專利名稱：醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層及其制備方法
技術領域：
本發明涉及醫用鎂合金的表面保護膜材料及其制備方法，屬于生物醫療器械領域。具體為一種具有雙層膜結構的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層，其中內層膜采用微弧氧化技術制備以氧化鎂和硅酸鎂陶瓷相為基體，在該基體相中彌散分布有強化增韌用的納米氧化鋯顆粒和改善生物活性用的羥基磷灰石顆粒；外層膜為利用真空浸滲法制備， 以明膠為基體，在明膠基體中彌散分布有羥基磷灰石顆粒。
背景技術：
鎂合金在協助修復或取代患病或遭破壞的肌體組織方面起著重要作用。和陶瓷材料及高分子聚合材料相比，它具有高機械強度及斷裂韌性，因此更適合用于負重區域。相對于常用的金屬生物材料(如不銹鋼、鈦及鈦合金和鈷鉻合金等)，鎂合金的彈性模量和人體骨組織更為相近，可以更好的滿足植入環境的需求。然而，鎂合金的耐蝕性能較差，尤其是在人體酸性體質下，很容易發生點蝕，為此，需要一定的表面處理技術以控制降解速度、誘導骨及其他組織生長和修復。微弧氧化是在金屬表面原位生長陶瓷層的新技術。它是將鋁、鈦、鎂等金屬置于電解質溶液中，在熱化學、等離子化學和電化學的共同作用下，使材料表面產生火花放電生成陶瓷層，進而顯著提高上述材料的耐蝕性、耐磨性和硬度。與其他表面處理方法相比較，微弧氧化技術具有以下優點(1)耐腐蝕性、耐磨性能更好；( 與基體結合緊密，不易脫落；
(3)可在金屬表面形成粗糙面，有利于成骨細胞附著；(4)與通常的陽極氧化處理相比，對材料的疲勞強度降低很小。綜之，將原有基體鎂合金材料進行微弧氧化處理可以提高其人體中的耐蝕性能，降低析氫速率，延緩降解時間，給組織的愈合創造有利條件。諸多研究表明，表面富含羥基磷灰石的微弧氧化鎂合金，在傳導成骨功能，新生骨形成，骨鍵合，植入肌肉、韌帶、皮下后與周圍組織的結合能力，以及避免炎癥和其他不良反應的反應方面有很好的表現。然而，現有研究(z. QJao，Yu Ivanisenko, Τ. Diemant, et al.Synthesis and properties of hydroxyapatite-containing porous titania coating on ultrafine-grained titanium by micro-arc oxidation[J]Acta Biomaterialia, 2010,6(7) :2816-2825. Long-Hao Li, Young-Min Kong, Hae-ffon Kim, et al. Improved biological performance of Ti implants due to surface modification by micro-arc oxidation [J] Biomaterials，2004，25 (14) :2867-2875.)往往采用 β-GP、醋酸鈣、磷酸鈣等作為電解質獲得鈣磷陶瓷層，進而水熱合成或者SBF浸泡誘導生成羥基磷灰石，此法不夠經濟且工藝復雜、減弱膜層附著力，也有采用改進工藝的諸如微弧氧化EPD復合技術原位生成羥基磷灰石的報道(D. Y. Kim, M. Kim, H. E. Kim, et al. Formation of hydroxyapatite within porous Ti021ayer by micro-arc oxidation coupled with electrophoretic deposition [J] Acta Biomaterialia, 2009, 5 (6) :2196-2205.)，雖可以簡化工藝，但仍然能解決微弧氧化鎂合金表面多孔，甚至是直達基體的通孔的現狀，很難大幅度的提高鎂合金的耐蝕性能，為此必須要進行封孔。
