多孔鎂表面微弧氧化涂層和 氟化學轉(zhuǎn)化涂層的對比研究

陳姍姍，顧桂松,2，郭全忠，張炳春，杜克勤，楊柯，李玉海

（1.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016；2.遼寧科技大學，遼寧 鞍山 114051； 3.沈陽理工大學，沈陽 110168）

隨著人口老齡化現(xiàn)象的加劇，老年人群因骨質(zhì)疏松引發(fā)的骨折，因腫瘤、骨髓炎等骨科疾病帶來的骨組織病變或缺損等，均需要應用骨修復材料進行填充[1-4]。傳統(tǒng)治療骨缺損和完成骨組織功能修復主要依賴于自體骨或異體骨移植，但由于自體骨來源有限，異體骨的免疫原性問題限制了這兩種移植手段的臨床應用[5-6]?？山到怄V合金因具有降解產(chǎn)物呈堿性、可以促進新骨生成等特性，是骨科研究領(lǐng)域中備受青睞的新興生物材料。

鎂合金的降解速率過快，一直是制約其臨床應用的瓶頸問題。人們在如何降低鎂合金的降解速率方面進行了大量研究。其中，研究較多的是在鎂合金表面制備防護涂層，通過涂層對基體的物理屏蔽作用來隔離腐蝕介質(zhì)與鎂合金基體之間的直接接觸。在鎂合金表面防護涂層的研究中，通過浸泡法制備化學轉(zhuǎn)化涂層和通過電化學方法制備微弧氧化涂層較為常見?；瘜W轉(zhuǎn)化涂層的制備方法簡便，對材料形狀要求不高，并且這種涂層的形成機制是由浸泡介質(zhì)與鎂合金基體直接發(fā)生化學反應，因此涂層與鎂合金基體之間的結(jié)合性能較好。比較常見的鎂合金表面的化學轉(zhuǎn)化涂層有高錳酸鹽化學轉(zhuǎn)化膜[7]、錫酸鹽化學轉(zhuǎn)化膜[8]、稀土轉(zhuǎn)化膜[9-10]、鈣/磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜[11-12]、氟化學轉(zhuǎn)化膜[13-14]等。微弧氧化法制備的涂層是通過改變電解液的成分來調(diào)整涂層的化學組成，通過調(diào)控電壓、脈寬等電參數(shù)來控制涂層的孔隙度、厚度等。比較常見的鎂合金表面的微弧氧化涂層有硅酸鹽涂層[15]、含鍶（Sr）涂層[16]等。不同類型的涂層具有不同的特點。

多孔鎂是帶有孔隙的鎂金屬，其為骨長入提供足夠的空間，是一種更加適宜用于骨缺損修復的材料。與塊狀鎂金屬相比，多孔鎂具有更高的比表面積，在相同條件下的降解速率更快，因此，對防護涂層的要求更高。多孔鎂的結(jié)構(gòu)特點使涂層反應液難以到達微小孔隙中，以至于孔隙內(nèi)無法進行涂層防護。鈣磷涂層由于與骨組織成分相近，因此，是一種良好的骨植入器件的涂層材料。鈣磷涂層可以通過化學轉(zhuǎn)化法制備，但研究結(jié)果顯示，多孔鎂表面的鈣磷涂層難以進入孔隙中，表面沉積的鈣磷鹽會將孔隙通道堵塞[17]，因此，需要采用一種可以實現(xiàn)孔隙內(nèi)成膜，并達到防護效果的涂層技術(shù)。由于氟化學轉(zhuǎn)化涂層是一種在鎂金屬表面原位生成，具有相對致密、均勻、與基體結(jié)合良好的涂層，對鎂金屬的防護作用明顯，因此，本文選擇氟化學轉(zhuǎn)化法來對多孔鎂進行表面防護處理。此外，微弧氧化法是利用鎂金屬樣品通電，在樣品與電解液界面處形成氧化層的涂層方法，這種涂層會在制備過程中形成大量微孔（是微區(qū)放電形成的），涂層厚度可通過調(diào)控電壓和電解時間來控制，是目前工業(yè)應用比較廣泛的技術(shù)。因此，本文也選擇了微弧氧化涂層來提高多孔鎂的耐腐蝕性能，以期涂層中的微孔能促進新生骨的粘附和增殖?；谇捌谘芯拷Y(jié)果和文獻報道的結(jié)果，本文采用優(yōu)化后的兩種涂層制備工藝在多孔鎂表面制備防護涂層，通過對比兩種涂層處理后多孔鎂的表面與截面形貌、涂層厚度、浸泡過程中的降解情況，來篩選更適合用來處理骨修復用多孔鎂的涂層方法，并為進一步的應用提供研究依據(jù)。

