電泳沉積殼聚糖/綠原酸復(fù)合涂層的耐蝕性能

王晶彥，張德秋，牟立婷，何欣，李慕勤

（佳木斯大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 a.黑龍江省口腔生物醫(yī)學(xué)材料及臨床應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室b.教育部金屬耐磨材料及表面技術(shù)工程研究中心，黑龍江 佳木斯 154007）

硬組織生物材料在生物醫(yī)學(xué)中發(fā)揮著重要作用。目前，用于臨床應(yīng)用的不銹鋼、鈷鉻合金和鈦合金金屬材料，由于其高強(qiáng)度、高延展性、高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和良好的耐腐蝕性而常用于骨固定材料[1-2]。但是，很多材料的彈性模量遠(yuǎn)大于人體骨骼的彈性模量，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽作用。而且材料過(guò)度磨損、腐蝕后體內(nèi)可能引起過(guò)敏或炎癥反應(yīng)，從而降低生物相容性[3-5]。此外，這些金屬植入物因應(yīng)力屏蔽效果對(duì)骨重塑過(guò)程有影響，影響新骨的形成，作為內(nèi)固定材料時(shí)，骨愈合后需要二次手術(shù)將其移除[6-7]。進(jìn)而考慮到骨植入物的發(fā)展，可降解金屬植入物將會(huì)有更廣闊的發(fā)展前景[8-9]。

鎂及其合金具有與天然骨相似的機(jī)械性、可降解性、生物相容性和生物活性，可作為承重型骨科植入物。但是，鎂及其合金高化學(xué)活性和不耐蝕性限制了它們的進(jìn)一步生物醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用。多種表面涂層技術(shù)被用來(lái)提高鎂及鎂合金的功能特性[10-12]。鎂合金表面改性處理的方法有多種，包括溶膠-凝膠法、電化學(xué)沉積法、微弧氧化法、離子注入等[13-17]。各種表面技術(shù)復(fù)合更是研究的熱點(diǎn)方向。微弧氧化改性涂層具有優(yōu)異的耐磨性能，較高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度，較好的熱穩(wěn)定性以及耐蝕性[18]。然而微弧氧化涂層上的微孔和裂紋對(duì)材料的耐蝕性是一個(gè)不利條件，降低涂層的耐腐蝕性能[19]。微弧氧化后進(jìn)行封孔處理，既能強(qiáng)化內(nèi)部又能使表面變得光滑[20]。Chi 等[21]在Mg-4Li-1Ca鎂合金基體表面制備具有抗菌活性的微弧氧化和殼聚糖復(fù)合涂層，提高了基體的耐腐蝕性。Razavi 等[22]結(jié)合微弧氧化和電泳沉積方法在AZ91 鎂合金上涂布納米結(jié)構(gòu)的透輝石膜，提高了鎂合金耐腐蝕性并提高材料在體外的生物活性。Zheng 等[23]采用溶膠-凝膠技術(shù)和微弧氧化技術(shù)在鎂基上制備羥基磷灰石涂層，提高了基體的耐腐蝕性和生物相容性。Bakhsheshi 等[24]采用微弧氧化和浸涂工藝在可生物降解鎂鈣合金表面制備了雙層涂層，鎂鈣合金表面的雙層涂層具有較高的耐腐蝕性。Heise 等[25]采用電泳沉積技術(shù)在鎂合金基體上制備殼聚糖、生物玻璃復(fù)合涂層，提高了基體的防腐性能。

目前制約鎂合金作為骨內(nèi)固定材料臨床應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題就是如何使體內(nèi)降解速度與新生骨組織或者骨折愈合速度之間相匹配，特別是早期降解控制問(wèn)題。在臨床上中藥用于骨科疾病的治療，引入中藥構(gòu)建功能涂層具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，添加中藥的骨替代物的研究越來(lái)越多。中藥杜仲提取物綠原酸可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化成熟[26-27]。文中提出采用超聲微弧氧化技術(shù)，在純鎂表面形成內(nèi)致密外多孔的自生的陶瓷層，經(jīng)堿處理羥基化，通過(guò)電泳沉積將帶有正電荷的殼聚糖攜帶綠原酸組裝到微弧氧化多孔涂層中，愈合微弧氧化形成的貫穿孔隙，構(gòu)建殼聚糖-綠原酸功能涂層材料。探討中藥提取物綠原酸對(duì)涂層微觀組織形貌及耐蝕性能的影響，為推進(jìn)鎂合金作為骨內(nèi)固定材料臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料及樣品制備