現有的微弧氧化封孔專利主要采用硅酸乙酯(深圳富泰宏精密工業有限公司， 微弧氧化膜封孔方法中國，200810303802. 4[P]. 2010-02-17)、PMMA(深圳富泰宏精密工業有限公司，微弧氧化膜封孔方法中國，200810303793. 9 [P]. 2010-02-17)等材料作為封孔，其初衷是封孔的致密性，在膜的強韌性、生物相容性和表面誘導性上仍稍顯不足。真空浸滲法是近年發展起來的一種制備精細結構復合材料的新方法，其實質是利用大氣壓力推動增強體與基體的結合，它和壓力浸滲法本質是相同的。但是由于該方法的壓力控制容易，強度均勻，不易引起增強體的變形、破壞，因此，更適用于生物醫用復合材料的制備。然而，目前真空浸滲報道也主要集中于解決電子材料、建材等領域微孔滲漏問題(林朝平.真空浸滲技術的應用[J].機械制造，2003，41(2))，也有利用該方法獲得復合材料的報道(華南理工大學，一種泡沫陶瓷增強纖維氣凝膠隔熱材料及其制備方法中國， 201010248197. 2[P], 2010-08-06.同濟大學，建筑用相變儲能復合材料及其制備方法中國，03116^6. X[P]. 2003-04-10)。其常用的浸滲劑主要分兩類無機物(硅酸鹽類)和有機類(如合成樹脂、厭氧膠等)(中國科學院廣州化學研究所；廣州市堅紅化工廠，密封補強用甲基丙烯酸酯型真空浸滲劑中國，01130100. 7[P]. 2001-12-18)，雖然也有對其工藝進行創新的報道(松下電器產業株式會社，電解液的浸滲裝置和浸滲方法中國， 200610073791. 6 [P]. 2006-04-17)，但是真空浸滲技術在生物活性材料方面的應用，尤其是羥基磷灰石/明膠作為浸滲劑則鮮有報道。現今，雖也有諸多學者對羥基磷灰石/明膠復合支架(劉文斌.羥基磷灰石/明膠復合材料的制備及其性能研究[D]成都西南交通大學，2005.孫瑞雪.明膠/羥基磷灰石復合物微球中明膠對無機相影響的研究[J].影像科學與光化學，2009，27 (5))、微球(趙峰.殼聚糖-明膠網絡/羥基磷灰石復合材料支架的研究一制備及形貌[J].中國修復重建外科雜志，2001，15(5))、涂料(彭湘紅.殼聚糖/ 納米多層結構羥基磷灰石/明膠復合膜的性能[J].中國組織工程研究與臨床康復，2008， 12(14))進行研究和報道，但是，其獲得的涂層往往只限于特定的聚合物，對于微弧氧化陶瓷層的適應性能尚待分析(章偉平.聚乳酸多孔支架制備及表面改性研究[D]南京東南大學，2009)，同時，其這些膜層往往只在表觀封孔，對于在微弧氧化陶瓷層中經常發現的一些貫穿的通孔等孔洞，封孔劑受內外壓的作用難以完全涂覆，使得當材料表觀封孔層被侵蝕后，耐蝕性能會發生顯著下降。介于上述原因，有必要開發出一種生物相容性好的微弧氧化復合保護層及封孔一體化技術。

發明內容
技術問題本發明旨在克服現有鎂合金微弧氧化及其封孔復合技術在耐蝕性、生物相容性、經濟性上的不足，提出一種制備醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層的新方法 該法制備出的膜層經濟可行，不僅不會降低原有膜層的力學性能，還提高了原有鎂合金以及鎂合金微弧氧化陶瓷膜層的耐蝕性，更益于細胞粘附生長，添加的羥基磷灰石進一步增強了其成骨性能，使得醫用鎂合金獲得良好的骨誘導特性和生物相容性。