AZ31B鎂合金表面Mg-Cu-MOF涂層的制備及性能

肖天鑄，劉偉，紀(jì)茜

河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

鎂合金具有生物相容性好、彈性模量接近人體骨骼、可生物降解等優(yōu)點(diǎn)[1]，在骨組織修復(fù)領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。但早期臨床實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，鎂合金植入體在體液中的腐蝕極快，致使其在受損組織愈合前就已喪失承載能力，這一缺陷極大地阻礙了鎂合金的臨床應(yīng)用。另外，與其他材料植入體一樣，鎂合金植入人體后表面會(huì)生成一層極具耐藥性的細(xì)菌生物膜，而內(nèi)植物的細(xì)菌感染問(wèn)題難以處理，嚴(yán)重時(shí)常常需要取出而導(dǎo)致手術(shù)失敗，因此植入體的表面抗菌性是急需解決的問(wèn)題。

表面改性是改善鎂合金表面綜合性能的有效方法之一。目前多種材料(如生物陶瓷、陽(yáng)極氧化膜及可生物降解高分子材料等[2-3])均被用于表面改性研究。金屬有機(jī)骨架(MOFs)材料因具有超大比表面積、易修飾及良好的生物相容性，在藥物傳輸和生物涂層領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注和研究[4]。MOF-74是由Mg、Zn、Cu等金屬離子與配體2,5-二羥基對(duì)苯二甲酸自組裝構(gòu)成的一種MOFs材料，被用作不同植入體表面改性涂層[5]。Xiao等[6]在聚醚醚酮表面制備了負(fù)載地塞米松的雙金屬-有機(jī)框架(Zn-Mg-MOF-74)多功能涂層，該涂層具有良好的生物活性、抗菌性和成骨分化能力。Shen等[7]在鈦合金表面制備的Mg-Zn-MOF-74涂層不僅具備良好的抗菌性，還能在一定程度上促進(jìn)骨組織再生。

筆者團(tuán)隊(duì)曾在醫(yī)用鎂合金表面原位生成超親水的耐腐蝕Mg-MOF-74涂層[8]。相較于疏水性表面，具有親水性表面(水接觸角＜ 90°)的骨組織植入體更有利于骨細(xì)胞的粘附和增殖，從而獲得較好的成骨活性，但適當(dāng)提高水接觸角有利于改善其耐腐蝕性能。在MOFs中摻雜適量Cu能夠提高M(jìn)OFs材料的水接觸角[9]，從而達(dá)到兼顧鎂合金耐蝕性和親水性的效果。此外，Cu離子是抗菌能力僅次于Ag離子的無(wú)機(jī)抗菌劑，在MOFs涂層中引入Cu元素有助于提高鎂合金植入體的抗菌能力，避免或減緩單一金屬離子濃度過(guò)高引起的細(xì)胞毒性[10]。再則，Cu是人體必須的微量元素。因此，在鎂合金表面制備Mg-Cu-MOF-74雙金屬有機(jī)骨架涂層將有助于提高鎂合金骨組織植入體的綜合生物性能。

本文通過(guò)水熱合成法[11]在鎂合金表面原位生成Mg-Cu-MOF-74雙金屬有機(jī)骨架涂層，探究了涂層對(duì)鎂合金耐蝕性、親水性和抗菌性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鎂合金的預(yù)處理

將AZ31B鎂合金切割成10 mm × 10 mm × 2 mm大小，先用240、600、800和1 000目金相砂紙逐級(jí)打磨，然后依次用丙酮和乙醇超聲清洗15 min，再用去離子水沖洗，除去表面油污、臟物和氧化層；接著采用40%氫氟酸處理20 min，以活化鎂合金表面，再分別用無(wú)水乙醇和去離子水沖洗，自然晾干后放入干燥器中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 Mg-Cu-MOF-74涂層的制備

將2.5 mmol六水合硝酸鎂和三水合硝酸銅混合物(物質(zhì)的量比為3∶1)及0.8 mmol 2,5-二羥基對(duì)苯二甲酸加入燒杯中，再加入60 mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)、4.1 mL無(wú)水乙醇和4.1 mL去離子水，攪拌溶解后移至反應(yīng)釜中。再將預(yù)處理過(guò)的AZ31B鎂合金垂直放置于釜中，擰緊反應(yīng)釜后放入125 ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱中24 h，隨爐冷卻至室溫后取出，用DMF沖洗后浸入甲醇中1 h，再在100 ℃真空干燥箱中干燥3 h，得到Mg-Cu-MOF-74涂層，儲(chǔ)存于干燥器中。

