鎂合金微弧氧化涂層抗菌性能的研究進展

鎂動力 分類: 文摘,科研 發布時間: 2022-05-27 16:27

鎂及鎂合金具有低密度、比強度高和良好的生物相容性等優點,作為第三代生物醫用材料受到廣泛的關注。然而,較高的化學活性導致其在體內降解速度較快,并伴隨大量氫氣的產生。快速降解使基體的力學性能在骨愈合之前喪失,氫氣的產生誘導植入物周圍的組織層分離。另一方面,提高鎂耐腐蝕性能會形成弱堿性環境,影響其抗菌性能。微弧氧化涂層是提高鎂及其合金的耐蝕性和抗菌活性的表面處理技術,其內部致密層在植入初期可延緩腐蝕侵襲速度,降低H2的析出。外部疏松層有利于蛋白或生長因子的附著,促進種植體周圍骨組織的生長。

最近,來自伊朗布阿里新浪大學材料工程系的Arash Fattah-alhosseini教授課題組綜述了微弧氧化涂層對鎂合金抗菌性能的研究現狀和研究趨勢。內容包括鎂基微弧氧化涂層的相成分、微觀形貌及微弧氧化涂層抗菌機制,分析了目前利用微弧氧化制備抗菌涂層的方法,如通過抗菌劑摻雜電解質提高Mg植入物的抗菌活性,對微弧氧化涂層進行后處理,在其表面涂敷具有抗菌成分的涂層。此外,該綜述為鎂合金微弧氧化涂層在抗菌材料上的應用提出了建議。

首先分析了鎂合金基體與電解液添加劑對微弧氧化涂層成分的影響(表1)。在氧化過程中,由于陰離子與溶解的Mg2+離子在火花放電通道中發生反應,而形成MgO、MgAl2O4、Mg2SiO4和MgF2等相成分。此外,電解液中加入添加劑或后處理過程也可在涂層中形成新的化合物,如Ca(OH)2、Cu3(PO4)2、Ag2CO3、Ag2O等。作者還總結了添加劑和后處理工藝對涂層結構和形貌的影響。由于在放電通道中產生氣泡和火花放電,并且在溶液和氧化物涂層的界面處伴隨著電子雪崩,導致鎂合金微弧氧化涂層通常具有多孔結構。添加劑會降低涂層表面微孔尺寸,減小微裂紋和增加涂層厚度,如將AgNO3摻雜到溶液中增大了初始電流密度,導致大而不規則的孔洞數量減少,層厚增加,從而使陽極氧化反應更加強烈。在微弧氧化涂層表面進行后處理,可以降低甚至完全遮蔽多孔結構。如利用聚己內酯(PCL)對微弧氧化涂層封孔處理后,復合涂層表面變得光滑致密。

表?1?近年來關于鎂合金微弧氧化涂層抗菌性能的研究

由于細菌在植入物表面生長并形成生物膜,被膜外聚合物(EPS)包圍的多個或單一細菌,很難用抗生素治療。可以利用摻雜抗菌劑的電解液制備微弧氧化涂層,提高鎂植入物的抗菌活性。本文概述了Ag和Cu基添加劑的摻雜對涂層抗菌活性的影響,并介紹了利用后處理技術制備具有抗菌成分的涂層,進一步提高微弧氧化涂層在鎂基體上的抗菌性能。Ag+離子會破壞細菌壁,與有機基團和酶的硫醇結合,導致細菌正常的滲透性和呼吸功能紊亂,甚至與含硫或磷化合物發生反應,改變細菌的DNA。Cu可以通過不同的反應過程殺死細菌。首先,靜電力使Cu離子吸附在細菌的細胞膜上,限制細菌的活動,導致代謝紊亂和細胞死亡。其次,Cu離子穿透細菌膜,破壞膜的完整性,導致了細胞質的滲漏和細胞的死亡。第三,Cu離子可以破壞呼吸鏈的活動,干擾細菌的基因復制過程。由于鐵硫團簇中鐵原子的轉移,導致Cu2+離子產生毒性對中樞分解代謝和生物合成途徑產生損害。納米級添加劑具有比表面積大、反應活性高、易于穿透細胞膜等優點,能有效阻斷生物膜的生長,并能抑制細菌活性。納米材料(NMs)提高抗菌性能的主要機理是活性氧的產生。生物膜與NMs之間的相互作用可以用三個重要的順序機制來解釋:NMs轉運到生物膜的界面-流體;附著于生物膜表面(外區);以及生物膜內的遷移。NMs的物理化學行為(形狀、表面電荷、大小、疏水性和官能團)與生物膜組分發生相互作用。通過聚多巴胺(PDAM)將聚六亞甲基雙胍(PHMB)固定在PEO/PCL復合涂層中后,對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均有顯著的抗菌能力,表面幾乎沒有活菌。PHMB的加入使陰離子微生物的膜直接進入陽離子生物界面,提高了相對表面電位。然后,庫侖力中斷了細菌膜的生長并將細菌消滅。

除了微弧氧化涂層的化學成分外,細菌懸浮液的pH值也是影響抗菌性能的關鍵因素。由于微弧氧化涂層裂紋和孔洞較多,延長細菌的共培養時間,使溶液介質有更多的時間滲透到鎂基體界面處,這將導致基體的溶解并形成較高的pH值。隨著pH值的增加,抗菌性能增強。利用植酸鈉溶液中處理微弧氧化涂層樣品,盡管其成分中沒有植酸,但對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現出良好的抗菌能力。這是由于樣品在被測細菌懸浮液中發生腐蝕,導致周圍介質的pH值升高。

細菌感染是鎂基生物材料最重要的臨床問題之一。為了防止感染的出現,本文最后總結了提高鎂合金微弧氧化涂層抗菌性能的策略,抑菌劑摻雜制備微弧氧化涂層被認為是改善鎂基生物材料抗菌性能的有效方式。利用后處理將具有抗菌性能的元素或化合物涂敷于涂層中,如鋅、銅、銀、氧化鋯、溶菌酶、萬古霉素和四環素等,可進一步增強抗菌性能。此外,微弧氧化涂層的多孔性為細菌懸浮液滲透到鎂基體提供了途徑,提高了溶液pH值,從而具有更好的抗菌性能。

來源:JMACCMg

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