技術方案本發明的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜的鎂合金基體表面有一層生物相容性良好的可降解復合膜層，所述及的可降解復合膜層具有內外雙層膜結構，其中， 內層膜以氧化鎂和硅酸鎂陶瓷相為基體，在該基體相中彌散分布有強化增韌用的納米氧化鋯顆粒和改善生物活性用的羥基磷灰石顆粒，納米氧化鋯粒徑為IOnm 500nm，按重量百分比計算，氧化鋯相占內層膜總重量的 15%，羥基磷灰石占內層膜總重量的 15% ；外層膜以明膠為基體，在明膠基體中彌散分布有羥基磷灰石顆粒，按重量百分比計算，羥基磷灰石占外層膜總重量的 25%。所述的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層制備的方法，其特征在于該復合保護層中內層膜采用微弧氧化方法在鎂合金表面制備而成，而外層膜采用羥基磷灰石/明膠作為浸滲劑的真空浸滲封孔技術并經交聯而產生。所述的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層制備的方法，其特征在于該方法通過如下的步驟實現a.鎂合金預處理對鎂合金材料表面進行打磨，清洗，干燥，以備用；b.電解液配制羥基磷灰石納米顆粒1 25g/L，納米氧化鋯顆粒1 25g/L，硅酸鹽4 30g/L， 氫氧化鈉或氫氧化鉀的一種或者二種1 10g/L，磷酸鹽0 20g/L。電解液pH為8 14。c.微弧氧化以步驟a中處理好的鎂合金為陽極，不銹鋼容器為陰極，將預處理過的鎂合金放進裝有步驟b中配制的堿性電解液的不銹鋼容器中，使用雙向脈沖電源，采用正向電壓300V 700V，負向電壓OV 300V (或正向電流0. 5 20A/dm2，負向電流0 1 OA/dm2)，占空比5% 60%，頻率50Hz 1000Hz，進行微弧氧化處理IOmin 60min，處理過程中，電解液溫度始終保持在20 60°C ；d.真空浸滲封孔將微弧氧化后的鎂合金置于真空浸滲腔，真空泵抽真空至 IOOPa 120Pa，將預先配置好的含有明膠濃度0. 1 40wt%，羥基磷灰石的濃度為溶液中明膠濃度的 25%的羥基磷灰石/明膠混合溶液的儲液室的閥門打開，將混合溶液裝載入真空浸滲腔，與試樣真空接觸封孔。浸漬0. 5 120min后，減壓，打開上蓋，以0. 5 10cm/s的速度取出，風干冷卻。隨后采用0. Iwt % 15wt%的戊二醛溶液浸泡干燥后的試樣5 30min。依次用乙醇、蒸餾水清洗數次，干燥。所述的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層制備的方法，其特征在于步驟d所述的真空浸滲羥基磷灰石-明膠封孔技術可以重復使用，也可以套用噴涂、浸漬等工藝，獲得梯度羥基磷灰石/明膠膜層。有益效果本方案設計的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層具有以下特點1)保護層的內層膜采用微弧氧化技術在鎂合金基體表面一步原位合成，膜基結合力高，且在保護層內層膜中，納米氧化鋯顆粒彌散分布在在該基體相中，對傳統微弧氧化鎂合金表面以氧化鎂和硅酸鎂相為基的陶瓷薄膜有強化、增韌作用；而內層膜中的羥基磷灰石相是人體硬組織的主要無機組成，能改善保護膜的生物活性；2)在保護層外層膜羥基磷灰石/明膠膜層中，明膠與微弧氧化陶瓷層具有一定的親水潤濕性和韌性，有助于羥基磷灰石/明膠膜層與陶瓷層緊密結合，不易脫落，同時明膠粘附性好，可以封住微弧氧化的放電孔洞通道，使得復合膜層與環境形成了良好的隔離，進一步提高了鎂合金的耐蝕性能，通過控制羥基磷灰石/明膠膜層的厚度，可以使得該材料在特定的環境中的降解速度在一個相對較寬的范圍內變化。與此同時，明膠的加入除了會使材料產生比較好的骨誘導性外，還會帶來良好的血液相容性和組織相容性，提高材料的生物相容性、完全生物降解性且具有弱的抗原性。
