Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr生物鎂合金表面耐蝕抑菌層的制備與表征

毛雨旭，宋述鵬，許 娜，周和榮，吳 潤(rùn)，熊少聰

(1. 武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2. 武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081；3. 武漢科技大學(xué)生命科學(xué)與健康學(xué)院，湖北 武漢，430065)

近年來(lái)，生物鎂合金由于優(yōu)異的機(jī)械性能與生物相容性,逐漸成為生物材料領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。生物鎂合金具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，其密度與人體密質(zhì)骨的密度相似，特別是其彈性模量與人骨接近，能有效緩解骨科植入物的應(yīng)力遮蔽效應(yīng)[1]。另一方面，鎂在人體的體液中可完全降解，是人體新陳代謝的必需元素，對(duì)骨骼生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用[2]。然而，鎂合金過快的腐蝕速率極大地制約了其在可降解生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用，并且由植入物引起的細(xì)菌感染也是亟需解決的問題。通常情況下，對(duì)材料進(jìn)行表面改性能起到降低腐蝕速率的作用，其中水熱法作為一種常見的表面改性手段，具有工藝簡(jiǎn)單、處理溫度低、反應(yīng)條件靈活可控等優(yōu)點(diǎn)[3]。有研究表明，銀作為抗菌材料使用時(shí)，具有廣泛的抗菌活性及對(duì)細(xì)胞的低毒性[4]。因此，采用水熱法制備含銀表面耐蝕層來(lái)對(duì)鎂合金表面進(jìn)行改性，可以同時(shí)達(dá)到提高其耐蝕性和抗菌性能的目的。

針對(duì)生物鎂合金的表面改性，近年來(lái)研究人員在處理工藝等方面取得了較大的進(jìn)展。Feng等[5]采用原位水熱法在AZ31鎂合金表面沉積Mg(OH)2薄膜，并研究了pH值和水熱時(shí)間對(duì)Mg(OH)2薄膜形貌和耐蝕性的影響，結(jié)果表明，在pH為10條件下反應(yīng)3 h時(shí)所制Mg(OH)2薄膜的耐蝕性最佳。Bakhsheshi等[6]通過物理氣相沉積法在Mg-2Ca-0.5Mn-6Zn合金表面制備了納米結(jié)構(gòu)的Ag摻雜ZnO涂層，結(jié)果顯示，該涂層對(duì)大腸桿菌和金色葡萄球菌有著顯著的抗菌作用。Hu等[7]通過化學(xué)轉(zhuǎn)化法在Mg-2Zn-1Mn-0.5Ca合金上制備了Ag和羥基磷灰石復(fù)合涂層，該涂層顯著提高了合金在Hank溶液中的生物耐蝕性，同時(shí)也具有良好的抗菌性能。

在生物鎂合金的制備方面，本課題組前期針對(duì)不同成分的Mg-2.4Nd-xSr-yZr(x=0.1～1.1,y=0.1～0.5，質(zhì)量百分?jǐn)?shù))系列合金進(jìn)行了制備與性能表征，結(jié)果表明，Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr合金的力學(xué)性能、電化學(xué)性能等綜合表現(xiàn)最佳。基于此，本研究以該合金作為基底，以AgNO3溶液作為水熱介質(zhì)，通過水熱法在合金表面制備了耐蝕-抑菌保護(hù)膜，考察了水熱溫度和時(shí)間對(duì)所制膜層表面形貌、物相組成、耐蝕行為及抗菌性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)以Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr鎂基合金為基材(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。線切割得到尺寸為10 mm×10 mm×2 mm的樣片，用不同型號(hào)的SiC砂紙逐級(jí)打磨樣片表面(至2000#)并機(jī)械拋光后，用無(wú)水乙醇超聲清洗5 min，干燥后備用。

水熱試驗(yàn)在以聚四氟乙烯為內(nèi)襯的不銹鋼高壓釜中進(jìn)行。首先，將0.01 mol/L的AgNO3溶液倒入容量為20 mL的反應(yīng)釜中，填充度為75%；隨后將樣片放置于反應(yīng)釜中，通過恒溫干燥箱加熱至反應(yīng)溫度并保持一段時(shí)間后，取出試樣冷卻至室溫，用無(wú)水乙醇清洗干凈并吹干后，放置于干燥箱中備用。本實(shí)驗(yàn)采用的水熱條件分別為：90 ℃×1.5 h、120 ℃×1.5 h、120 ℃×2.5 h、150 ℃×1.5 h。

