本发明涉及一种医用纯镁表面涂层的制备方法。
背景技术：
21世纪可降解医用镁及镁合金材料已成为生物医用金属重要的研究新方向。可降解医用镁及镁合金具有与人骨接近的弹性模量，其密度也与人骨接近，具有适当的强度、良好的生物相容性，具有类似于天然骨的机械性能。这些特性使镁及其合金有可能成为理想的骨科内植入材料。但镁基生物医学材料在生理环境中降解太快，会引起溶血、炎症等一系列生物学问题，对组织生长和修复产生潜在危害，阻碍了其更广泛的临床应用。现在学者主要关心的问题是控制这种合金在生理环境中的降解速率、抗炎、抗菌及促进骨的早期修复等问题。
因此，若想将镁合金作为骨科植入材料有更好的应用，还需要进一步提高镁合金的耐蚀植入物表面的性质可直接影响到细胞的反应，最终影响新骨组织的形成速率和形成质量。镁及其合金是最具有潜能的可吸收植入材料，其具有优异的生物降解性和生物相容性，鉴于其在体内的快速降解，当前的研究集中于通过合金化和表面改性来减少镁及其合金的快速腐蚀速率。表面改性的方法有很多，例如离子注入、化学转化膜、沉积涂层、有机高分子膜、微弧氧化、自组装等成为医用镁合金研究热点；各种表面技术的复合是发展的重点方向。
交替沉积就是一种依靠模板辅助的自组装技术，历经学者们二十余年的研究得到了很好的发展，层层组装多层膜的成膜推动力已经从静电相互作用拓展到了多种弱相互作用力，例如氢键、配位键等。层层组装技术与其它的制膜技术相比，具有很多优点：(1)成膜物质的种类丰富；(2)简单、快捷的制备过程；(3)绿色、环保的制备环境；(4)基底不受形状、种类、大小的限制；(5)可调控膜的化学组成、结构和性能；(6)目的性强、可设计性高。由于其具有以上诸多优点，层层组装技术成为了构筑功能性膜层材料的最有前景制备技术之一。
技术实现要素：
本发明是为了解决目前医用镁及镁合金材料在生理环境中降解太快，会引起溶血、炎症等一系列生物学问题，对组织生长和修复产生潜在危害的技术问题，而提供一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法。
本发明的一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法是按以下步骤进行的：
一、纯镁试样表面预处理：用砂纸对待处理的纯镁试样表面进行粗磨，然后依次用丙酮和蒸馏水各超声25min，吹干后放入密封袋中密封备用；
二、配置微弧氧化电解液：将蒸馏水装入烧杯中，然后依次加入硅酸钠、氢氧化钾、氟化钾和乙二胺四乙酸二钠，每加入一种试剂时均需要搅拌均匀后再加下一种试剂，全部加完后进行超声振荡，至所有试剂完全溶解为止，得到微弧氧化电解液；所述的微弧氧化电解液中硅酸钠的浓度是15g/L～20g/L，氢氧化钾的浓度是10g/L～20g/L，氟化钾的浓度是8g/L～20g/L，乙二胺四乙酸二钠的浓度是1g/L～10g/L；
三、超声微弧氧化处理：将步骤二制备的微弧氧化电解液放入电解槽中，然后将电解槽下放入超声波振荡仪中，微弧氧化设备的阴极接不锈钢电解槽，阳极接步骤一中表面预处理完的纯镁试样，设置微弧氧化设备的阴阳极间距离为40mm～60mm，启动微弧氧化设备和超声波振荡仪，在超声波频率为300Hz～600Hz、微弧氧化电压为150V～400V、脉宽为40μs～70μs、脉冲频率为400Hz～600Hz和占空比为2.5％的条件下超声微弧氧化2min～25min，关闭微弧氧化设备和超声波振荡仪，将样品取出用蒸馏水冲洗干净，自然晾干；
四、后处理：
①将步骤三超声微弧氧化处理完的镁试样放入1mol/L～3mol/L的NaOH水溶液中，然后置于温度为60℃～80℃的水浴中保温1h～2h，用水清洗后自然晾干，得到碱处理的镁试样；
②将乙醇与水均匀混合，然后用乙酸调节pH值为3.8～4.2，加入硅烷偶联剂，用超声波振荡直至溶液为均匀无色透明为止，然后加入浓度为2mg/mL的中药溶液，超声20min～60min，得到硅烷偶联剂-中药的混合溶液；所述的乙醇与水的体积比为9:1；所述的硅烷偶联剂与水的体积比为1:1；所述的硅烷偶联剂-中药的混合溶液中中药的浓度是0.2mg/mL～1.9mg/mL；
③将碱处理的镁试样在硅烷偶联剂-中药的混合溶液中浸泡1min～30min，取出后自然晾干，得到纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层。
本发明主要采用微弧氧化技术来处理纯镁，同时考虑微弧氧化电解液的性质，将电解液在可变的超声波处理环境下工作，利用超声的机械效应、空化效应和热效应，促进电解质分布和传输均匀，有效提高涂层和基体的结合强度，微弧氧化后处理采用硅烷偶联自组装的工艺又能有效堵住微弧氧化孔隙，提高耐蚀性能，载入中药使材料获得诱导骨生长能力同时又具有抗菌性能。
本发明的目的是通过硅烷偶联自组装表面处理这种技术手段，在纯镁表面构建可调控材料的降解速率，并具有诱导骨生长能力、抗菌、促进骨的早期修复的硅烷偶联自组装载中药的涂层材料，能促进植入初期骨修复效果的骨内固定材料。