3)羥基磷灰石顆粒的加入補充了明膠在力學強度上的欠缺，少量羥基磷灰石的加入不僅提高了表面膜層的強度，并且并沒有降低明膠膜層的韌性和粘附性。在羥基磷灰石 /明膠膜層中的羥基磷灰石能為骨的遷移提供生物相容的界面，通過外延生長和骨組織產生牢固的化學鍵結合，具有引導成骨的性能。同時，由于羥基磷灰石的化學組成和微觀結構與骨組織幾乎相同，可以在生理環境下阻止種植材料被腐蝕，從而增強了材料的耐久性。因此，該醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層展示出了較好的生物相容性、降解性和誘導成骨等特性。


圖1 本發明具體制備流程圖。圖2:本發明的真空浸滲裝置示意圖。圖中有真空泵1、調節閥2、壓力表3、減壓閥4、浸滲室5、樣品6、開關閥7、儲液室8。圖3 本發明醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層表面的XRD分析圖。具體實例方式本發明的醫用鎂合金表面可降解復合保護層是在醫用鎂合金表面制備，具有內外雙層膜結構，其中，內層膜以氧化鎂和硅酸鎂陶瓷相為基體，在該基體相中彌散分布有強化增韌用的納米氧化鋯顆粒和改善生物活性用的羥基磷灰石顆粒，納米氧化鋯粒徑為 IOnm 500nm，按重量百分比計算，氧化鋯相占內層膜總重量的 15%，羥基磷灰石占內層膜總重量的 15%;外層膜以明膠為基體，在明膠基體中彌散分布有羥基磷灰石顆粒，按重量百分比計算，羥基磷灰石占外層膜總重量的 25%。首先通過微弧氧化在鎂合金基體表面原位生長出一層以氧化鎂和硅酸鎂陶瓷相為基體，在該基體相中彌散分布有強化增韌用的納米氧化鋯顆粒和改善生物活性用的羥基磷灰石顆粒的內保護層，然后，采用羥基磷灰石/明膠作為浸滲劑的真空浸滲封孔技術并交聯，在內保護層上形成薄而韌的羥基磷灰石/明膠復合外膜層，均勻致密的填覆在陶瓷膜及其孔洞上。實施例1(1)制樣選用ADlB鎂合金加工成符合要求直徑的絲；(2)預處理依次用丙酮、蒸餾水、無水乙醇超聲清洗鎂合金絲lOmin，干燥備用；(3)微弧氧化電解液的配制羥基磷灰石納米顆粒10g/L，納米氧化鋯顆粒10g/L， 硅酸鹽10g/L，氫氧化鈉lg/L，磷酸鹽5g/L ；(4)羥基磷灰石/明膠混合溶液的配制制備含有8wt%明膠、納米級羥基磷灰石混合溶液，攪拌均勻，備用；(5)微弧氧化將步驟(2)中得到的鎂合金絲作為陽極，不銹鋼桶作為陰極，放置于電解液a中，施加正向電壓450V，負向電壓60V，頻率600Hz，占空比為20 %，電解液溫度在40°C，進行IOmin的微弧氧化，取出放置于電解液b中，施加正向電壓450V，負向電壓 60V，頻率600Hz，占空比為20%，電解液溫度在40°C，進行5min的微弧氧化；(6)封孔將微弧氧化后的鎂合金置于真空浸滲腔，真空泵抽真空至120Pa，將預先配置好的含有步驟(4)制備的羥基磷灰石/明膠混合溶液的儲液室閥門打開，將混合溶液裝載入真空浸滲腔，與試樣真空接觸封孔。浸漬5min后，減壓，打開上蓋，以3cm/s的速度取出，干燥后采用0. 25wt%的戊二醛溶液浸泡干燥后的試樣20min。隨后用乙醇浸泡樣品3次，每次lOmin，蒸餾水反復清洗數次，去除戊二醛殘留干燥，即可得到本發明的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層。實施例2(1)制樣選用AZ91D鎂合金加工成符合要求的絲；(2)預處理依次用丙酮、蒸餾水、無水乙醇超聲清洗鎂合金絲lOmin，干燥備用；(3)微弧氧化電解液的配制羥基磷灰石納米顆粒5g/L，納米氧化鋯顆粒5g/L，硅酸鹽10g/L，氫氧化鉀2g/L;(4)羥基磷灰石/明膠混合溶液的配制分別制備含有5wt%明膠、0. 