堿水熱處理對生物醫(yī)用金屬鎂降解性能的影響

李柯婷，羅玉梅，王清會，李智

（1.成都醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，成都 610500； 2.南部縣人民醫(yī)院 藥械科，南充 637300）

引言

最近幾十年，科學(xué)家們努力研究開發(fā)可降解植入材料替代在長期使用中表現(xiàn)出嚴(yán)重缺陷的永久性植入材料[1]。具有高的比強(qiáng)度，良好生物可降解性和生物相容性的鎂及其合金用于植入材料引起了人們的廣泛關(guān)注[2]?？山到庵踩胛飳τ袡C(jī)體應(yīng)是無毒，并且能對周圍的組織提供充足的力學(xué)支撐直到組織完全愈合，降解不會引起嚴(yán)重的炎癥或免疫反應(yīng)。盡管鎂及其合金滿足了其中一些要求，但在體液環(huán)境中腐蝕較快，失去力學(xué)強(qiáng)度和皮下氫氣的累積使得植入失敗。通過表面改性能提高可降解植入物的耐腐蝕性能。例如陽極氧化、離子注入、微弧氧化、激光表面處理、氟處理、聚合物涂層等[3]。在所有這些表面改性技術(shù)中，化學(xué)處理是最簡單、經(jīng)濟(jì)，能制備均勻且粘附力較好的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)涂層。對于金屬生物材料常用堿水熱處理來進(jìn)行表面改性[4]。鎂及其合金在NaOH水溶液之類的堿性溶液中浸漬處理后，在相對高溫高壓的反應(yīng)環(huán)境中，在表面生成Mg(OH)2涂層。前期研究表明熱處理可以降低鎂及其合金的腐蝕率[5-7]。化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層的形成一般受溶液濃度、處理時間、溶液溫度等因素的影響。目前只通過單純的浸泡，采用NaOH在鎂合金上制備Mg(OH)2轉(zhuǎn)化膜，其制備主要集中研究NaOH濃度和處理時間。為了獲得最佳的工藝參數(shù)，本文采用正交試驗方法通過堿熱處理，在熱軋純鎂表面制備Mg(OH)2涂層，研究堿熱處理溫度，氫氧化鈉濃度，堿熱處理時間三個關(guān)鍵工藝參數(shù)對降解性能的影響。為鎂及其合金作為醫(yī)療器械的臨床應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗材料及方法

1.1 薄膜的制備

采用國產(chǎn)純度為99.93 %的熱軋鎂金屬φ16×5 mm作為基材，用不同目碳化硅砂紙（400、800、1 000、2 000目）打磨至無明顯劃痕。依次用去離子水、丙酮、無水乙醇溶液超聲清洗基材10 min，吹風(fēng)機(jī)暖風(fēng)吹干。然后使用NaOH溶液對純鎂基材進(jìn)行堿熱處理。通過設(shè)計三因素三水平正交實驗以確定所用較優(yōu)的NaOH濃度、溫度和時間。實驗條件設(shè)計如表1所示。

對正交實驗設(shè)計的9個實驗組分別進(jìn)行操作，將相應(yīng)濃度的NaOH溶液利用恒溫磁力攪拌器控制相應(yīng)的溫度，均勻攪拌到相應(yīng)時間，在裸鎂表面制備Mg(OH)2涂層，制備時所用NaOH溶液體積按照9.13 mL/cm2的比例進(jìn)行，再用適量無水乙醇浸泡2 min，再轉(zhuǎn)移到丙酮中浸泡2 min后取出自然風(fēng)干。將未處理的裸鎂和經(jīng)NaOH處理鍍上Mg(OH)2膜的試樣表示為Mg和Mg(OH)2試樣。

1.2 降解性能測試

采用電化學(xué)測試和浸泡實驗來評價鎂金屬的降解行為。將Mg和Mg(OH)2試樣分別在模擬體液（SBF）中浸泡14天，模擬體液成分參照文獻(xiàn)[8]，如表2所示。在實驗之前用NaOH或HCl溶液將SBF溶液pH值調(diào)節(jié)至7.4，并且在實驗期間將溫度保持在37±1 ℃，參照ASTM G31-72，鎂金屬按照67 mL/cm2的比例進(jìn)行腐蝕浸泡實驗。每24 h測試模擬體液pH值，記錄氫氣體積。腐蝕試驗后，將腐蝕后的金屬分別浸泡于鉻酸溶液（200 g / L CrO3）中20 min，去除金屬表面腐蝕產(chǎn)物。稱量干燥的樣品并計算腐蝕速率。在每個狀態(tài)下通過3個樣品計算數(shù)據(jù)。

采用CS電化學(xué)工作站作為電化學(xué)測試系統(tǒng)。測量試樣在37±1 ℃的SBF溶液中，試樣裸露表面積為0.785 cm2。電化學(xué)阻抗（EIS）測試頻率范圍在100 kHz～10 MHz之間，正弦擾動振幅為20 mV。極化曲線的掃描區(qū)間為-0.2～ 0.2 V，掃描速度為1 mV/s。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 涂層形貌特征

