电泳沉积壳聚糖/绿原酸复合涂层的耐蚀性能

王晶彦，张德秋，牟立婷，何欣，李慕勤

（佳木斯大学 材料科学与工程学院 a.黑龙江省口腔生物医学材料及临床应用重点实验室b.教育部金属耐磨材料及表面技术工程研究中心，黑龙江 佳木斯 154007）

硬组织生物材料在生物医学中发挥着重要作用。目前，用于临床应用的不锈钢、钴铬合金和钛合金金属材料，由于其高强度、高延展性、高结构稳定性和良好的耐腐蚀性而常用于骨固定材料[1-2]。但是，很多材料的弹性模量远大于人体骨骼的弹性模量，会产生应力屏蔽作用。而且材料过度磨损、腐蚀后体内可能引起过敏或炎症反应，从而降低生物相容性[3-5]。此外，这些金属植入物因应力屏蔽效果对骨重塑过程有影响，影响新骨的形成，作为内固定材料时，骨愈合后需要二次手术将其移除[6-7]。进而考虑到骨植入物的发展，可降解金属植入物将会有更广阔的发展前景[8-9]。

镁及其合金具有与天然骨相似的机械性、可降解性、生物相容性和生物活性，可作为承重型骨科植入物。但是，镁及其合金高化学活性和不耐蚀性限制了它们的进一步生物医学临床应用。多种表面涂层技术被用来提高镁及镁合金的功能特性[10-12]。镁合金表面改性处理的方法有多种，包括溶胶-凝胶法、电化学沉积法、微弧氧化法、离子注入等[13-17]。各种表面技术复合更是研究的热点方向。微弧氧化改性涂层具有优异的耐磨性能，较高的硬度和结合强度，较好的热稳定性以及耐蚀性[18]。然而微弧氧化涂层上的微孔和裂纹对材料的耐蚀性是一个不利条件，降低涂层的耐腐蚀性能[19]。微弧氧化后进行封孔处理，既能强化内部又能使表面变得光滑[20]。Chi 等[21]在Mg-4Li-1Ca镁合金基体表面制备具有抗菌活性的微弧氧化和壳聚糖复合涂层，提高了基体的耐腐蚀性。Razavi 等[22]结合微弧氧化和电泳沉积方法在AZ91 镁合金上涂布纳米结构的透辉石膜，提高了镁合金耐腐蚀性并提高材料在体外的生物活性。Zheng 等[23]采用溶胶-凝胶技术和微弧氧化技术在镁基上制备羟基磷灰石涂层，提高了基体的耐腐蚀性和生物相容性。Bakhsheshi 等[24]采用微弧氧化和浸涂工艺在可生物降解镁钙合金表面制备了双层涂层，镁钙合金表面的双层涂层具有较高的耐腐蚀性。Heise 等[25]采用电泳沉积技术在镁合金基体上制备壳聚糖、生物玻璃复合涂层，提高了基体的防腐性能。

目前制约镁合金作为骨内固定材料临床应用的关键问题就是如何使体内降解速度与新生骨组织或者骨折愈合速度之间相匹配，特别是早期降解控制问题。在临床上中药用于骨科疾病的治疗，引入中药构建功能涂层具有广阔的应用前景。因此，添加中药的骨替代物的研究越来越多。中药杜仲提取物绿原酸可促进成骨细胞的增殖和分化成熟[26-27]。文中提出采用超声微弧氧化技术，在纯镁表面形成内致密外多孔的自生的陶瓷层，经碱处理羟基化，通过电泳沉积将带有正电荷的壳聚糖携带绿原酸组装到微弧氧化多孔涂层中，愈合微弧氧化形成的贯穿孔隙，构建壳聚糖-绿原酸功能涂层材料。探讨中药提取物绿原酸对涂层微观组织形貌及耐蚀性能的影响，为推进镁合金作为骨内固定材料临床应用提供理论依据。

1 试验

1.1 材料及样品制备

纯镁购于东莞（镁质量分数为99.9%）。壳聚糖购自国药集团化学试剂有限公司。冰乙酸购自天津市凯通化学试剂有限公司。中药杜仲提取物（绿原酸98%）购自汉中天然谷生物科技股份有限公司。超声微弧氧化电解液由Na2SiO3·9H2O（15 g/L）、KF（10 g/L）、KOH（8 g/L）和C10H14N2Na2O8（1 g/L）组成。实验参数：脉冲频率500 Hz，工作电压310 V，脉宽50 µs，微弧氧化处理时间10 min。实验中纯镁为阳极，不锈钢镀槽为阴极。纯镁UMAO 试样标记为UMAO 涂层。