純鎂購(gòu)于東莞（鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%）。殼聚糖購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。冰乙酸購(gòu)自天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。中藥杜仲提取物（綠原酸98%）購(gòu)自漢中天然谷生物科技股份有限公司。超聲微弧氧化電解液由Na2SiO3·9H2O（15 g/L）、KF（10 g/L）、KOH（8 g/L）和C10H14N2Na2O8（1 g/L）組成。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：脈沖頻率500 Hz，工作電壓310 V，脈寬50 μs，微弧氧化處理時(shí)間10 min。實(shí)驗(yàn)中純鎂為陽(yáng)極，不銹鋼鍍槽為陰極。純鎂UMAO 試樣標(biāo)記為UMAO 涂層。

采用電泳沉積技術(shù)制備復(fù)合涂層，以堿處理后的純鎂UMAO 試樣作為陰極，不銹鋼鍍槽作為陽(yáng)極。電泳沉積去離子水溶液組成：殼聚糖（3 g/L）+冰乙酸（1%）或殼聚糖（3 g/L）+冰乙酸（1%）+綠原酸（0.7 g/L）。電泳沉積工藝參數(shù)為：電壓20 V，時(shí)間3 min。涂層分別標(biāo)記為UMAO/CS涂層、UMAO/CS/CA涂層。

1.2 組織結(jié)構(gòu)性能表征

采用X 射線衍射儀（X-ray diffractometer, XRD,D8-ADVANCE, Germany）對(duì)涂層進(jìn)行物相分析。X射線衍射儀測(cè)試參數(shù)：銅靶Kα 輻射，2θ掃描范圍為20°～80°，掠入射角為1°～4°。采用傅里葉變換紅外吸收光譜儀（Fourier transform infrared absorption spectrum, FT-IR, VECTOR33, Germany）分析涂層的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，紅外光譜測(cè)量范圍為400～4000 cm?1。采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡系統(tǒng)（Scanning electron microscope, SEM, JSM-7800F, Japan）觀察涂層表面及斷面形貌。

采用X 射線光電子能譜儀（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS，ESCALAB250, USA）測(cè)定涂層分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵合等情況；Al Kα 為X 射線源，結(jié)合能以284.8 eV 的C1s 校正。采用原子力顯微鏡（Atomic force microscope, AFM, Bruker Dimension Icon，Germany）對(duì)涂層的微觀粗糙度進(jìn)行觀察，結(jié)果以算術(shù)平均值表示表面粗糙度（Ra）。

采用VersaSTAT 3 電化學(xué)工作站評(píng)價(jià)涂層的耐腐蝕性能。采用三電極體系，鉑片為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極，試樣為工作電極，測(cè)試介質(zhì)為模擬體液（Simulated body fluid，簡(jiǎn)稱為 SBF）。采用ZsimpWin 軟件對(duì)阻抗結(jié)果進(jìn)行等效電路擬合，掃描速度為0.5 mV/s，有效面積為1 cm2。

2 結(jié)果及分析

2.1 涂層組織結(jié)構(gòu)及性能

采用XRD 分析UMAO/CS/CA 涂層的相結(jié)構(gòu)組成，涂層的XRD 圖譜如圖1 所示。因UMAO/CS/CA涂層厚度較薄，微弧氧化鍍液為硅酸鹽體系，所以XRD 圖譜中觀察到Mg、MgO 和Mg2SiO4的衍射峰，負(fù)載綠原酸后未改變涂層的相結(jié)構(gòu)。