本发明中采用超声微弧氧化技术和微弧氧化后硅烷偶联自组装表面的复合处理方法对具有潜在生物应用前景的纯镁表面进行改性处理，获得硅烷偶联自组装载中药涂层复合材料，该生物复合材料可弥补临床应用成功的钛及钛合金的缺点，及有效的改善镁合金耐蚀性性差，降解速率过快等问题，提高了镁的生物活性、耐蚀性、耐摩擦磨损性能，并具有骨诱导能力和抑菌性，其制备方法更可有效的克服传统医用合金表面处理技术中存在的问题。该硅烷偶联自组装载中药的涂层材料可用于人体骨组织缺损，损伤处的修复及替换，可满足临床对生物硬组织替换材料的要求。
本发明以生物医学纯镁为基体，提出采用超声-微弧氧化技术复合硅烷偶联自组装载中药的处理技术，对纯镁进行表面改性处理，之后进行微弧氧化后处理，通过硅烷偶联自组装载入中药，最终制得纯镁表面硅烷偶联自组装载中药涂层材料。
本发明具有如下特征：
一、本发明提出一种用超声-微弧氧化复合技术，制备出底层致密-表层多孔的生物活性涂层复合材料，涂层和纯镁基体的结合强度为10MPa～20MPa；
二、本发明的生物活性涂层复合材料是由纯镁及其表面的硅烷偶联中药涂层复合而成，材料具有耐腐蚀和优异的生物相容性的特点，中药的引入更使其具有骨诱导能力和抗菌性能，所以偶联改性自组装涂层复合材料可用于骨修复及替换，具有可降解和可吸收性；
三、本发明的偶联改性自组装涂层复合材料的陶瓷涂层是通过超声-微弧氧化复合技术在镁表面原位高温生成，涂层和基体为冶金结合，结合强度高于单一微弧氧化处理技术；
四、本发明的偶联改性自组装涂层复合材料，涂层厚度在5μm～35μm之间可调；该偶联改性自组装涂层复合材料具有骨诱导性、良好的耐蚀性、耐人体环境摩擦磨损性、生物相容性、抗菌性能；具有强度高、韧性好的特点，可应用于骨组织缺损修复和替换；
该偶联改性自组装涂层复合材料是在镁表面以硅烷偶联剂为载体载入中药，可缩短骨愈合时间，具有抗菌性能并能提高骨修复的速度和骨修复质量。
本发明所制备的偶联改性自组装涂层复合材料是由纯镁及其表面的偶联改性自组装中药涂层复合而成，兼有金属材料和陶瓷材料的特点，制备方法超声-微弧氧化复合技术和自组装技术均为绿色环保工艺，可很好的保证生产成本低，并且所制备的材料具有优异的骨诱导性能、耐蚀性和抗菌性能。
本发明中所用的纯镁是生物医学专用纯镁，具有安全无毒、力学性能好等特点。
本发明中所用的电解质均为安全、无毒且不会产生三废的盐类，均为分析纯，成本低。
本发明中所用的中药骨碎补，具有补肾强骨，续伤止痛，跌扑闪挫，筋骨折伤的功效；中药杜仲具有补肝肾、强筋骨、健腰膝、安胎气、降血压等功效。
本发明的偶联改性自组装涂层复合材料可用于作为骨组织缺损修复材料和骨组织工程用细胞支架材料。
附图说明
图1是试验一制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌；
图2是试验二制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌；
图3是试验三制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌；
图4是试验四制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌；
图5是试验五制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌；
图6是试验六制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌；
图7是试验七制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌；
图8是试验八制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌；
图9是试验九制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的SEM图；
图10是试验十制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的SEM图；
图11是试验十一制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的SEM图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法，具体是按以下步骤进行的：
一、纯镁试样表面预处理：用砂纸对待处理的纯镁试样表面进行粗磨，然后依次用丙酮和蒸馏水各超声25min，吹干后放入密封袋中密封备用；
二、配置微弧氧化电解液：将蒸馏水装入烧杯中，然后依次加入硅酸钠、氢氧化钾、氟化钾和乙二胺四乙酸二钠，每加入一种试剂时均需要搅拌均匀后再加下一种试剂，全部加完后进行超声振荡，至所有试剂完全溶解为止，得到微弧氧化电解液；所述的微弧氧化电解液中硅酸钠的浓度是15g/L～20g/L，氢氧化钾的浓度是10g/L～20g/L，氟化钾的浓度是8g/L～20g/L，乙二胺四乙酸二钠的浓度是1g/L～10g/L；