鎂與NaOH發(fā)生取代反應(yīng)，在金屬鎂表面形成難溶于水的Mg(OH)2涂層。未處理純鎂與經(jīng)過NaOH處理試樣的正置熒光顯微鏡成像如圖1所示。純鎂打磨清洗后未做其它處理的鎂樣，有銀色金屬光澤。經(jīng)過NaOH處理后的鎂樣，有黃色金屬光澤，并且金屬表面的劃痕，溝壑變小。

表1 鎂表面的NaOH處理優(yōu)化正交設(shè)計

表2 SBF（模擬體液）的含量組成（總體積1 L）

圖1 涂層試樣形貌

2.2 降解結(jié)果

熱軋純鎂的NaOH處理各組樣品經(jīng)過8 d的腐蝕浸泡試驗，去除腐蝕產(chǎn)物后的平面形貌見圖2所示。根據(jù)圖2（從左至右按1到9組排列）可以看出，SBF浸泡后的金屬都有不同程度的腐蝕。

Mg(OH)2試樣在Hanks’溶液中浸泡8 d后經(jīng)鉻酸溶液洗后的幾種代表的微觀形態(tài)如圖3所示?？梢钥闯龈g后金屬出現(xiàn)點蝕、線蝕，凹坑等。

試樣腐蝕會導(dǎo)致模擬體液pH升高，相同條件下，pH越高，耐腐蝕性越差。圖4為正交實驗9個實驗組浸泡8 d的pH變化，可以看出第一個24 h因更換了一次SBF，因此第2 d的pH出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，第2 d以后總體趨勢是先急后緩的上升。第7、8 d天的腐蝕程度相對較弱。

圖2 試樣在Hanks’溶液中浸泡8 d后的腐蝕形貌

圖3 Mg(OH)2試樣在Hanks’溶液中8 d后的微觀形態(tài)

對pH值的結(jié)果直觀分析，選取八天中pH值穩(wěn)定上升趨勢下第6、7、8天進(jìn)行分析，Ki表示對應(yīng)水平i在這列的pH值得和的平均值，并且表示Ki值中最小的最好。R為極差，計算如公式（1）：

R越大，代表該因子對實驗結(jié)果影響越大。對第6、7、8天的各優(yōu)水平進(jìn)行分析，如表3，A3B2C2這一組合水平最優(yōu)，即NaOH溶液的濃度為9 mol/L，溫度為75 ℃，時間為16 h最優(yōu)。根據(jù)極差的大小比較，各因子對pH值的影響作用從大到小排序為：溫度，濃度，時間。

方差分析能比較準(zhǔn)確的估計誤差的大小，精確的分析主次因素對pH的影響。方差分析中，表4為方差分析結(jié)果，由表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，計算公式如下：

式中：

FB、FC、ρB、ρC—計算同理；

S—平方和；

K—單因子和；

f—自由度；

F—方差；

ρ—因子所占比重；

D—誤差。

圖4 正交實驗優(yōu)化NaOH處理鎂樣條件8 d的pH比較

表3 第6、7、8天的各優(yōu)水平進(jìn)行直觀分析

分析表4的結(jié)果可知，八天的B比重比A和C的比重顯著多，除了第一天C比重比A比重多一點，其后七天都是A比重比C比重多，所以總體主次因素為，溫度為影響pH最顯著的因子，其次是濃度，時間。

對計算結(jié)果進(jìn)行正交分析，如表5發(fā)現(xiàn)結(jié)果優(yōu)水平同pH法，優(yōu)水平為A3B2C2，對重量影響最大的因子為溫度，其次濃度、時間，與pH法得出結(jié)果相同。最終得出優(yōu)化條件，9 mol/L，75 ℃，16 h。

將Mg和正交優(yōu)化條件下制備的Mg(OH)2試樣進(jìn)行降解性能測試。把試樣浸入Hanks’溶液，Mg表面很快出現(xiàn)氣泡，而Mg(OH)2試樣卻沒有氣泡出現(xiàn)。浸泡24 h后，Mg表面覆蓋一層白色腐蝕產(chǎn)物并且在燒杯的底部也有掉落的腐蝕產(chǎn)物。Mg(OH)2試樣只是稍微一些變化，外觀顏色變成暗灰色。浸泡14 d，去除腐蝕產(chǎn)物后的外觀如圖5 所示。未處理的Mg是連續(xù)的不平整腐蝕，腐蝕嚴(yán)重，而Mg(OH)2試樣則是腐蝕點。實驗表明Mg(OH)2試樣的腐蝕更小且是均勻的腐蝕。未處理Mg表面是不均勻腐蝕且有較大的腐蝕坑，在使用中會出現(xiàn)應(yīng)力集中，不適合用作負(fù)載植入材料[9]。