5wt%納米級羥基磷灰石混合溶液，和含有10wt%明膠、2wt%納米級羥基磷灰石混合溶液，攪拌均勻，備用；(5)微弧氧化將步驟O)中得到的鎂合金絲作為陽極，不銹鋼桶作為陰極，施加正向電流3A/dm2，負向電流lA/dm2，頻率600Hz，占空比為20 %，電解液溫度20 40°C，進行20min的微弧氧化；(6)將微弧氧化后的鎂合金置于真空浸滲腔，真空泵抽真空至120Pa，將預先配置好的含有步驟(4)制備的5wt%明膠，0. 5wt%納米級羥基磷灰石混合溶液的儲液室閥門打開，混合溶液裝載入真空浸滲腔，與試樣真空接觸封孔。浸漬aiiin后，減壓，打開上蓋，以 3cm/s的速度取出，干燥后采用0. 25wt%的戊二醛溶液浸泡干燥后的試樣20min。隨后用乙醇浸泡樣品3次，每次lOmin，蒸餾水反復清洗數次，去除戊二醛殘留干燥，再將試樣直接浸漬在步驟(4)制備的含有IOwt %明膠，2wt%納米級羥基磷灰石混合溶液中2min，以2cm/s 的速度緩慢取出，干燥后，采用0. 25wt %的戊二醛溶液浸泡干燥后的試樣20min。隨后用乙醇浸泡樣品3次，每次lOmin，蒸餾水反復清洗數次，去除戊二醛殘留干燥，即可得到本發明的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層。即可得到本發明的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層。實施例3(1)制樣將鎂合金加工成符合要求薄板片；(2)預處理依次采用200#，400#，600#，1000#，1200#砂紙研磨，用丙酮、蒸餾水、無
水乙醇超聲清洗鎂合金板片lOmin，干燥待用；(3)微弧氧化電解液的配制羥基磷灰石納米顆粒10g/L，納米氧化鋯顆粒5g/L， 硅酸鹽10g/L，氫氧化鉀lg/L，磷酸鹽5g/L。(4)羥基磷灰石/明膠混合溶液的配制制備含有6wt%明膠，0. 5wt%納米級羥基磷灰石混合溶液，攪拌均勻，備用；(5)微弧氧化將步驟(2)中得到的鎂合金板片作為陽極，不銹鋼桶作為陰極，施加正向電壓450V，負向電壓60V，頻率600Hz，占空比為25%，電解液溫度20 40°C，進行 15min的微弧氧化；(6)封孔將微弧氧化后的鎂合金置于真空浸滲腔，真空泵抽真空至120Pa，將預先配置好的含有步驟(4)制備的羥基磷灰石/明膠混合溶液的儲液室閥門打開，將混合溶液裝載入真空浸滲腔，與試樣真空接觸封孔。浸漬:3min后，減壓，打開上蓋，以3cm/s的速度取出，干燥后采用0. 25wt%的戊二醛溶液浸泡干燥后的試樣20min。隨后用乙醇浸泡樣品3次，每次lOmin，蒸餾水反復清洗數次，去除戊二醛殘留干燥，即可得到本發明的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層。 顯然，本發明的上述實施例僅僅是為了清楚說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，還可在上述說明的基礎上做出其它不同形式的變化或變動，這里無需也無法對所有實施方式予以窮舉，而這些屬于本發明的精神所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明的保護范圍內。
權利要求