采用X’Pert Pro MPD型X射線衍射儀(XRD)分析樣品膜層的物相組成，衍射源為Cu靶Kα線，掃描范圍2θ為10°～90°，掃描速率為2°/min。通過配備有能譜儀(EDS)的Nano Nova-400型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)對(duì)樣品的表面形貌及微區(qū)成分進(jìn)行表征，并根據(jù)SEM照片測(cè)量膜層的厚度。

電化學(xué)測(cè)試在Auto Lab PGSTAT204型電化學(xué)工作站上進(jìn)行。采用三電極體系，工作電極為樣品，輔助電極為Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，腐蝕介質(zhì)為仿生溶液(SBF)，其化學(xué)組分列于表1中，測(cè)試環(huán)境溫度為室溫。動(dòng)電位極化曲線測(cè)定在開路電位測(cè)試1 h后進(jìn)行，電位VOCP的范圍為-250～+250 mV，掃描速率為1 mV/s。電化學(xué)阻抗譜(EIS)測(cè)試頻率范圍為105～107Hz，測(cè)試點(diǎn)數(shù)為71，交流電壓幅值為10 mV。

表1 SBF溶液的化學(xué)組分(單位：g/L)

采用抑菌圈法測(cè)試樣品的抗菌性能。菌種為金色葡萄球菌，具體步驟為：先將1 g蛋白胨、0.5 g酵母提取物、1 g NaCl、1.5 g瓊脂粉﹑0.24 g MgSO4溶于100 mL蒸餾水中，制備LB固體培養(yǎng)基；然后將菌種通過LB液稀釋至1×109CFU/mL，均勻涂布于平板表面；最后，將樣品放置在固體培養(yǎng)基上，在37 ℃恒溫箱中有氧培養(yǎng)24 h，用數(shù)碼相機(jī)拍照并測(cè)量抑菌圈的直徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 膜層的表征

圖1為不同水熱反應(yīng)條件下制得鎂合金樣品的XRD圖譜。由圖1可知，所制樣品的膜層均主要由Mg(OH)2和Ag構(gòu)成，其中90 ℃×1.5 h條件下，基體Mg的衍射峰強(qiáng)度最強(qiáng)，Mg(OH)2衍射峰強(qiáng)度較弱，這可能是由于反應(yīng)溫度較低，樣片表面未能生成完整的Mg(OH)2膜層。當(dāng)水熱條件為150 ℃×1.5 h時(shí)，樣品中Mg(OH)2相的衍射峰強(qiáng)度相對(duì)較高，表明該條件下Mg基體水熱反應(yīng)更完全，生成的Mg(OH)2的結(jié)晶程度更高；另外，此條件下制得樣品的XRD衍射圖譜中未觀察到Ag相的衍射峰，可能與Mg(OH)2膜層較厚且膜層中含Ag量較少有關(guān)，并且其它水熱條件下制得樣品中Ag相的衍射峰強(qiáng)度相比于其他相也較弱。

圖1 試樣的XRD圖譜

圖2為不同水熱反應(yīng)條件下制得鎂合金樣品的SEM照片。從圖2中可以觀察到，樣品的膜層底部主要由層片狀的物質(zhì)組成，在其上方分布著聚集態(tài)的顆粒狀物質(zhì)，且膜層表面還存在由薄片組成的花狀結(jié)構(gòu)。隨著水熱溫度的升高，樣品表面膜層上的片狀物質(zhì)更為致密，顆粒狀結(jié)構(gòu)減少，其中當(dāng)水熱條件為150 ℃×1.5 h時(shí)，生成的納米級(jí)層片狀結(jié)構(gòu)在基體表面形成了較好的保護(hù)膜層。

為進(jìn)一步了解水熱樣品表面膜層的物相組成，對(duì)具有典型特征的120 ℃×2.5 h樣品的膜層進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如圖3所示。圖3中EDS能譜分析結(jié)果顯示，點(diǎn)A處納米薄片中Mg、O元素的原子比約為1∶2，結(jié)合上述XRD分析可知，該區(qū)域主要是由片層狀Mg(OH)2組成；點(diǎn)B處則主要是片層狀Mg(OH)2和顆粒狀A(yù)g聚集形成的。