采用电泳沉积技术制备复合涂层，以碱处理后的纯镁UMAO 试样作为阴极，不锈钢镀槽作为阳极。电泳沉积去离子水溶液组成：壳聚糖（3 g/L）+冰乙酸（1%）或壳聚糖（3 g/L）+冰乙酸（1%）+绿原酸（0.7 g/L）。电泳沉积工艺参数为：电压20 V，时间3 min。涂层分别标记为UMAO/CS涂层、UMAO/CS/CA涂层。

1.2 组织结构性能表征

采用X 射线衍射仪（X-ray diffractometer, XRD,D8-ADVANCE, Germany）对涂层进行物相分析。X射线衍射仪测试参数：铜靶Kα 辐射，2θ扫描范围为20°～80°，掠入射角为1°～4°。采用傅里叶变换红外吸收光谱仪（Fourier transform infrared absorption spectrum, FT-IR, VECTOR33, Germany）分析涂层的官能团结构，红外光谱测量范围为400～4000 cm−1。采用场发射扫描电镜系统（Scanning electron microscope, SEM, JSM-7800F, Japan）观察涂层表面及断面形貌。

采用X 射线光电子能谱仪（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS，ESCALAB250, USA）测定涂层分子的化学结构、化学键合等情况；Al Kα 为X 射线源，结合能以284.8 eV 的C1s 校正。采用原子力显微镜（Atomic force microscope, AFM, Bruker Dimension Icon，Germany）对涂层的微观粗糙度进行观察，结果以算术平均值表示表面粗糙度（Ra）。

采用VersaSTAT 3 电化学工作站评价涂层的耐腐蚀性能。采用三电极体系，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，试样为工作电极，测试介质为模拟体液（Simulated body fluid，简称为 SBF）。采用ZsimpWin 软件对阻抗结果进行等效电路拟合，扫描速度为0.5 mV/s，有效面积为1 cm2。

2 结果及分析

2.1 涂层组织结构及性能

采用XRD 分析UMAO/CS/CA 涂层的相结构组成，涂层的XRD 图谱如图1 所示。因UMAO/CS/CA涂层厚度较薄，微弧氧化镀液为硅酸盐体系，所以XRD 图谱中观察到Mg、MgO 和Mg2SiO4的衍射峰，负载绿原酸后未改变涂层的相结构。

图2 是UMAO/CS/CA 涂层的红外光谱图。在424 cm−1处的谱带归属于Mg-O 拉伸振动峰[28]。SiO42−的特征峰谱带出现在903 cm−1和1022 cm−1处。CS酰胺I 谱带（1655 cm−1）、CS 酰胺II 谱带（1599 cm−1）和CS 的—C—O—特征吸收峰（1080 cm−1）出现在红外光谱中[29]。在UMAO/CS/CA 涂层的红外光谱曲线中也出现了绿原酸的特征谱带：O—H 键（3398 cm−1）、芳香烃键（1633 cm−1）、C==O 键（1522 cm−1）和苯环（1051 cm−1）[30]，表明涂层表面成功负载了中药提取物绿原酸。

图1 UMAO/CS/CA 涂层的XRD 图谱Fig.1 X-ray diffraction pattern of UMAO/CS/CA coating

图3 UMAO/CS/CA 涂层的SEM 表面和断面形貌Fig.3 SEM surface and cross-section morphologie of UMAO/CS/CA coating

UMAO/CS/CA 涂层表面形貌如图3 所示。UMAO涂层表面被CS/CA 膜层均匀覆盖，出现清晰的双层结构，CS/CA 层的最大厚度达到13 μm 左右，涂层更为致密和平整，CS/CA 涂层的封孔效果好，能对镁基体提供更有效的保护。

UMAO/CS/CA 涂层的元素状态和化学成分测试结果如图4 所示。图4a 为涂层的XPS 全谱图。图4b—d 为涂层的O、C、N 元素的精细拟合谱图。对涂层的XPS 全谱图进行分析（如图4a 所示），涂层中含有Mg、C、N、O 元素。对UMAO/CS/CA 涂层进一步进行分峰分析，如图4b 所示，在O1s 精细谱图中，530.8 eV 处为Mg—O 中氧元素结合能的特征峰[31]，位于531.4 eV 处的特征峰归属于CA 中—OH 的O 元素的结合能。在C1s 的精细谱图中，壳聚糖中—C—O—和—C—N 的C 元素的结合能和CA 中C==O 官能团里C 元素的结合能特征峰位于286.3 eV 处；壳聚糖中—C—C—和—C—H 的C 元素结合能的特征峰位于284.6 eV 处（如图4c 所示）。在N1s 的精细谱图中，壳聚糖中的胺键和酰胺键的特征峰分别位于398.6、399.7 eV 处[32]（如图4d 所示）。

图4 UMAO/CS/CA 涂层的XPS 谱图Fig.4 XPS spectra of UMAO/CS/CA coating: a) survey spectrum