1 實驗

1.1 多孔鎂的制備

選用尺寸為φ5 mm×2 mm 的純鎂片，鎂片純度為99.9%。采用Pro-grammable 多功能激光器來制備多孔鎂，以氧氣作為輔助氣體。激光打孔采用的有效輸出電壓為800～1000 V，脈沖寬度為3 ms，頻率為10 Hz。激光打孔后，用酸洗液去除激光加工產(chǎn)生的熔渣和氧化物，以得到表面光亮、孔隙貫通的多孔鎂片。酸洗液成分見表1。樣品圖紙詳見圖1。

表1 去除氧化物的酸洗液組成 Tab.1 Composition of acid solution for removal of the corrosion products

1.2 涂層的制備方法

1.2.1 微弧氧化涂層

采用自主研發(fā)的微弧氧化加工設備來制備微弧氧化涂層，設備主要包括雙極性脈沖電源、攪拌系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)。樣品和不銹鋼片分別為陽極和陰極。電解液的成分為：9～12 g/L NaOH，15～20 g/L Na3PO4，1～2 g/L NaF。電解液的溫度控制在30 ℃之下。電壓波形如圖2 所示。脈沖頻率為1000 Hz，正向脈寬to+n= 0.5 ms，負向脈寬to-n=0.3 ms，間歇脈寬to-ff=0.2 ms，負向電壓為30 V，正向電壓為380 V，處理時間為2 min。以上工藝參數(shù)的選擇以前期優(yōu)化結(jié)果[18]為 依據(jù)。

圖2 微弧氧化過程中的電壓波形圖 Fig.2 Voltage wave for micro-arc oxidation process

1.2.2 氟化學轉(zhuǎn)化涂層

將多孔鎂浸泡在質(zhì)量分數(shù)為40%的氫氟酸溶液中，在30 ℃下處理24 h。取出樣品后，用大量流水沖洗以去除表面殘留的酸液。室溫干燥，待用。該涂層處理工藝是經(jīng)過大量研究后獲得的優(yōu)化工藝參數(shù)[14]。

1.3 表面與孔隙內(nèi)涂層形貌的表征

將兩種涂層處理的多孔鎂鑲嵌在環(huán)氧樹脂中，沿垂直于涂層方向磨拋樣品，以便觀察涂層在孔隙內(nèi)的形貌及厚度。將噴金處理后的樣品在JSM-6700F 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）上進行觀察，拍攝不同放大倍數(shù)的涂層形貌，并采用掃描電鏡中的尺寸測量功能測量涂層的厚度。同時，采用掃描電鏡中能譜分析（EDS）的面掃描功能，記錄涂層中的主要元素在涂層中的分布情況。