表4 正交實驗8 d的pH方差分析

表5 正交試驗腐蝕失重法直觀分析結(jié)果

圖5 浸泡后試樣的表面形貌

如圖6中(a)、(b)圖分別是析氫法與失重法的腐蝕速率圖。圖6(a)展示連續(xù)14天的析氫腐蝕速率。試樣放入Hanks’溶液后，裸Mg表面發(fā)生明顯的析氫腐蝕反應(yīng)，腐蝕速率不斷增加。裸Mg的腐蝕速率一直最高，且隨著浸泡時間的增加，裸Mg腐蝕表面的面積也隨著增加，腐蝕表面粗糙度增大，導(dǎo)致腐蝕速率增加，有學(xué)者也報道類似的觀測結(jié)果[7]。由于涂層的存在，Mg(OH)2試樣的腐蝕速率較低且平穩(wěn)。圖6(b)為試樣的質(zhì)量損失計算出腐蝕速率后所作圖，可以看出耐腐蝕性為Mg(OH)2試樣大于Mg。失重法的結(jié)果與析氫法結(jié)果相同。

Mg和Mg(OH)2的極化曲線可以在圖7中看到。一般，陰極曲線表示陰極氫離子還原反應(yīng)，而陽極曲線表示金屬的溶解反應(yīng)[10]。鎂經(jīng)Mg(OH)2涂層前后的自腐蝕電位和電流密度見表6。由于氫氧化鎂涂層的存在，使得腐蝕電位上升了。腐蝕電流密度（Icorr）反映的是腐蝕速率的快慢，腐蝕電流密度（Icorr）越小，表示腐蝕速率越慢，耐腐蝕性越好[11]。Mg(OH)2試樣顯示出比裸Mg的Icorr值低的值，其測量值為0.358 μA/cm2。氫氧化鎂涂層明顯提高了純鎂的耐蝕性，使純鎂的腐蝕電流密度降低了兩個數(shù)量級，降低了純鎂的腐蝕速率。這可歸因于Mg(OH)2薄膜阻礙了物質(zhì)（如水和氯）的滲透[12]。耐腐蝕性能從大到小與析氫法與失重法結(jié)果一致。

為了進(jìn)一步評價Mg和Mg(OH)2試樣在Hanks’溶液中的耐腐蝕性，進(jìn)行了電化學(xué)阻抗測試。圖8(a)為鎂經(jīng)Mg(OH)2涂層前后的試樣在Hanks’溶液中的Nyquist圖。由圖可以看出，涂覆氫氧化鎂樣品存在容抗弧，Nyquist圖的容抗弧半徑越大，表明鎂金屬表面電阻越大，試樣的腐蝕速率越小，其耐蝕性越好[13]。純鎂表面涂覆氫氧化鎂后，容抗弧顯著增加，說明涂層可以起到一定的阻隔作用，提高純鎂的耐蝕性。圖8(b)為鎂經(jīng)Mg(OH)2涂層前后試樣的Bode圖，Bode圖中低頻區(qū)電阻Z越大，表明試樣的耐蝕性越好。圖8(b)中顯示Mg(OH)2試樣比裸Mg提高了一個數(shù)量級；EIS測試說明Mg(OH)2試樣的耐腐蝕性高于裸Mg。有研究證明在金屬鎂上的Mg(OH)2涂層表面呈現(xiàn)一定的疏水性[14]。Mg(OH)2涂層能阻止腐蝕介質(zhì)進(jìn)入涂層內(nèi)部，提高了熱軋純鎂的耐蝕性。EIS測試結(jié)果與極化曲線結(jié)果一致。

圖6 試樣在Hanks’溶液中的析氫曲線、質(zhì)量損失率

圖7 鎂及其涂層的極化曲線

表6 鎂經(jīng)Mg(OH)2涂層前后的自腐蝕電位和電流密度

圖8 樣品的EIS測試結(jié)果

依據(jù)以上研究表明，采用NaOH熱處理在純鎂表面制備Mg(OH)2阻礙涂層是一種簡單轉(zhuǎn)換處理方法。Mg(OH)2涂層能增加純鎂的耐腐蝕性，但Mg(OH)2在含有Cl-的溶液中會出現(xiàn)溶解[15]?？蓪g(OH)2涂層作為一種預(yù)涂層為后續(xù)涂層處理來進(jìn)一步提高鎂及其合金的耐腐蝕性，達(dá)到生物醫(yī)用可降解材料的目的。

3 結(jié)論

1）利用堿熱處理在熱軋純鎂表面制備出Mg(OH)2涂層，通過正交試驗獲得最佳工藝參數(shù)為：9 mol/L氫氧化鈉，反應(yīng)溫度75 ℃，反應(yīng)時間16 h。

2）堿熱處理制備的涂層均勻致密，與基體結(jié)合良好，提高了涂層物理阻隔作用。浸泡腐蝕測試后樣品的腐蝕表面形態(tài)顯示具有Mg(OH)2涂層試樣表現(xiàn)更低和均勻的腐蝕。

3）浸泡和電化學(xué)測試表明Mg(OH)2涂層能顯著提高熱軋純鎂的耐腐蝕性。在堿熱處理前后熱軋純鎂具有最低的腐蝕電流密度0.358 μA/cm2，對熱軋純鎂的保護(hù)效率達(dá)到了97.76 %。