1.一種醫用鎂合金表面可降解復合保護層，其特征在于它是在醫用鎂合金表面制備， 具有內外雙層膜結構，其中，內層膜以氧化鎂和硅酸鎂陶瓷相為基體，在該基體相中彌散分布有強化增韌用的納米氧化鋯顆粒和改善生物活性用的羥基磷灰石顆粒，納米氧化鋯粒徑為IOnm 500nm，按重量百分比計算，氧化鋯相占內層膜總重量的 15%，羥基磷灰石占內層膜總重量的 15%;外層膜以明膠為基體，在明膠基體中彌散分布有羥基磷灰石顆粒，按重量百分比計算，羥基磷灰石占外層膜總重量的 25%。
2.一種如權利要求1中所述的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層的制備方法，其特征在于該復合保護層的內層膜采用微弧氧化方法在鎂合金表面制備而成，而外層膜采用羥基磷灰石/明膠作為浸滲劑的真空浸滲封孔技術并經交聯而產生。
3.如權利要求2中所述的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層的制備方法，其特征在于該方法具體通過如下的步驟實現a.鎂合金預處理對鎂合金材料表面進行打磨，清洗，干燥，以備用；b.電解液配制羥基磷灰石納米顆粒1 25g/L，納米氧化鋯顆粒1 25g/L，硅酸鹽4 30g/L，氫氧化鈉或氫氧化鉀的一種或者二種1 10g/L，磷酸鹽0 20g/L ；電解液pH為8 14 ；c.微弧氧化以步驟a中處理好的鎂合金為陽極，不銹鋼容器為陰極，將預處理過的鎂合金放進裝有步驟b中配制的堿性電解液的不銹鋼容器中，使用雙向脈沖電源，采用正向電壓300V 700V，負向電壓OV 300V ；或正向電流0. 5 20A/dm2，負向電流0 IOA/ dm2 ；占空比5% 60%，頻率50Hz IOOOHz，進行微弧氧化處理IOmin 60min，處理過程中，電解液溫度始終保持在20 60°C ；d.真空浸滲封孔將微弧氧化鎂合金置于真空浸滲裝置中，抽真空后與預配置好的羥基磷灰石-明膠混合溶液接觸，浸滲封孔，取出干燥，戊二醛交聯，乙醇、蒸餾水清洗數次并干燥。
4.如權利要求3中所述的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層制備的方法，其特征在于步驟d所述羥基磷灰石-明膠混合溶液中，按重量百分比計算，明膠的濃度為0. 1 40%，羥基磷灰石的濃度為溶液中明膠濃度的 25%。
5.如權利要求3中所述的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層制備的方法，其特征在于步驟d所述的真空浸滲羥基磷灰石-明膠封孔技術重復使用，或以套用噴涂、浸漬工藝， 獲得梯度羥基磷灰石/明膠膜層。
6.如權利要求3中所述的醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層制備的方法，其特征在于真空浸沒時間為0. 5min 120min，取出速度為0. 5cm/s 10cm/s。
全文摘要
本發明涉及一種醫用鎂合金表面可降解復合保護膜層及其制備方法。該可降解復合保護膜是在醫用鎂合金表面制備，具有內外雙層膜結構內層膜采用微弧氧化技術制備，以氧化鎂和硅酸鎂陶瓷相為基體，在該基體相中彌散分布有強化增韌用的納米氧化鋯顆粒和改善生物活性用的羥基磷灰石顆粒；外層膜為利用真空浸滲法制備，以明膠為基體，在明膠基體中彌散分布有羥基磷灰石顆粒。該復合膜層可以顯著的提高材料的耐蝕性能和韌性，進而達到可控降解的目的，同時該復合膜層可以提高材料的生物相容性。
文檔編號A61L27/42GK102397584SQ20111036113
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者儲成林, 王世棟, 白晶, 盛曉波, 董寅生, 薛烽, 郭超, 韓嘯 申請人:東南大學