1.4 多孔鎂降解實驗

通過檢測浸泡過程中溶液的pH 值和鎂離子濃度，來評價多孔鎂的降解情況。為了消除浸泡介質(zhì)中基礎(chǔ)離子對鎂降解釋放的鎂離子濃度的影響，本文采用不含鈣離子和鎂離子的D-Hank`s 模擬體液（溶液的主要組成見表2）進行降解實驗。將兩種涂層處理的多孔鎂浸泡在D-Hank’s 模擬體液中，浸泡比例為1.25 cm2/mL，每天換液，測量分別浸泡2、4、6、8、14、21 d 時浸泡介質(zhì)的pH 值，并測量浸泡7、14、21 d 時浸泡介質(zhì)中的鎂離子濃度。按照1.3 節(jié)中的方法對浸泡后涂層表面與截面形貌進行表征。

表2 D-Hank’s 溶液（不含鈣、鎂離子） Tab.2 Composition of D-Hank’s solution (Ca2+ and Mg2+ free) g/L

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 涂層形貌分析

為了降低多孔鎂的降解速率，分別在多孔鎂表面 制備微弧氧化涂層和氟化學轉(zhuǎn)化涂層，涂層表面形貌如圖3 所示。圖3a—c 為微弧氧化涂層處理的多孔鎂外表面，圖3d 和圖3e 為其孔內(nèi)表面涂層形貌。由此可看出，多孔鎂外表面的微弧氧化涂層均勻，涂層局部有晶狀物沉積，而其內(nèi)表面由于經(jīng)過激光刻蝕并酸洗處理，低倍下觀察到內(nèi)表面比較粗糙，而在高倍下觀察涂層形貌，其形貌特征與外表面涂層形貌相當，并且微弧氧化涂層具有多孔結(jié)構(gòu)，孔隙尺寸在微米量級。圖3f—h 為氟化學轉(zhuǎn)化涂層處理多孔鎂外表面，圖3i 和圖3j 為其孔內(nèi)表面涂層形貌。從圖中可以看出，氟化學轉(zhuǎn)化涂層在多孔鎂外表面及孔隙內(nèi)表面分布均勻，致密性明顯優(yōu)于微弧氧化涂層，但涂層中仍存在少量氣孔。

2.2 涂層截面形貌分析

圖4 為兩種涂層處理多孔鎂的截面形貌。圖4a、b 分別為多孔鎂表面的孔隙內(nèi)和空隙外表面處微弧氧化涂層的截面形貌，從中可見涂層中明顯存在有孔隙，與基體銜接處的涂層相對致密，且孔內(nèi)涂層厚度較孔外涂層厚度略薄，內(nèi)外涂層厚度比約為0.91。經(jīng)測量每組3 個樣品的內(nèi)表面和外表面涂層的厚度，內(nèi)、外表面涂層厚度范圍分別為(14.16±1.09) μm 和(14.65±1.25) μm。從圖4c 中可以看出，在微弧氧化涂層中，氧和磷作為涂層的主要組成元素，均勻地分布在涂層中。相比于微弧氧化涂層，氟化學轉(zhuǎn)化涂層較薄。圖4d 和圖4e 分別為多孔鎂的孔內(nèi)涂層和孔外涂層的截面形貌，其致密性明顯優(yōu)于微弧氧化涂層， 放大1000 倍未發(fā)現(xiàn)有貫穿的孔隙，且孔內(nèi)涂層較孔外涂層薄，內(nèi)外涂層厚度比約為0.76。經(jīng)測量，每組3 個樣品的外表面涂層厚度范圍為(2.23±0.25) μm。由圖4f 可見，氟是涂層中的主要組成元素。

