完成功用的过程中,材料被逐步降解并为人体所吸收或代谢。但镁在腐蚀介质中产生的氧化膜疏松多孔(PBR=0.8),尤其在含有Cl-离子的腐蚀介质中,MgO表面膜的完整性会遭到破坏,导致腐蚀加剧,使镁合金植入材料在人体内不能维持足够的时间而提前失效,因此,提高镁及镁合金耐蚀性是确保其在该领域获得良好应用效果的前提条件。近几年很多学者对此进行了研究,任伊宾等[8]探讨了杂质及材料加工状态对纯镁腐蚀速率的影响,提出可以通过调整杂质含量、细化晶粒和固溶处理等方法控制其腐蚀速率;高家诚等[9]则通过热2有机膜表面改性等工艺提高医用纯镁耐腐蚀性能。对纯镁及镁合金表面进行表面涂层是提高其耐蚀性的方法之一。聚丙交酯2乙交酯聚合物(PLGA)是目前广泛用于医药领域的高分子材料,PLGA是聚乳酸(PLA)和聚乙交酯(PGA)的共聚物,具有良好的生物

相容性,可降解,对人体无毒副作用[10],并且还可以通

过改变PLA与PGA的配比来调节降解速率,是镁基生物医用合金理想的涂层材料之一。本文通过对医用镁合金表面进行PLGA浸涂,获得了致密均匀的PLGA涂层,并对涂层后镁合金的腐蚀性能进行了研究,以期获得可控腐蚀降解的镁合金生物材料。

2　实　验试验采用的材料为生物医用Mg2Zn合金。合金系自制,采用高纯度的原材料冶炼而成,杂质含量Fe

≤0.0038%、Si≤0.0016%、Ni≤0.0005、Cu≤0.0005、Al≤0.0085。合金化提高了材料的力学性能,满足植入材料对力学性能的要求;对合金杂质的严格控制提高了医用合金本身的耐蚀性。试验采用的涂层材料为PLGA颗粒(重均分子量Mw=140000,m(PLA)∶

m

(PGA)=90∶10),有机溶剂为氯仿。

试验采用浸涂提拉法在医用镁合金表面获得PL2GA涂层。首先取尺寸为󰂊11.3mm×2mm医用Mg2Zn试样,将PLGA分别按质量百分比2%和4%(质量

分数)溶于氯仿,然后将试样放入溶液浸涂一段时间,

随后以一定的速率拉出,晾干,待溶剂挥发PLGA固化,获得涂层。为研究涂层对材料腐蚀降解性能的影响,本研究分别采用电化学方法和静态浸泡方法测试了其腐蚀性能。电化学实验采用电化学测试工作站PARSTAT

2273,采用三电极体系,其中为工作电极为测试试样,参比电极为KCl溶液饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为石墨棒。实验所得数据均相对于参比电极而言。实验采用溶液为生理盐水(0.9%NaCl溶液,中国上海百特医疗用品有限公司制造),测量前,先将有涂层Mg2Zn合金试样及无涂层合金试样在溶液中浸泡,待得到稳定的开路腐蚀电位(OCP)后,在低于开路腐蚀电位250mV左右进行正向动态阳极极化扫描速率为1.0mV/s,最大扫描终止电位为1.6V。

789赵常利等:生物医用镁合金表面PLGA涂层研究3基金项目:国家自然科学基金资助项目(30772182)收到初稿日期:2007211209收到修改稿日期:2008201229 通讯作者:张小农作者简介:赵常利　(1977-),河北衡水人,助理研究员,主要从事生物材料研究。

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net静态浸泡实验分别将有涂层Mg2Zn合金试样及无涂层合金试样浸泡在盛有100ml生理盐水的烧杯中,置于恒温水箱,温度(37±0.5)℃。其间每24h换液1次,分别在72和144h测量失重并计算腐蚀速率,

每组试样为3个,试验结果取平均值。

3　实验结果3.1　涂层材料我们制备的生物医用可植入Mg2Zn合金其显微组织如图1,材料具有比较均匀的组织结构,无杂质相在晶界和晶内分布,因而材料应具有比较均匀的腐蚀降解性能。

图1　镁合金金相照片Fig1Opticalmicrographofbio2absorbableMgalloy 对Mg2Zn合金表面PLGA涂层处理后,在扫描电镜下观察其表面形貌,如图2所示。可以看到PLGA

涂层致密、平整,没有孔洞、破损和未涂覆等缺陷。图中白点是表面上的一些不导电的灰尘等物质。

图2　表面PLGA涂层后SEM形貌Fig2SEMmorphologyofMgalloyafterPLGAcoating 从图3和4可以看出,在PLGA为2%(质量分数)浓度下制备的涂层,平均增重约1.0mg,涂层厚度约30μm。而在4%(质量分数)浓度下制备的涂层,平均增重萎2.9mg,涂层厚度约为70μm。