圖2 是UMAO/CS/CA 涂層的紅外光譜圖。在424 cm?1處的譜帶歸屬于Mg-O 拉伸振動(dòng)峰[28]。SiO42?的特征峰譜帶出現(xiàn)在903 cm?1和1022 cm?1處。CS酰胺I 譜帶（1655 cm?1）、CS 酰胺II 譜帶（1599 cm?1）和CS 的—C—O—特征吸收峰（1080 cm?1）出現(xiàn)在紅外光譜中[29]。在UMAO/CS/CA 涂層的紅外光譜曲線中也出現(xiàn)了綠原酸的特征譜帶：O—H 鍵（3398 cm?1）、芳香烴鍵（1633 cm?1）、C==O 鍵（1522 cm?1）和苯環(huán)（1051 cm?1）[30]，表明涂層表面成功負(fù)載了中藥提取物綠原酸。

圖1 UMAO/CS/CA 涂層的XRD 圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of UMAO/CS/CA coating

圖3 UMAO/CS/CA 涂層的SEM 表面和斷面形貌Fig.3 SEM surface and cross-section morphologie of UMAO/CS/CA coating

UMAO/CS/CA 涂層表面形貌如圖3 所示。UMAO涂層表面被CS/CA 膜層均勻覆蓋，出現(xiàn)清晰的雙層結(jié)構(gòu)，CS/CA 層的最大厚度達(dá)到13 μm 左右，涂層更為致密和平整，CS/CA 涂層的封孔效果好，能對(duì)鎂基體提供更有效的保護(hù)。

UMAO/CS/CA 涂層的元素狀態(tài)和化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。圖4a 為涂層的XPS 全譜圖。圖4b—d 為涂層的O、C、N 元素的精細(xì)擬合譜圖。對(duì)涂層的XPS 全譜圖進(jìn)行分析（如圖4a 所示），涂層中含有Mg、C、N、O 元素。對(duì)UMAO/CS/CA 涂層進(jìn)一步進(jìn)行分峰分析，如圖4b 所示，在O1s 精細(xì)譜圖中，530.8 eV 處為Mg—O 中氧元素結(jié)合能的特征峰[31]，位于531.4 eV 處的特征峰歸屬于CA 中—OH 的O 元素的結(jié)合能。在C1s 的精細(xì)譜圖中，殼聚糖中—C—O—和—C—N 的C 元素的結(jié)合能和CA 中C==O 官能團(tuán)里C 元素的結(jié)合能特征峰位于286.3 eV 處；殼聚糖中—C—C—和—C—H 的C 元素結(jié)合能的特征峰位于284.6 eV 處（如圖4c 所示）。在N1s 的精細(xì)譜圖中，殼聚糖中的胺鍵和酰胺鍵的特征峰分別位于398.6、399.7 eV 處[32]（如圖4d 所示）。

圖4 UMAO/CS/CA 涂層的XPS 譜圖Fig.4 XPS spectra of UMAO/CS/CA coating: a) survey spectrum

圖5 UMAO/CS/CA 涂層的AFM 和接觸角形貌Fig.5 AFM and Contact angle images of UMAO/CS/CA coating: a) AFM image, b) contact angle image

圖5 為UMAO/CS/CA 涂層的AFM 形貌和接觸角形貌。如圖5a 所示，涂層的Ra值為39 nm。因中藥提取物綠原酸本身的藥物性質(zhì)，中藥提取物綠原酸具有較好的水溶性，UMAO/CS/CA 涂層表面較為光滑、平整。如圖5b 所示，涂層的水接觸角為104.1°，因鎂表面電泳沉積的UMAO/CS/CA 涂層表面均勻致密，封孔效果好，所以UMAO/CS/CA 涂層表面的水接觸角較大，涂層表面表現(xiàn)為疏水性。