2.3 降解性能分析

通過檢測浸泡過程中浸泡介質(zhì)的酸堿度和鎂離子質(zhì)量濃度，來評價兩種涂層處理的多孔鎂的降解性能。如圖5a 所示，微弧氧化涂層在浸泡過程中對多孔鎂的防護作用相對穩(wěn)定，在浸泡21 d 內(nèi)，浸提液的pH 值基本維持在9 左右；而氟化學轉(zhuǎn)化涂層在浸泡初期對多孔鎂的防護作用更明顯，溶液pH 值在9以下，隨著浸泡時間的延長，浸泡介質(zhì)的pH 值逐漸升高，并維持在9.6 左右。由鎂離子質(zhì)量濃度與時間 的關(guān)系圖（圖5b）可見，經(jīng)氟化學轉(zhuǎn)化涂層處理的多孔鎂浸泡 1 d 后，溶液中鎂離子的質(zhì)量濃度為10 mg/L 左右；而經(jīng)微弧氧化涂層處理的多孔鎂溶液中，鎂離子的質(zhì)量濃度高達25 mg/L 左右。隨著浸泡時間的延長，氟化學轉(zhuǎn)化涂層處理的多孔鎂的浸泡溶液中，鎂離子的質(zhì)量濃度逐漸升高，21 d 后達到20 mg/L 以上，而微弧氧化涂層處理的多孔鎂的溶液中，鎂離子的質(zhì)量濃度呈逐漸降低的趨勢。

2.4 涂層降解后的表面形貌分析

圖6 為兩種涂層處理的多孔鎂經(jīng)浸泡21 d 后的表面形貌。如圖6a—e 所示，微弧氧化涂層表面出現(xiàn)大量沉積物，沉積物呈針狀團簇，涂層中的微孔被大量針狀沉積物覆蓋。從圖6f—j 可以看出，氟化學轉(zhuǎn)化涂層表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，表面未見明顯的降解產(chǎn)物沉積。對比浸泡前后微弧氧化涂層形貌可以看出，微弧氧化涂層中的大量孔隙消失，涂層表面出現(xiàn)大量針狀沉積物，而氟化學轉(zhuǎn)化涂層處理的多孔鎂表面除了產(chǎn)生大量裂紋，形貌變化不大。

2.5 涂層降解后的截面形貌分析

圖7 為兩種涂層處理的多孔鎂經(jīng)浸泡21 d 后的 截面形貌。如圖7a—c 所示，與浸泡前的涂層截面形貌相比，微弧氧化涂層處理的多孔鎂孔內(nèi)與孔外表面皆變得致密，孔隙消失，外表面涂層厚度由(14.92± 0.52) μm 增加到(19.54±1.54) μm，同時孔內(nèi)表面涂層厚度也略有增加，但由于孔內(nèi)涂層均勻性較差，孔內(nèi)基體發(fā)生腐蝕現(xiàn)象明顯；從元素分布情況來看，涂層表面有不規(guī)則針狀降解產(chǎn)物出現(xiàn)，涂層內(nèi)側(cè)的氧元素分布較集中，表明涂層內(nèi)側(cè)基體發(fā)生降解，形成鎂的氧化物或氫氧化物。從圖7d—f 可見，浸泡后的外表面氟化學轉(zhuǎn)化涂層厚度由(2.23±0.25) μm 增加到(5.9± 0.56) μm；從元素分布情況來看，氟元素存在于氟化學轉(zhuǎn)化涂層的原來位置上，而氧元素分布在氟元素內(nèi)側(cè)，并逐漸向鎂基體擴散。以上涂層厚度測定均采用每組3 個樣品進行測量，涂層厚度范圍經(jīng)測定結(jié)果計算得到。

2.6 微弧氧化涂層降解產(chǎn)物分析

從圖8a 可以明顯看出，微弧氧化涂層在浸泡過程中會形成大量針片狀降解產(chǎn)物，降解產(chǎn)物的形成填充涂層的孔隙，使原本疏松、多孔的涂層變得致密。圖8b 所示，降解產(chǎn)物的組成元素包括鎂、氧、磷和碳。推斷降解產(chǎn)物的主要成分為磷酸鎂和氧化鎂。

圖8 微弧氧化涂層處理多孔鎂浸泡21 d 后的表面形貌和降解產(chǎn)物的能譜分析 Fig.8 Surface morphology (a) and energy spectrum analysis (b) of degradation products on porous magnesium with MAO coating after 21 days immersion