三、超声微弧氧化处理：将步骤二制备的微弧氧化电解液放入电解槽中，然后将电解槽下放入超声波振荡仪中，微弧氧化设备的阴极接不锈钢电解槽，阳极接步骤一中表面预处理完的纯镁试样，设置微弧氧化设备的阴阳极间距离为40mm～60mm，启动微弧氧化设备和超声波振荡仪，在超声波频率为300Hz～600Hz、微弧氧化电压为150V～400V、脉宽为40μs～70μs、脉冲频率为400Hz～600Hz和占空比为2.5％的条件下超声微弧氧化2min～25min，关闭微弧氧化设备和超声波振荡仪，将样品取出用蒸馏水冲洗干净，自然晾干；
四、后处理：
①将步骤三超声微弧氧化处理完的镁试样放入1mol/L～3mol/L的NaOH水溶液中，然后置于温度为60℃～80℃的水浴中保温1h～2h，用水清洗后自然晾干，得到碱处理的镁试样；
②将乙醇与水均匀混合，然后用乙酸调节pH值为3.8～4.2，加入硅烷偶联剂，用超声波振荡直至溶液为均匀无色透明为止，然后加入浓度为2mg/mL的中药溶液，超声20min～60min，得到硅烷偶联剂-中药的混合溶液；所述的乙醇与水的体积比为9:1；所述的硅烷偶联剂与水的体积比为1:1；所述的硅烷偶联剂-中药的混合溶液中中药的浓度是0.2mg/mL～1.9mg/mL；
③将碱处理的镁试样在硅烷偶联剂-中药的混合溶液中浸泡1min～30min，取出后自然晾干，得到纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤二中所述的微弧氧化电解液中硅酸钠的浓度是15g/L，氢氧化钾的浓度是10g/L，氟化钾的浓度是8g/L，乙二胺四乙酸二钠的浓度是1g/L。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四②中所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四②中所述的中药溶液中的中药是杜仲绿原酸，溶剂是水。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四②中所述的中药溶液中的中药是淫羊藿苷，溶剂是无水乙醇。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四②中所述的中药溶液中的中药是骨碎补粉，溶剂是水。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤四②中所述的中药溶液中的中药是葛根粉，溶剂是水。其他与具体实施方式一相同。
通过以下试验验证本发明效果：
试验一：本试验为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法，具体是按以下步骤进行的：
一、纯镁试样表面预处理：用砂纸对待处理的纯镁试样表面进行粗磨，然后依次用丙酮和蒸馏水各超声25min，吹干后放入密封袋中密封备用；
二、配置微弧氧化电解液：将蒸馏水装入烧杯中，然后依次加入硅酸钠、氢氧化钾、氟化钾和乙二胺四乙酸二钠，每加入一种试剂时均需要搅拌均匀后再加下一种试剂，全部加完后进行超声振荡，至所有试剂完全溶解为止，得到微弧氧化电解液；所述的微弧氧化电解液中硅酸钠的浓度是15g/L，氢氧化钾的浓度是10g/L，氟化钾的浓度是8g/L，乙二胺四乙酸二钠的浓度是1g/L；
三、超声微弧氧化处理：将步骤二制备的微弧氧化电解液放入电解槽中，然后将电解槽下放入超声波振荡仪中，微弧氧化设备的阴极接不锈钢电解槽，阳极接步骤一中表面预处理完的纯镁试样，设置微弧氧化设备的阴阳极间距离为50mm，启动微弧氧化设备和超声波振荡仪，在超声波频率为400H、微弧氧化电压为300V、脉宽为50μs、脉冲频率为500Hz和占空比为2.5％的条件下超声微弧氧化2min～25min，关闭微弧氧化设备和超声波振荡仪，将样品取出用蒸馏水冲洗干净，自然晾干；
四、后处理：
①将步骤三超声微弧氧化处理完的镁试样放入2mol/L的NaOH水溶液中，然后置于温度为60℃的水浴中保温2h，用水清洗后自然晾干，得到碱处理的镁试样；
②将乙醇与水均匀混合，然后用乙酸调节pH值为4.0，加入硅烷偶联剂，用超声波振荡直至溶液为均匀无色透明为止，然后加入浓度为2mg/mL的中药溶液，超声40min，得到硅烷偶联剂-中药的混合溶液；所述的乙醇与水的体积比为9:1；所述的硅烷偶联剂与水的体积比为1:1；所述的硅烷偶联剂-中药的混合溶液中中药的浓度是1mg/mL；步骤四中所述的硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-550；步骤四中所述的中药溶液中的中药是杜仲绿原酸，溶剂是水；
③将碱处理的镁试样在硅烷偶联剂-中药的混合溶液中浸泡1min，取出后自然晾干，得到纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层。
试验二：本试验为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法：
本试验与试验一不同的是步骤四③中将碱处理的镁试样在硅烷偶联剂-中药的混合溶液中浸泡20min，其它与试验一相同。