2.2 涂層的耐蝕性能

在SBF 中進(jìn)行動(dòng)電位極化實(shí)驗(yàn)以評(píng)價(jià)不同涂層的耐腐蝕性。不同樣品Tafel 曲線如圖6 所示。腐蝕速率（CR）、腐蝕電位（Ecorr）和腐蝕電流密度（Jcorr）相應(yīng)分析結(jié)果如表1 所示。UMAO/CS/CA 涂層、UMAO/CS 涂層、UMAO 涂層、Mg 的CR 數(shù)值分別為0.086、0.096、0.121、0.401 mm/a。與純Mg、UMAO涂層、UMAO/CS 涂層相比，UMAO/CS/CA 涂層具有較小的Jcorr值和CR 值，涂層材料能更好地提高基體的耐蝕性。

圖6 不同樣品的極化曲線Fig.6 Potentiodynamic polarization curves of various samples

表1 不同樣品的極化曲線數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.1 Data results of Tafel curves of various samples

不同樣品的Nyquist 圖及擬合情況如圖7 所示，圖中符號(hào)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，實(shí)線為擬合數(shù)據(jù)。Nyquist圖根據(jù)相應(yīng)等效電路進(jìn)行擬合后的結(jié)果見(jiàn)表2。由圖7b 中Mg 樣品的Nyquist 放大圖可知，純鎂Nyquist圖包括2 個(gè)容抗弧和1 個(gè)感抗弧。純鎂UMAO 涂層的 Nyquist 圖包括 1 個(gè)容抗弧和 1 個(gè)感抗弧，UMAO/CS 涂層的Nyquist 圖包括2 個(gè)容抗弧和1 個(gè)感抗弧。UMAO 涂層和UMAO/CS 涂層都有感抗弧出現(xiàn)，防護(hù)能力較差。UMAO/CS/CA 涂層的Nyquist圖包括 2 個(gè)容抗弧。不同樣品的阻抗值不同，UMAO/CS/CA 涂層的半圓半徑明顯大于Mg、UMAO涂層的半圓半徑，UMAO/CS/CA 涂層能為基體提供更有效的保護(hù)。

圖7 不同樣品的Nyquist 圖Fig.7 Nyquist plots of various samples: a) various samples, b)enlarged Nyquist plots of Mg

表2 不同樣品的等效電路擬合數(shù)據(jù)結(jié)果Tab.2 Fitting data results of Nyquist plots of various samples

不同樣品的Bode 圖如圖8 所示。純鎂的Bode圖中，高頻時(shí)間常數(shù)代表腐蝕介質(zhì)穿過(guò)鎂表面腐蝕產(chǎn)物層的響應(yīng)，低頻時(shí)間常數(shù)代表腐蝕介質(zhì)穿過(guò)純鎂表面電化學(xué)過(guò)程的響應(yīng)。UMAO 涂層的Bode 圖中，高頻時(shí)間常數(shù)代表UMAO 涂層響應(yīng)，低頻時(shí)間常數(shù)代表純鎂表面電化學(xué)過(guò)程響應(yīng)。UMAO/CS 涂層的Bode圖中，3 個(gè)時(shí)間常數(shù)分別代表CS 涂層、UMAO 層和純鎂表面電化學(xué)過(guò)程的響應(yīng)。UMAO/CS/CA 涂層的Bode 圖中，高頻時(shí)間常數(shù)歸因于CS/CA 層的響應(yīng)，低頻時(shí)間常數(shù)歸因于UMAO 層的響應(yīng)。Mg、UMAO涂層、UMAO/CS 涂層、UMAO/CS/CA 涂層的相位角分別為–43°、–50°、–54°和–57°，UMAO/CS/CA 涂層的相位角較高。綜合分析UMAO/CS/CA 涂層的Nyquist圖與Bode 圖結(jié)果相一致，涂層具有較好的耐腐蝕性。