3 分析討論

本文選擇兩種防護性能較好的涂層處理方法來對多孔鎂進行表面涂層處理，以期提高多孔鎂的耐腐蝕性能，降低其降解速率?；趦煞N涂層的形成機制不同，對比兩種涂層降解前后的表面和截面形貌、多孔結(jié)構(gòu)中孔隙內(nèi)的表面和截面形貌，以及相應的降解速率，來篩選更適宜于應用到骨缺損修復的多孔鎂的表面防護涂層。微弧氧化法制備的涂層源于初生的氧化膜被高壓擊穿形成弧光放電，孤光形成的瞬間產(chǎn)生高溫高壓使局部氧化膜熔融，電解液將熱量帶走，局部氧化膜凝固，形成孔洞，反應循環(huán)往復進行，會形成多孔的涂層結(jié)構(gòu)[19]。研究結(jié)果顯示，微弧氧化涂層的厚度較大，涂層中存在大量微孔，且微孔多為貫穿孔。涂層的組成元素為鎂、磷和氧，涂層可以完整地覆蓋多孔鎂的孔隙結(jié)構(gòu)中。而氟化學轉(zhuǎn)化涂層的形成過程是鎂基體與酸反應產(chǎn)生氫氣并通過涂層逸出所致[20]。研究結(jié)果顯示，氟化學轉(zhuǎn)化涂層厚度較小，涂層相對致密，但涂層中仍有少量孔隙存在。前期研究結(jié)果表明[14]，氟化學轉(zhuǎn)化涂層的厚度主要由處理時間決定，但當處理時間達到24 h 時，涂層的厚度趨于穩(wěn)定，達到2.5 μm。因此，本文選擇處理24 h 作為多孔鎂的處理時間參數(shù)。

兩種涂層處理多孔鎂的降解性能研究結(jié)果表明，氟化學轉(zhuǎn)化涂層因其良好的涂層致密性，初期對多孔鎂基體的防護作用明顯，隨著浸泡時間的延長，由于涂層的厚度較小，浸泡介質(zhì)可逐漸滲透進入基體，以及防護涂層逐漸降解，從而使涂層的防護作用逐漸降低。微弧氧化涂層呈多孔結(jié)構(gòu)，部分孔隙貫穿分布，浸泡介質(zhì)易于穿過孔隙，到達基體，初期對多孔鎂基體的防護作用較差，隨著基體的不斷降解，孔隙會被生成的降解產(chǎn)物所填塞，起到封孔的作用，因此，浸泡后期涂層對多孔鎂的防護作用愈加明顯。對比兩種涂層處理的多孔鎂浸泡過程中浸泡介質(zhì)的pH 值可以看出，微弧氧化涂層處理的多孔鎂雖然初期降解速率較快，但降解過程中的降解速率相對穩(wěn)定，在整個浸泡周期內(nèi)，浸泡介質(zhì)的pH 值保持在一個相對穩(wěn)定的區(qū)間（8.5～9.5），該區(qū)間是有利于成骨的環(huán)境區(qū)間[21]，因此，該pH 范圍的浸提液也不會對周圍組織造成明顯的毒性反應。隨著浸泡時間的延長，微弧氧化涂層處理的多孔鎂的降解速率呈降低趨勢。而氟化學轉(zhuǎn)化涂層處理的多孔鎂在初期降解速率較慢，隨后降解速率升高，浸泡介質(zhì)的pH 值為8～10。有研究表明[22]，當pH 值達到10 時會對細胞造成明顯毒性，因此氟化學轉(zhuǎn)化涂層處理的多孔鎂的后期生物安全性低于微弧氧化涂層。此外，又對兩種涂層處理的多孔鎂降解后的形貌進行分析。