另將上述三水合硝酸銅全部置換成等量的六水合硝酸鎂，以制備Mg-MOF-74涂層作為對(duì)照組。

1.3 表征與性能測(cè)試

采用Bruker公司D8 Advance型X射線衍射儀(XRD)分析鎂合金表面涂層及其粉體的物相組成；采用FEI Inspect F50型掃描電鏡(SEM)觀察涂層的表面形貌，并使用其搭載的Quantax 400型X射線能譜儀(EDS)分析涂層的元素組成；采用JC2000D1型接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量涂層的水接觸角，液滴體積為5 ～ 10 μL。

采用上海辰華CHI660E電化學(xué)工作站測(cè)量不同試樣在模擬體液(SBF)[12]中的塔菲爾(Tafel)曲線和電化學(xué)阻抗譜(EIS)，采用待測(cè)試樣(有效面積為1 cm2)為工作電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，鉑絲電極為輔助電極。Tafel曲線的掃描速率為0.5 mV/s，電化學(xué)阻抗譜在開路電位下測(cè)試，頻率范圍為100 kHz至0.01 Hz。

采用THZ-103B恒溫培養(yǎng)搖床培養(yǎng)金黃色葡萄球菌(ATCC 25923)，將紫外消殺后的AZ31B鎂合金、Mg-MOF-74涂層和Mg-Cu-MOF-74涂層試樣各3個(gè)置于24孔板內(nèi)，孔內(nèi)分別注入1 mL梯度稀釋后活菌數(shù)為1 × 105～ 9 × 105cfu/mL的菌懸液，于37 ℃培養(yǎng)24 h，然后抽取孔內(nèi)液體進(jìn)行梯度稀釋，取稀釋1 000倍的100 μL菌液，涂布于無(wú)菌瓊脂板上，在37 ℃培養(yǎng)24 h，記錄平板表面的菌落數(shù)，采用式(1)計(jì)算涂層抗菌率(R)。

式中A為涂層試樣的活菌數(shù)，B為對(duì)照組(即空白AZ31B鎂合金)表面的活菌數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的組織結(jié)構(gòu)

圖1a為制備涂層時(shí)沉積在反應(yīng)釜底的Mg-Cu-MOF-74粉體的XRD譜圖，在2θ為6.84°和11.86°處出現(xiàn)了較強(qiáng)的MOF-74晶體特征峰(用?標(biāo)記)，與文獻(xiàn)報(bào)道的特征峰位置一致[13]。圖1b是AZ31B鎂合金表面的Mg-Cu-MOF-74涂層的XRD譜圖，其中顯示了鎂合金的特征峰(用?標(biāo)記)和Mg-Cu-MOF-74的特征峰(用?標(biāo)記)，說(shuō)明已在AZ31B鎂合金表面成功制得Mg-Cu-MOF-74涂層。

圖1 Mg-Cu-MOF-74粉末(a)和Mg-Cu-MOF-74涂層(b)的XRD譜圖 Figure 1 XRD patterns of Mg-Cu-MOF-74 powder (a) and Mg-Cu-MOF-74 coating (b)

從圖2可知，Mg-MOF-74涂層由大量疏松的“紡錘狀”晶粒構(gòu)成。Mg-Cu-MOF-74涂層表面呈“花菜狀”，晶粒比Mg-MOF-74涂層更加細(xì)小，整體更致密連續(xù)。

圖2 Mg-MOF-74涂層(a)和Mg-Cu-MOF-74涂層(b)的表面形貌 Figure 2 Surface morphologies of Mg-MOF-74 coating (a) and Mg-Cu-MOF-74 coating (b)

從圖3可知，Mg-Cu-MOF-74涂層中含有Mg和Cu，進(jìn)一步證明所得涂層為Mg-Cu-MOF-74雙金屬涂層。

圖3 Mg-Cu-MOF-74涂層的EDS譜圖 Figure 3 EDS spectrum of Mg-Cu-MOF-74 coating

2.2 涂層的水接觸角

從圖4可知，AZ31B鎂合金、Mg-MOF-74涂層和Mg-Cu-MOF-74涂層的水接觸角分別為87.4°、0°和41.0°。Mg-MOF-74涂層和Mg-Cu-MOF-74涂層的水接觸角均小于AZ31B鎂合金，說(shuō)明兩種涂層都具有較好的親水性，都有利于骨細(xì)胞粘附和增殖，也說(shuō)明Cu的摻雜對(duì)Mg-MOF-74涂層組織相容性的影響不大。相較于Mg-MOF-74涂層，Mg-Cu-MOF-74涂層的水接觸角更大，可能與其結(jié)構(gòu)更致密及含Cu元素有關(guān)[9]。