不同樣品等效電路模型見(jiàn)圖9。Rs代表溶液電阻，Cdl代表雙電層電容，Rct代表電荷轉(zhuǎn)移電阻，CPEumao代表UMAO 層的電容，Rumao代表UMAO 層的電阻，CPEcoat代表CS/CA 層的電容，Rcoat代表CS/CA 層的電阻。結(jié)合表2 可以看出，UMAO/CS/CA 涂層具有較高的阻抗值。分析其原因，中藥提取物綠原酸與殼聚糖上的羥基發(fā)生了化學(xué)連接；在CS/CA 層中，殼聚糖和綠原酸之間可能有庫(kù)倫相互作用和范德華力作用；CS/CA 層及UMAO 涂層之間也出現(xiàn)了各種物理化學(xué)吸附反應(yīng)，包括UMAO 涂層的Mg—O 結(jié)構(gòu)和綠原酸的—C==O 和—OH 基團(tuán)發(fā)生作用，一些膠態(tài)的綠原酸單質(zhì)顆粒也通過(guò)物理作用吸附在殼聚糖表面。涂層形成是通過(guò)電荷組裝、化學(xué)結(jié)合與物理吸附共同完成。因此，疏水性的UMAO/CS/CA 涂層表面平整光滑、致密，既能減小腐蝕溶液與涂層表面的接觸面積，又能起到隔絕溶液中離子的作用，模擬體液不能穿過(guò)涂層到達(dá)鎂基體，進(jìn)而可以更好地給鎂基體提供保護(hù)。

圖8 不同樣品的Bode 圖Fig.8 Bode plots of various samples

圖9 不同樣品的等效電路模型Fig.9 Equivalent circuit models of various samples

2.3 涂層誘導(dǎo)磷灰石能力

圖10 為不同樣品在SBF 中浸泡21 d 的SEM 形貌。UMAO 涂層、UMAO/CS 涂層、UMAO/CS/CA涂層在SBF 中浸泡21 d 后，表面均有白色球狀物質(zhì)沉積在試樣表面。UMAO 涂層表面沉積物很少見(jiàn)，大部分區(qū)域還有典型的多孔結(jié)構(gòu)，而UMAO/CS 涂層和UMAO/CS/CA 涂層均有球狀物沉積，UMAO/CS/CA 涂層表面誘導(dǎo)的球狀沉積物更多。

UMAO 涂層、UMAO/CS 涂層、UMAO/CS/CA涂層在SBF 中浸泡21 d 的能譜如圖11 所示。從能譜圖中可以看出，UMAO 涂層和 UMAO/CS 涂層、UMAO/CS/CA 涂層相比，UMAO 涂層表面為O、Mg、C、Ca、P、Si 元素，UMAO 涂層表面的Si 元素主要來(lái)自于微弧氧化鍍液。再次證明UMAO 涂層在SBF中浸泡21 d 后表面還有很多區(qū)域未被沉積物覆蓋（如圖10a）。UMAO/CS 涂層、UMAO/CS/CA 涂層表面均含有O、Ca、P、C、Mg 元素。對(duì)比不同樣品的能譜，發(fā)現(xiàn)UMAO 涂層表面Mg 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，達(dá)20.3%，UMAO/CS 涂層、UMAO/CS/CA 涂層表面由于基本都被球狀沉積物覆蓋，Mg 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.4%、2.8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于UMAO 涂層，且無(wú)Si 元素。UMAO 涂層、UMAO/CS 涂層、UMAO/CS/CA涂層表面Ca 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11.8%、25.7%、29.9%，對(duì)比分析可知UMAO/CS/CA 涂層能更好地誘導(dǎo)鈣磷物質(zhì)沉積，具有優(yōu)異的生物活性。

圖10 不同樣品的SEM 形貌Fig.10 SEM images of various samples

圖11 不同樣品的能譜圖Fig.11 EDAX of various samples

3 結(jié)論

1）純鎂超聲微弧氧化表面電泳沉積了殼聚糖-綠原酸涂層，涂層的水接觸角為104.1°，為疏水性表面；涂層的Ra值為39 nm，涂層表面較為光滑、平整。UMAO/CS/CA 涂層的形成是通過(guò)電荷組裝、化學(xué)結(jié)合與物理吸附共同完成的。

2）UMAO/CS/CA 涂層的半圓半徑明顯大于Mg、UMAO 涂層的半圓半徑，涂層具有較小的Jcorr值和CR 值，提高了純Mg 基底的耐腐蝕性。

3）UMAO/CS/CA 涂層能更好地誘導(dǎo)鈣磷物質(zhì)沉積，具有優(yōu)異的生物活性。