經(jīng)涂層處理的多孔鎂在模擬體液中浸泡21 d 后，微弧氧化涂層表面沉積了大量的降解產(chǎn)物，降解產(chǎn)物的微觀形貌為針狀結(jié)構(gòu)，對涂層截面進行觀察可見，涂層中原有的微孔被大量針狀降解產(chǎn)物填塞，涂層變得相對致密。而氟化學轉(zhuǎn)化涂層表面未見明顯的降解產(chǎn)物沉積，表面出現(xiàn)大量龜裂，從元素分布情況來看，氟元素存在于原氟化學轉(zhuǎn)化涂層的位置，而氧元素逐漸向鎂基體擴散。這種金屬基體向金屬氫氧化物和氧化物的轉(zhuǎn)化，可能是導致氟涂層浸泡后在干燥和真空條件下發(fā)生龜裂的原因。這種氟化學轉(zhuǎn)化涂層的降解過程與前期研究結(jié)果[23]規(guī)律一致。同樣的龜裂也發(fā)生在浸泡后的微弧氧化涂層中，但這種龜裂現(xiàn)象是干燥過程中產(chǎn)生的，這種裂紋不會出現(xiàn)在多孔鎂浸泡過程中，因此不會影響涂層對多孔鎂的防護性能。浸泡一段時間后，兩種涂層的厚度均明顯增加，表明浸泡介質(zhì)已滲透涂層并進入基體，導致基體降解。但未發(fā)現(xiàn)明顯的點蝕現(xiàn)象，以均勻腐蝕為主，降解較為緩和。由于實驗采用的浸泡介質(zhì)是不含鈣和鎂的模擬體液，因此，沒有發(fā)現(xiàn)大量的鈣、磷產(chǎn)物的形成。但根據(jù)無機鹽晶體析出理論，如果浸泡介質(zhì)中有鈣的存在，會在多孔鎂周圍pH 值升高的情況下形成鈣、磷鹽的產(chǎn)物，其將會誘導新生骨的形成，促進骨組織愈合。前期關(guān)于氟化學轉(zhuǎn)化涂層處理多孔鎂在動物體內(nèi)對骨組織修復影響方面的研究結(jié)果證實，氟涂層處理的多孔鎂具有良好的體內(nèi)生物相容性和一定的骨誘導作用，但經(jīng)氟化學轉(zhuǎn)化涂層處理的多孔鎂植入動物體內(nèi)1 個月后的降解速率仍較快，新生骨組織長入速率明顯低于多孔鎂支架的降解速率[24]。因此，亟待尋求一種降解速率更慢，且具有良好生物相容性的涂層技術(shù)應用于多孔鎂的表面防護，來實現(xiàn)多孔鎂降解與骨組織修復相匹配的理想目標。具有微弧氧化涂層的多孔鎂的初期降解速率快于氟化學轉(zhuǎn)化涂層處理，源于涂層結(jié)構(gòu)中存在大量孔隙，但降解產(chǎn)生的堿性沒有達到對骨組織產(chǎn)生毒性的范圍。而且這種孔隙可以通過后期處理加以控制，包括微弧氧化后再進行水熱處理來實現(xiàn)封孔，從而進一步降低多孔鎂的初期降解速率[25]。

4 結(jié)論

1）采用激光打孔的方法制備了多孔鎂合金實驗材料。

2）在多孔鎂合金表面制備了微弧氧化和氟化學轉(zhuǎn)化兩種防護涂層，兩種涂層技術(shù)在多孔鎂合金表面制備的涂層均能滿足對基體的全方位防護，孔隙內(nèi)涂層也較完整。

3）經(jīng)兩種防護涂層處理的多孔鎂合金的耐腐蝕性能得到很大提高，多孔鎂基體降解呈均勻降解模式。微弧氧化涂層原本呈現(xiàn)的多孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)浸泡后，被大量針狀降解產(chǎn)物填充、覆蓋，從而提高了微弧氧化涂層對基體的防護。

4）對比兩種涂層處理技術(shù)對多孔鎂合金的防護作用，微弧氧化涂層技術(shù)處理的多孔鎂合金更適用于骨科填充材料的應用。