圖4 AZ31B鎂合金(a)、Mg-MOF-74涂層(b)和Mg-Cu-MOF-74涂層(c)的水接觸角 Figure 4 Water contact angles of AZ31B magnesium alloy (a), Mg-MOF-74 coating (b), and Mg-Cu-MOF-74 coating (c)

2.3 涂層的耐蝕性

采用Tafel外推法對(duì)涂層在SBF中的極化曲線(見圖5)進(jìn)行擬合所得到的腐蝕電位(φcorr)和腐蝕電流密度(jcorr)列于表1。與AZ31B鎂合金相比，Mg-MOF-74涂層和Mg-Cu-MOF-74涂層的腐蝕電位更正，腐蝕電流密度更低，說(shuō)明它們的耐蝕性更佳。相對(duì)而言，Mg-Cu-MOF-74涂層的耐蝕性又比Mg-MOF-74涂層更好。結(jié)合圖3和圖4可知，Mg-Cu-MOF-74涂層比Mg-MOF-74更致密，并且親水程度不如后者，因此耐蝕性更好。

圖5 不同試樣在SBF中的Tafel曲線 Figure 5 Tafel plots for different samples in SBF

表1 Tafel曲線的擬合參數(shù) Table 1 Fitted parameters of Tafel plots

從圖6可以看出，AZ31B鎂合金、Mg-MOF-74涂層和Mg-Cu-MOF-74涂層的Nyquist圖都具有2個(gè)容抗弧。高頻區(qū)的容抗弧是雙電層界面間電荷轉(zhuǎn)移電阻所致；低頻區(qū)的容抗弧則表示電荷轉(zhuǎn)移的困難程度，與鎂合金表面的氧化膜或涂層相關(guān)，其半徑越大表示電荷轉(zhuǎn)移越困難，耐蝕性越好。三者的高頻區(qū)容抗弧半徑差別不大，但低頻區(qū)容抗弧的差別較大，Mg-Cu-MOF-74涂層最大，Mg-MOF-74涂層次之，AZ31B鎂合金最小，表明在AZ31B鎂合金表面制備MOF涂層能夠提高其耐蝕性，并且雙金屬M(fèi)g-Cu-MOF-74涂層的耐腐蝕性能比Mg-MOF-74涂層更好，這與Tafel極化曲線分析結(jié)果一致。

圖6 不同試樣在SBF中的EIS譜圖 Figure 6 Electrochemical impedance spectra for different samples in SBF

2.4 涂層的抗菌性

金黃色葡萄球菌是臨床植入手術(shù)感染最常見的細(xì)菌之一[14]，所以采用金黃色葡萄球菌為研究對(duì)象，通過(guò)涂布平板法檢測(cè)涂層的抗菌性能。從圖7可知，Mg-MOF-74涂層和Mg-Cu-MOF-74涂層的抗菌效果明顯優(yōu)于空白AZ31B鎂合金。與沒有摻雜Cu的Mg-MOF-74涂層相比，Mg-Cu-MOF-74涂層的抗菌性更好。Mg-MOF-74涂層的抗菌率約為90%，Mg-Cu-MOF-74涂層的抗菌率約為99%。Mg-MOF-74涂層之所以能抗菌可能是因?yàn)镸OF-74能夠降解形成不利于細(xì)菌生存的堿性微環(huán)境，而Mg-Cu-MOF-74涂層除此之外還能釋放出具有很強(qiáng)抗菌能力的銅離子，因此其抗菌性能更優(yōu)。

圖7 AZ31B鎂合金(a)、Mg-MOF-74涂層(b)和Mg-Cu-MOF-74涂層(c)的抗菌試驗(yàn)結(jié)果 Figure 7 Antibacterial test results of AZ31B magnesium alloy (a), Mg-MOF-74 coating (b), and Mg-Cu-MOF-74 coating (c)

3 結(jié)論

1) 與不含Cu的Mg-MOF-74涂層相比，摻雜了Cu的Mg-Cu-MOF-74雙金屬涂層的水接觸角更大，在SBF中的耐蝕性更佳，說(shuō)明在涂層中引入Cu元素能夠在保持涂層表面較好親水性的同時(shí)，有效提高其耐蝕性。

2) Mg-MOF-74涂層和Mg-Cu-MOF-74涂層的抗菌率分別為90%和99%，說(shuō)明Cu元素的摻雜有利于提高涂層的抗菌能力。