医用镁合金表面载银抗菌Ca-P-Si涂层的制备与生物相容性研究

Magnesium alloys have shown special applications as bone implant materials due to their good biocompatibility, biodegradability and close mechanical property to nature bones. However, the main limitation in the implementation of magnesium alloys as an orthopedic biomaterial is that the rapid degradation leads to the losing of the mechanical property before the formation of stable tissue around the implant. Preparation of coating on magnesium alloys is one of the most effective methods to solve the problem. In this subject, Mg-Zn-Mn-Ca alloys were chosen as the research subject. Chemical reaction method was used to prepare the silver ions-substituted Ca-P-Si anti-bacterial coating on the surface of Mg-Zn-Mn-Ca alloys. Based on revealing the formation mechanism of the coversion coating, the effect mechanisms of coating characteristic are explored by the electrochamical and immersion measurments. The conversion coating could improve the corrosion resistance of magnesium alloys, promote bioactivity of bone cell and accelerate bone healing. Finally, the biocompatibilities of the conversion treated Mg-Zn-Mn-Ca alloys are evaluated both in-vitro and in-vivo, and reveal the influnce mechanism of Ag iron on the biocompatibilities. This subject hopes to improve the degration rate of magnesium alloys, promote bone healing and aviod the inflammation at early stage of implantation. This subject would provide thoeritical and experimental supports for the development and application of the biomedical maganesium alloy.

镁合金具有良好的生物相容性和与自然骨相匹配的力学性能，且能生物降解，因此镁合金作为骨植入材料具有独特的优越性。但镁合金在人体环境中降解速率过快，使合金在骨组织愈合之前过早地丧失了力学性能，限制了其应用。在镁合金表面制备涂层是解决该问题最有效的方法之一。本项目以申请人前期研究的Mg-Zn-Mn-Ca合金为研究对象，采用化学转化法对其进行表面生物改性处理，在镁合金表面制备载银抗菌Ca-P-Si复合涂层。在深刻揭示生物转化膜成膜机理的基础上，进一步采用电化学和浸泡实验探索涂层特征对镁合金降解速率和腐蚀进程的影响机制。最后，对表面改性后的镁合金进行体外和体内的生物相容性评价，揭示涂层中银离子和硅离子对生物相容性的耦合作用机制。本项目所研究的活性涂层有望显著降低镁合金的降解速率，促进骨组织的形成和愈合，并抑制植入初期炎症的发生。因此，本项目将为医用镁合金的开发和应用提供重要的理论和实验依据。

由于镁合金具有良好的生物相容性，降解性能，且其力学性能接近人骨组织，因此镁合金作为骨植入材料具有潜在的应用。但镁合金在人体环境中降解速率过快，使合金在骨组织愈合之前过早地丧失了力学性能，限制了其应用。表面改性处理广泛用于提高镁合金耐腐性能。本项目采用化学转化法在挤压态Mg-Zn-Mn-Ca合金表面制备了一层载银抗菌Ca-P-Si复合涂层。扫描电镜观察到在镁合金表面生成一层雪花状均匀分布的灰色涂层，该涂层微观形貌类似于沙滩状结构，这种结构将有利于细胞的粘附。EDS结果表明涂层主要由O、P、Si、Ca和Ag元素构成，结合XRD和XPS分析结果验证了转化涂层主要由Ca10(PO4)6(OH)2和少量的CaHPO4•2H2O、Ag/Ag2CO3、CaSiO3构成。并且深刻探讨了生物转化膜成膜机理，揭示了涂层形成过程中主要包含镁合金的腐蚀阶段，涂层快速成膜阶段以及涂层缓慢成膜阶段。同时，进一步采用电化学和浸泡实验相结合的方法对改性后镁合金在Hanks溶液中降解速率和腐蚀进程的影响机制进行探讨，研究发现涂层的存在使得腐蚀介质和挤压态Mg-Zn-Mn-Ca合金之间形成腐蚀障碍，对基体起到保护作用，显著提高了Mg-Zn-Mn-Ca合金的耐腐蚀性能。电化学测试结果表明涂层腐蚀电压与Mg-Zn-Mn-Ca合金相比正移约100 mV，腐蚀电流密度由10.12 µA/cm2降低到5.54 µA/cm2，腐蚀电阻(Rp)由560 Ω/cm2增加到4722 Ω/cm2。浸泡结果表明涂层的腐蚀产物为Ca10(PO4)6(OH)2和少量的Mg3(PO4)2、Mg(OH)2，其中Ca10(PO4)6(OH)2的存在表明涂层具有较好的生物相容性。为了验证涂层的抑菌性能，对载银抗菌Ca-P-Si复合涂层进行抗菌性能评价，揭示了涂层中银离子对生物抗菌性能的作用机制，研究表明Ag离子的释放，与细菌发生接触反应，使细菌的固有成分被破坏或产生功能障碍，从而导致细菌死亡，因此明显提高了涂层的抗菌性能。本项目所研究的活性涂层显著降低了镁合金的降解速率，并抑制植入初期炎症的发生，促进骨组织的形成和愈合。因此，本项目将为骨植入材料的开发和应用提供重要的理论和实验依据。