Mg-Zn-Ca 合金磁控濺射ZrO2薄膜的生物相容性及電化學行為評價

鎂動力 分類: 文摘 發布時間: 2022-03-16 15:42

鎂及鎂合金的彈性模量和比密度與人體骨骼接近,和其他生物醫用材料類似,有利于降低植入物與人體骨骼界面的“應力屏蔽”并提供適度的力學支撐;另外,由于鎂合金具有降解能力,不需要二次手術取出植入體,因此鎂及鎂合金在骨修復領域具有良好的應用潛力。然而,鎂合金的化學性質活潑,耐腐蝕性能差,植入機體在骨折愈合之前其自身已降解或者力學性能下降嚴重,起不到固定作用,限制了其應用。Mg-Zn-Ca合金因具有高強韌性、耐腐蝕性和生物安全性的良好匹配而得到廣發關注。然而,該合金初期的高腐蝕速率和析氫量限制了該合金的臨床應用進程。為此研究人員開發了表面改性的手段解決鎂合金面臨的上述問題。有研究表明通過不同技術沉積在鎂基合金上的ZrO2涂層可提供腐蝕保護,并顯示出優異的生物相容性和誘導成骨細胞分化的潛力,但是關于利用磁控濺射的方法在鎂合金表面制備ZrO2薄膜的研究鮮有報道。

最近,墨西哥國立自治大學Sandra E. Rodil教授課題組利用磁控濺射的方法在Mg-Zn-Ca合金表面制備ZrO2薄膜,從而改善鎂合金的降解速率和服役安全性。并全面評價薄膜的電化學腐蝕行為、失重和析氫行為、生物相容性和抗菌活性。研究結果表明,當ZrO2涂層厚度達到380 nm時,經過3天的浸泡試驗,涂層可以顯著降低合金的降解速率和析氫速率,并保證基礎合金的長效服役性能。和基礎合金相比,ZrO2涂層不會影響合金的生物相容性并能夠促進骨髓間充質細胞在涂層表面的粘附和增殖能力。最后,ZrO2涂層還可以抑制金黃色葡萄球菌的細胞粘附和生物膜的形成。ZrO2涂層能夠顯著提高可降解植入物的降解速率和服役安全性,有望推動鎂合金在骨科領域的臨床應用。

系統研究了電磁濺射參數對ZrO2涂層的厚度和均勻度。結果表明60 min的濺射時間可以獲取厚度為386 nm 的涂層,XPS結果表明涂層均勻的分布在基體合金表面。此外,研究了ZrO2涂層對Mg-0.7Zn-0.6Ca(ZX11)合金電化學行為的影響。在整過浸泡過程中,含有ZrO2涂層的合金呈現出一個相對更正的開路電位(圖1a)。ZX11和ZrO2涂層合金的Nyquist圖呈現三個時間常數(圖1b)。高頻電容環通常與積累的腐蝕產物的電阻和電容有關。中頻電容環是指雙層的電荷轉移電阻和電容。低頻感應環與腐蝕產物在表面的解吸附有關,這與ZX11合金固有的點蝕有關。通常情況下,較大的環半徑表示系統的阻抗越大,耐蝕性越好。因此,通過對測量的平均值比較,可以確定ZrO2薄膜提高了合金的耐腐蝕性能。

圖1 ZX11合金和包含ZrO2涂層的合金的開路電位以及電化學阻抗譜 (EIS)

重點研究了ZrO2涂層對ZX11合金降解速度與腐蝕形貌的關系。經過長時間的浸泡后,ZrO2涂層可以很好的降低ZX11合金的降解速度。但是兩種試樣的降解速度隨時間的變化趨勢差異不明顯,前四天的降解速度較快,隨著浸泡時間的延長,降解速率顯著下降,在14天之后達到了穩定的速率。圖2b為平均降解深度與浸泡時間的關系,ZX11合金表現出線性的趨勢的斜率(0.37μm/day),而含有ZrO2涂層的合金則表現出非線性的降解深度,且在15天時速率最低,隨著浸泡時間的增加會急劇上升。在去除腐蝕產物的形貌觀察中,可以很明顯的觀察到ZX11合金僅在浸泡4天后就出現了很多的淺腐蝕孔洞,而對于含有ZrO2涂層的合金,僅僅在某些特定的區域出現了局部腐蝕。當浸泡時間增加到30天時,雖然ZrO2涂層的合金的腐蝕凹槽深度大于ZX11合金,然而,這并不影響其整體較低的降解速度,且在一些區域仍然存在ZrO2涂層。

圖2 ZX11合金和包含ZrO2涂層的合金的降解速率(a),平均降解深度(b),不同時間段的腐蝕形貌圖(c)和(d)。

本研究探索了ZrO2涂層對細胞活力的影響,如圖3所示。細胞培養3天后,結果顯示ZrO2/ZX11樣品的培養液中含有大量活細胞(綠色),表現出細長的梭形形態,且在含有ZrO2涂層的合金的提取物中提取到的活細胞數量更多。在培養的第6天,與培養3天時的相應樣品相比,觀察到所有研究合金的提取物稀釋液中的活細胞數量增加,表明ZrO2涂層不會影響細胞的活性。

圖3 不同時間段下,在兩種不同合金表面的細胞相容性:(a) 3天和(c) 6天

本研究還展現了ZX11和ZrO2涂層合金的抗菌性能,如圖4所示。在經歷了不同時間段的細菌培養后,在ZX11和ZrO2涂層合金的培養基提取液上檢測到的大腸桿菌與金黃色葡萄球菌相比于對照樣品明顯減小。但培養液中細菌的減少也可能與表面上更多的細菌粘附有關。在培養1天獲得的SEM圖像中,ZX11合金上可以觀察到金黃色葡萄球菌比大腸桿菌細胞更容易粘附在表面,而在含有涂層的ZrO2合金上沒有檢測到細菌。然而,經過7天的培養,大腸桿菌在兩者表面上都形成了生物膜,但金黃色葡萄球菌生物膜僅在ZX11合金上觀察到,而含有ZrO2涂層合金上沒有被觀察到。這兩個結果之間的相關性表明,與沒有涂層的合金相比,ZrO2涂層合金可以有效抑制金黃色葡萄桿菌的黏附以及生物膜的形成。

圖4 從ZX11和ZrO2涂層合金培養液中提取到的 (a)大腸桿菌(b)金黃色葡萄球菌在1天和7天后獲得的菌落形成單位總數。(c)大腸桿菌和(d)金黃色葡萄球菌在ZX11和ZrO2涂層合金上的細菌粘附(1天)和生物膜(7天)的掃描電子顯微鏡照片。

綜上所述,ZrO2涂層可以顯著降低合金的降解速率和析氫速率。同時,ZrO2涂層合金不會影響合金的生物相容性,能夠促進骨髓間充質細胞在涂層表面的粘附和增殖能力,還可以抑制金黃色葡萄球菌的細胞粘附和生物膜的形成,抗菌性能良好。因此,ZrO2涂層能夠顯著提高可降解植入物的降解速率和服役安全性,有望推動鎂合金在骨科領域的臨床應用。

來源:JMACCMg

聲明:
1.鎂動力遵循行業規范,任何轉載的稿件都會明確標注作者和來源;
2.鎂動力的原創文章,請轉載時務必注明文章作者和"來源:鎂動力",不尊重原創的行為鎂動力或將追究責任;
3.作者投稿可能會經鎂動力編輯修改或補充。

如果覺得這條信息對您有用,請加入鎂動力微信公眾號或微信號。您的支持將鼓勵鎂動力繼續走下去!

日本一区二区高清道免费