(a) 90 ℃×1.5 h (b) 120 ℃×1.5 h

(c) 120 ℃×2.5 h (d) 150 ℃×1.5 h

圖3 120 ℃×2.5 h條件下所制樣品的EDS圖譜

圖4為不同水熱反應(yīng)條件下制得鎂合金樣品截面的SEM照片及各元素在膜層附近的EDS線掃描分析結(jié)果，圖中合金基體與深灰色環(huán)氧樹脂所夾的中間層即為表面膜層。EDS線掃描結(jié)果顯示，表面膜層主要元素為Mg、O，而C主要來(lái)自于環(huán)氧樹脂。在90 ℃×1.5 h、120 ℃×1.5 h、120 ℃×2.5 h、150 ℃×1.5 h水熱條件下，測(cè)得樣品表面膜層的平均厚度依次為20、26、35、91 μm?？梢?，隨著水熱溫度的提高及反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，樣品表面生成的膜層厚度逐漸增加。

Mg在AgNO3溶液中進(jìn)行水熱處理時(shí)，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可由下列方程式表示：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(a) 90 ℃×1.5 h (b) 120 ℃×1.5 h

(c) 120 ℃×2.5 h (d) 150 ℃×1.5 h

圖4試樣截面的SEM照片及EDS線掃描分析

Fig.4Cross-sectionalSEMimagesandEDSline-scanninganalysisofthesamples

在高壓反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行水熱反應(yīng)時(shí)，H2O電離常數(shù)往往隨著溫度的升高及壓力的增加而增大，故基體中的Mg與水電離生成的OH-反應(yīng)加劇，在短時(shí)間內(nèi)形成較厚的膜層[8]。水熱處理開始階段，基體與溶液界面處產(chǎn)生大量Ag和Mg(OH)2顆粒，聚集并覆蓋在基體表面；隨后，水通過顆粒間隙或孔隙，滲透進(jìn)基底并與之反應(yīng)，生成大量的Mg(OH)2晶體并聚集。通過不斷重復(fù)以上過程，最終在Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr鎂合金基底表面形成了致密的膜層。此過程中，先前產(chǎn)生的Ag和Mg(OH)2顆粒一直聚集在膜層表面，這與圖4所示在膜層內(nèi)部未檢測(cè)到Ag元素的結(jié)果相一致。

2.2 膜層的耐蝕性能分析

圖5所示為鎂合金基底及不同水熱條件下制得樣品在SBF溶液中的極化曲線，根據(jù)極化曲線擬合得到腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流密度jcorr列于表2中。結(jié)合圖5和表2可知，鎂合金基底和水熱試樣的腐蝕電位Ecorr在-1.40～-1.53 V范圍內(nèi)變化，無(wú)明顯的差異。一般而言，腐蝕電位越大意味著腐蝕傾向越小，但腐蝕電位與腐蝕速率并無(wú)直接關(guān)系，腐蝕速率主要由腐蝕電流密度決定[9]。與未處理的鎂合金基底相比，具有膜層的Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr合金腐蝕電流密度降低了至少約一個(gè)數(shù)量級(jí)，且下降程度隨著膜層厚度的增加而增大。特別是當(dāng)水熱條件為150 ℃×1.5 h時(shí)，所制樣品的膜層最厚且最為致密，對(duì)應(yīng)的腐蝕電流密度最低，表明該水熱條件下所制樣品的耐蝕性最好?？梢姡砻鍹g(OH)2膜層的形成能夠有效提升Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr鎂合金的耐蝕性能。

圖5 試樣在SBF溶液中的極化曲線

Fig.5PolarizationcurvesofthesamplestreatedinSBFsolution

表2試樣的腐蝕電位和腐蝕電流密度

Table2Corrosionpotentialsandcorrosioncurrentdensitiesofthesamples

水熱條件Ecorr/Vjcorr/A·cm-2未處理-1.4554.149×10-590 ℃×1.5 h-1.4738.055×10-6120 ℃×1.5 h-1.5283.807×10-6150 ℃×1.5 h-1.5094.702×10-7120 ℃×2.5 h-1.4011.878×10-6