图3　Mg■　Zn合金表面PLGA涂层截面SEM

Fig3CrosssectionSEMphotosofcoatedMg2Znalloy

图4　涂层后试样增重Fig4Weightgrowthaftercoating 上述结果表明,采用浸涂提拉法在镁合金表面可以形成致密的高分子涂层,并且可以通过调节溶液浓度获得不同的涂层厚度,进而控制涂层的降解时间。3.2　极化曲线图5显示了Mg2Zn合金及有PLGA涂层的Mg2Zn合金在生理盐水中的极化曲线。表1列出了3种材料的腐蚀电位及腐蚀电流。

图5　有PLGA涂层及无涂层Mg2Zn合金在0.9%

NaCl溶液中的极化曲线Fig5ThepolarizationcurvesofMg2ZnalloywithandwithoutPLGAcoatingin0.9%NaClsolution表1　有PLGA涂层及无涂层Mg2Zn合金在0.9%

NaCl溶液中的腐蚀电位及电流Table1CorrosionpotentialandcurrentofMg2Znal2loywithandwithoutPLGAcoatingin0.9%NaClsolution

Mg2Zn合金2%(质量分数)PLGA涂层4%(质量分数)PLGA涂层无涂层

Ecorr

(V)-1.44-1.36-1.46

icorr

(μA/cm2)0.0850.09726.5

一般来讲,Ecorr值越小说明材料发生腐蚀的倾向越大。浸涂PLGA涂层后Mg2Zn合金在生理盐水环境下的腐蚀倾向减小,而且涂层越厚腐蚀倾向越小。镁合金的阴极曲线代表着阴极的析氢过程,阳极曲线代表了Mg2+离子的溶解过程[11]。从无涂层镁合金的阳极曲线可以看出,伴随电压的微小上升,电流急剧增大,Mg2+离子腐蚀加剧。而PLGA涂层的阳极曲线表明其腐蚀过程存在活化区(4%(质量分数)PLGA涂层不明显)和钝化区。对极化曲线拟合的结果显示有涂层合金的腐蚀电流要比裸Mg2Zn合金小约二个数量级,可见PLGA涂层的形成提高了医用镁合金的抗蚀

889动 能 材 料 2008年第6期(39)卷© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net性能。以上结果表明,致密均匀的PLGA涂层能够有效保护Mg2Zn不被腐蚀,同时PLGA涂层更耐蚀,具有很长的降解周期,使Mg2Zn合金植入体内后力学等性能保持一定时间,满足植入材料的要求。3.3　静态腐蚀表2列出了涂层及未涂层合金在生理盐水中浸泡不同时间后的腐蚀速度。从表2中可以看出,涂层后合金的腐蚀速率较未涂层小约2个数量级,这一结果与电化学腐蚀相一致。在医用Mg2Zn合金表面浸涂PLGA涂层有效阻隔了合金与腐蚀环境的接触,腐蚀前期仅为高分子涂层的降解过程,从而延迟了合金本身的腐蚀。表2　釉PLGA涂层及无涂层Mg2Zn合金在0.9%NaCl溶液中的腐蚀速率Table2CorrosionratesofMg2ZnalloywithandwithoutPLGAcoatingin0.9%NaClsolu2tion腐蚀速率(mg/cm2・h)2%(质量分数)PLGA涂层4%(质量分数)PLGA涂层无涂层72h2.44×10-45.62×10-40.063144h3.23×10-45.62×10-40.0594　讨　论Mg在生理盐水中的腐蚀过程主要以Mg与水的电化学反应方式进行,反应方程式如下[12,13]:MgMg2++2e(1)2H2O+2eH2+2(OH)-(2)Mg2++2(OH)-Mg(OH)2(3) 总的腐蚀反应为:Mg+2H2OMg(OH)2+2H2↑(4) 镁合金的耐蚀性主要取决于合金元素的种类,杂质含量及表面氧化膜等。我们所使用的合金利用Zn作为合金元素并严格控制杂质,提高了材料的力学和耐腐蚀性能。由于镁合金在腐蚀介质中产生的氧化膜疏松多孔,不能对基体产生很好的保护作用,使腐蚀过程仍然很快。因此,作为硬组织植入材料的镁合金存在在完成其功用前因腐蚀过快提前失效的可能。镁合金表面浸涂PLGA后,腐蚀过程首先为PL2GA的降解。PLGA的降解过程属于本体降解[14,15]。对于静态降解而言,降解初始阶段水分子与聚酯中的酯键形成氢键,随着水解的进行,酯键断裂形成羧基,聚合物链无规断裂,部分大分子分解为小分子,分子量下降,分布变宽。随着降解的进行,形成更多的羧基,聚合物表面及内部产生局部酸性,促进酯键水解,对聚合物产生自催化作用,使高分子量聚合物加速降解为低分子量聚合物,表现为分子量迅速下降,分布范围明显变窄。影响其降解速率的因素主要有化学组成和结构、溶液pH值、分子量等[16]。观察静态浸泡过程可以发现,没有涂层的Mg2Zn合金放入37℃生理盐水中马上有气泡产生,而有PL2GA涂层的Mg2Zn合金在144h的浸泡过程中没有气泡产生,说明后者在这一阶段完全是PLGA的降解过程。结合PLGA的降解特点,两种涂层在72和144h