试验三：本试验为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法：
本试验与试验一不同的是步骤四②中所述的中药溶液中的中药是骨碎补粉，其它与试验一相同。
试验四：本试验为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法：
本试验与试验三不同的是步骤四③中将碱处理的镁试样在硅烷偶联剂-中药的混合溶液中浸泡20min，其它与试验三相同。
试验五：本试验为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法：
本试验与试验一不同的是步骤四②所述的硅烷偶联剂-中药的混合溶液中中药的浓度是2mg/mL，步骤四③中将碱处理的镁试样在硅烷偶联剂-中药的混合溶液中浸泡10min，其它与试验一相同。
试验六：本试验为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法：
本试验与试验五不同的是步骤四②所述的硅烷偶联剂-中药的混合溶液中中药的浓度是0.2mg/mL，其它与试验五相同。
试验七：本试验为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法：
本试验与试验三不同的是步骤四②所述的硅烷偶联剂-中药的混合溶液中中药的浓度是2mg/mL，步骤四③中将碱处理的镁试样在硅烷偶联剂-中药的混合溶液中浸泡10min，其它与试验三相同。
试验八：本试验为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法：
本试验与试验七不同的是步骤四②所述的硅烷偶联剂-中药的混合溶液中中药的浓度是0.2mg/mL，其它与试验七相同。
试验九：本试验为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法：
本试验与试验三不同的是步骤四②所述的硅烷偶联剂-中药的混合溶液中中药的浓度是0.125mg/mL，步骤四③中将碱处理的镁试样在硅烷偶联剂-中药的混合溶液中浸泡20min，其它与试验三相同。
试验十：本试验为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法：
本试验与试验一不同的是步骤四②所述的硅烷偶联剂-中药的混合溶液中中药的浓度是0.25mg/mL，步骤四③中将碱处理的镁试样在硅烷偶联剂-中药的混合溶液中浸泡20min，其它与试验一相同。
试验十一：本试验为一种医用纯镁表面偶联载诱导骨生长中药涂层的制备方法：
本试验与试验一不同的是步骤四②所述的硅烷偶联剂-中药的混合溶液中中药的浓度是0.5mg/mL，步骤四③中将碱处理的镁试样在硅烷偶联剂-中药的混合溶液中浸泡20min，其它与试验一相同。
图1是试验一制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌，图2是试验二制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌，图3是试验三制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌，图4是试验四制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌，图5是试验五制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌，图6是试验六制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌，图7是试验七制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌，图8是试验八制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角形貌，从图中可以看出，纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的接触角并未随着自组装时间的变化而有太大的波动，但是中药的种类不同使得接触角有很大的不同，载杜仲绿原酸的载药涂层接触角为93.01度和92.09度，材料表面为疏水状态；载骨碎补粉的载药涂层接触角为65.65度和68.17度，材料表面为亲水状态。可见，中药的种类对材料表面的亲、疏水状态有很大影响，中药浓度降低使硅烷载药后的润湿角变大。
图9是试验九制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的SEM图，图10是试验十制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的SEM图，图11是试验十一制备的纯镁表面偶联载诱导骨生长中药的涂层的SEM图，从图中可以看出，偶联改性自组装涂层复合材料利用硅烷偶联剂的桥接作用将骨碎补附着于涂层内，使其易于添充在孔隙中，从而有效地进行了孔洞的填充，并有白色颗粒产生。