圖6所示為鎂合金基底及不同水熱條件下制得樣品在SBF溶液中的電化學(xué)阻抗譜。從圖6可以看出，水熱處理后的試樣在高頻和中低頻區(qū)存在有兩個(gè)容抗弧，未處理的基底則由中高頻的容抗弧和低頻的感抗弧組成。中頻容抗弧代表電荷傳遞電阻，一般反映腐蝕阻力的大小[10]。經(jīng)過不同條件水熱處理后，所制樣品的容抗弧均大于鎂合金基底的容抗弧，且隨水熱溫度的升高，樣品容抗弧越大。當(dāng)水熱條件為150 ℃×1.5 h時(shí)，制得樣品的容抗弧最大，表明膜層對(duì)電荷傳遞阻力最大，極大降低了Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr合金的腐蝕速率，這與圖5所示樣品的極化曲線測(cè)試結(jié)果一致。通常認(rèn)為，高頻區(qū)的容抗弧與試樣/介質(zhì)界面Cl-吸附有關(guān)[11]，水熱處理后還存在高頻區(qū)的容抗弧表明，該膜層對(duì)Cl-有較好的吸附能力，可以減少溶液中Cl-含量，從而降低鎂合金的腐蝕速率。此外，低頻區(qū)域的數(shù)據(jù)點(diǎn)大多較為離散，這可能是由于低頻區(qū)體系穩(wěn)定性因發(fā)生了電位漂移而有所變化[12]。

圖6 試樣在SBF溶液中的電化學(xué)阻抗譜

2.3 膜層抗菌性能分析

圖7為鎂合金基底及不同水熱反應(yīng)條件下制得的試樣對(duì)金色葡萄球菌的抗菌效果照片。如圖7所示，Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr合金并未表現(xiàn)出抗菌性，而水熱反應(yīng)后的試樣周圍均出現(xiàn)了明顯的抑菌圈。當(dāng)水熱條件為90 ℃×1.5 h、120 ℃×1.5 h、150 ℃×1.5 h、120 ℃×2.5 h時(shí)，制得樣品的抑菌圈直徑大小依次為22、23、13、22 mm，其中150 ℃×1.5 h條件下樣品抑菌圈最小。結(jié)合圖2所示的SEM照片可知，該樣品表面顆粒狀結(jié)構(gòu)較少，對(duì)應(yīng)于水熱處理后樣品表面Ag含量較少，并且Mg(OH)2膜層較厚減緩了Ag+的釋放，而Ag+與金色葡萄球菌接觸后會(huì)與細(xì)菌體內(nèi)蛋白酶發(fā)生反應(yīng)，使之喪失活性，同時(shí)也會(huì)破壞微生物的呼吸系統(tǒng)、電子運(yùn)輸系統(tǒng)和物質(zhì)傳輸系統(tǒng)，導(dǎo)致細(xì)菌死亡[13]。綜合上述分析可知，所制Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr鎂合金表面含Ag的Mg(OH)2膜層對(duì)金色葡萄球菌有明顯的抗菌作用，但膜層較厚(含Ag少)可能會(huì)影響所制樣品的抗菌效果。

(a)裸基體 (b) 90 ℃×1.5 h (c) 120 ℃×1.5 h

(d) 150 ℃×1.5 h (e) 120 ℃×2.5 h

圖7試樣的抑菌圈照片

Fig.7Inhibitionzonephotosofthesamples

3 結(jié)論

(1) 于不同的水熱溫度和時(shí)間條件下，在AgNO3溶液介質(zhì)中對(duì)Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr合金進(jìn)行水熱處理后，合金表面形成了厚度為20～91 μm且具有抑菌功能的耐腐蝕膜層，膜層均勻致密，主要由層片狀Mg(OH)2和顆粒狀A(yù)g/Mg(OH)2聚集而成的。

(2) 隨著水熱溫度的升高及反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，所制鎂合金樣品的膜層厚度逐漸增加，且樣品的耐腐蝕性能也隨著膜層厚度的增加而提高。當(dāng)水熱條件為150 ℃×1.5 h時(shí)，所制樣品的膜層最厚，腐蝕電流密度最小(4.702×10-7A·cm-2)，耐蝕性能達(dá)到最佳。

(3) 水熱處理后的鎂合金樣品對(duì)金色葡萄球菌均具有明顯的抗菌作用，這主要由膜層中Ag的抗菌能力所主導(dǎo)。