镁合金表面有机改性层降解及生物活性机制研究

镁及镁合金作为可降解硬组织金属植入材具有良好的应用前景，其腐蚀降解速度的控制以及生物活性的改善是亟需解决的问题。本项目拟采用化学方法在镁合金表面制取无毒的具有不同末端官能团(-COOH,-PO4H2)的有机物改性层,以调整镁的降解速度和改善其生物活性。项目针对镁合金的腐蚀降解机制及表面特性，研究不同表面状态的镁合金表面上具有不同官能团的有机改性层的形成机制、影响因素、改性镁合金的降解性能、生物活性，揭示镁合金基体与改性层界面、改性层与生物体界面之间的相互作用机制，弄清缓蚀膜对合金降解和活性的影响规律，以及生物活性与腐蚀降解性能之间的内在联系，并将镁合金的腐蚀降解过程与新骨形成过程进行对应研究。本研究为新型镁基硬组织植入材料的进一步研究、制备和应用提供理论基础。其关键技术和原理的突破将对镁基生物材料制备和应用技术、镁合金防腐理论和技术的发展产生重要的推动作用。

为控制镁基生物材料的腐蚀降解速度并改善其生物活性，本项目对具有不同末端官能团的硬脂酸、植酸和APTES硅烷的有机物改性层的制备工艺、成膜机制、降解性能和生物活性以及细胞相容性进行了系统的研究，考察了材料在体内的变化过程及其对宿主的影响。研究结果表明：1）以热处理得到的氧化镁过渡层与硬脂酸结合良好；在高浓度溶液中短时间浸泡制得的膜层比传统在低浓度溶液中长时间侵渍成膜的耐蚀性好；超声清洗能进一步提高膜层有序度和致密性。该膜由Mg2+ 和 –COO- 之间的离子键合在基体表面，尾基为疏水的烷链，接触角超过130º。改性材料显示了均匀缓慢的降解和良好的生物活性。2）经过工艺优化后的植酸膜仍然存在显微裂纹，使得植酸改性膜只能短期有限地提高镁基体的腐蚀抗力。植酸分子中的磷酸根氧负离子与镁离子结合，形成螯合物在镁表面形成保护膜。磷酸基能诱导Ca元素的沉积，使改性试样具有良好的生物活性。3）以水热处理得到的Mg(OH)2层为过渡层，在45℃，浓度为2.5%，pH为6的硅烷溶液中浸泡40s后，在100℃的真空干燥箱中固化1h得到能显著提高镁耐蚀性的APTES硅烷有机膜，该膜未显示出对生物活性明显的改善且膜层稳定性不佳。4）硬脂酸和硅烷改性处理使改性后试样对成骨细胞的增殖显示出促进作用，材料表现较好的细胞相容性。但是硬脂酸改性后的试样表面呈疏水性，对细胞的亲和力不强，需要进一步改善。植酸改性的纯镁与成骨细胞的间接培养时，表现出不合格的细胞毒性；但是在与AZ31镁合金直接接触培养时，显示植酸改性后的AZ31镁合金更有利于MG63细胞的黏附。提示植酸改性后表面具有的磷酸残基结构可能诱导和促进细胞整合素的表达水平。5）经过植酸、硬脂酸和硅烷改性处理的纯镁试样的溶血率由改性前的57.39%，分别下降为4.28%、2.60%和0.87%，均符合生物材料溶血率小于5%的要求。6）植入试验不仅证实了硬脂酸SAM改性对镁基材料降解速度的调节作用，也初步提示硬脂酸改性纯镁试样具有一定的成骨活性，但试验中出现的动物肌无力和腹泻情况需要深入研究，镁材料的降解速度必须严格控制。本研究成果加深了人们对镁基生物医用材料的有机表面改性、腐蚀降解、生物相容性能和成骨活性等的认识。