超声辅助微弧氧化镁合金表面纳米生物涂层组织结构与性能关系研究

镁合金是一种非常有希望的生物医用材料，但其容易腐蚀限制了它的应用。微弧氧化技术的出现为镁合金耐蚀处理提供了一种新途径。我们经长时间摸索，提出了一种超声辅助微弧氧化赋予镁合金涂层生物活性的新方法。解决了传统镁合金微弧氧化涂层获得了耐蚀性能，又丧失了生物活性的问题，更令人振奋的是该生物涂层呈纳米晶结构。因此，在初步研究基础上，本课题要进一步深入研究超声强度和镀液成分对基体内生长纳米涂层和外延生长纳米生物涂层组织结构、镀液中钙的沉积规律、涂层孔结构、纳米粒子结构、致密层与多孔层界面演变影响规律；纳米生物涂层表面/界面结构与涂层结合强度的关系；纳米生物涂层在模拟体液环境下镁离子溶出规律；纳米生物涂层对成骨细胞粘附、增殖、分化相关蛋白的表达水平。希望得到国家自然科学基金的资助，将该课题能够进行下去，为镁合金作为骨固定材料临床应用提供理论和实验基础。

针对医用镁合金作为骨内固定材料在体内降解速度过快问题，提出了一种超声辅助微弧氧化赋予镁合金涂层生物活性的新方法，利用超声作用和局部微弧放电耦合，获得了纳米晶结构，解决了传统镁合金微弧氧化获得耐蚀性能同时而失去生物性能的问题。. 基体材料选用课题组研究的Mg-Zr-Zn-Ca合金和市购的纯镁，主要研究超声强度和镀液成分对涂层内生与外延纳米生物涂层生长机制、纳米生物涂层表面/界面微观组织结构与力学性能关系、优化碱性钙盐、硅酸盐镀液，并研究纳米粒子SiO2、TiO2、Ag等对纳米生物涂层抗腐蚀性影响。通过体液模拟、体外细胞培养和动物体内植入实验，建立超声微弧氧化生物涂层骨性结合机理、纳米粒子SiO2、TiO2对微弧氧化生物涂层降解速度的调控机制、载银离子对涂层细胞粘附作用机理、生物种植体降解速度以及转归机理，研究体内降解产物及骨生长相关机理，实现调控材料降解速率与骨生长的相匹配。. 结果表明：超声波为微弧氧化体系提供了附加能量ΔU，使Mg合金获得附加活化能ΔG*，超声波空化效应促进离子运动，加速反应，增加氧化层界面能，利于涂层的致密化，涂层晶体择优生长，改变涂层的表面及内部结构及生长方式，加速活性元素Ca、P的沉积，提高了材料的生物活性和耐蚀性能；硅酸盐电解液中添加适量纳米SiO2、TiO2颗粒，能够减少涂层孔径尺寸，提高微弧氧化涂层结合强度、降低摩擦磨损系数，控制形成MgO- MgO•SiO2(MgO•TiO2)含量，调控涂层的腐蚀性及细胞活性。添加AgNO3后，电解液导电能力增强，产生Ag3Mg新相，银离子强导电及电势加速反应进行，增加涂层结合力，减小摩擦系数，提高耐蚀性。同时由于银离子的还原电势较高，具有吸住载有负电荷细菌的能力强、速度快，达到杀死细菌、修复组织、促进愈合的作用。微量Ag对生物机体正常代谢基本无影响，体液中游离形成Ag+达到抗菌同时，促进成骨细胞的增殖生长，能够在骨髓中更好的促进成骨细胞的功能表达。金属离子溶出对心、肝、肾组织无影响，涂层中MgO，MgO•SiO2在体液环境下参与新骨形成，种植体在动物体内不同时期压缩强度减少值与骨生长速度的匹配。