图5 UMAO/CS/CA 涂层的AFM 和接触角形貌Fig.5 AFM and Contact angle images of UMAO/CS/CA coating: a) AFM image, b) contact angle image

图5 为UMAO/CS/CA 涂层的AFM 形貌和接触角形貌。如图5a 所示，涂层的Ra值为39 nm。因中药提取物绿原酸本身的药物性质，中药提取物绿原酸具有较好的水溶性，UMAO/CS/CA 涂层表面较为光滑、平整。如图5b 所示，涂层的水接触角为104.1°，因镁表面电泳沉积的UMAO/CS/CA 涂层表面均匀致密，封孔效果好，所以UMAO/CS/CA 涂层表面的水接触角较大，涂层表面表现为疏水性。

2.2 涂层的耐蚀性能

在SBF 中进行动电位极化实验以评价不同涂层的耐腐蚀性。不同样品Tafel 曲线如图6 所示。腐蚀速率（CR）、腐蚀电位（Ecorr）和腐蚀电流密度（Jcorr）相应分析结果如表1 所示。UMAO/CS/CA 涂层、UMAO/CS 涂层、UMAO 涂层、Mg 的CR 数值分别为0.086、0.096、0.121、0.401 mm/a。与纯Mg、UMAO涂层、UMAO/CS 涂层相比，UMAO/CS/CA 涂层具有较小的Jcorr值和CR 值，涂层材料能更好地提高基体的耐蚀性。

图6 不同样品的极化曲线Fig.6 Potentiodynamic polarization curves of various samples

表1 不同样品的极化曲线数据结果Tab.1 Data results of Tafel curves of various samples

不同样品的Nyquist 图及拟合情况如图7 所示，图中符号为实验数据点，实线为拟合数据。Nyquist图根据相应等效电路进行拟合后的结果见表2。由图7b 中Mg 样品的Nyquist 放大图可知，纯镁Nyquist图包括2 个容抗弧和1 个感抗弧。纯镁UMAO 涂层的 Nyquist 图包括 1 个容抗弧和 1 个感抗弧，UMAO/CS 涂层的Nyquist 图包括2 个容抗弧和1 个感抗弧。UMAO 涂层和UMAO/CS 涂层都有感抗弧出现，防护能力较差。UMAO/CS/CA 涂层的Nyquist图包括 2 个容抗弧。不同样品的阻抗值不同，UMAO/CS/CA 涂层的半圆半径明显大于Mg、UMAO涂层的半圆半径，UMAO/CS/CA 涂层能为基体提供更有效的保护。

图7 不同样品的Nyquist 图Fig.7 Nyquist plots of various samples: a) various samples, b)enlarged Nyquist plots of Mg

表2 不同样品的等效电路拟合数据结果Tab.2 Fitting data results of Nyquist plots of various samples

不同样品的Bode 图如图8 所示。纯镁的Bode图中，高频时间常数代表腐蚀介质穿过镁表面腐蚀产物层的响应，低频时间常数代表腐蚀介质穿过纯镁表面电化学过程的响应。UMAO 涂层的Bode 图中，高频时间常数代表UMAO 涂层响应，低频时间常数代表纯镁表面电化学过程响应。UMAO/CS 涂层的Bode图中，3 个时间常数分别代表CS 涂层、UMAO 层和纯镁表面电化学过程的响应。UMAO/CS/CA 涂层的Bode 图中，高频时间常数归因于CS/CA 层的响应，低频时间常数归因于UMAO 层的响应。Mg、UMAO涂层、UMAO/CS 涂层、UMAO/CS/CA 涂层的相位角分别为–43°、–50°、–54°和–57°，UMAO/CS/CA 涂层的相位角较高。综合分析UMAO/CS/CA 涂层的Nyquist图与Bode 图结果相一致，涂层具有较好的耐腐蚀性。

不同样品等效电路模型见图9。Rs代表溶液电阻，Cdl代表双电层电容，Rct代表电荷转移电阻，CPEumao代表UMAO 层的电容，Rumao代表UMAO 层的电阻，CPEcoat代表CS/CA 层的电容，Rcoat代表CS/CA 层的电阻。结合表2 可以看出，UMAO/CS/CA 涂层具有较高的阻抗值。分析其原因，中药提取物绿原酸与壳聚糖上的羟基发生了化学连接；在CS/CA 层中，壳聚糖和绿原酸之间可能有库伦相互作用和范德华力作用；CS/CA 层及UMAO 涂层之间也出现了各种物理化学吸附反应，包括UMAO 涂层的Mg—O 结构和绿原酸的—C==O 和—OH 基团发生作用，一些胶态的绿原酸单质颗粒也通过物理作用吸附在壳聚糖表面。涂层形成是通过电荷组装、化学结合与物理吸附共同完成。因此，疏水性的UMAO/CS/CA 涂层表面平整光滑、致密，既能减小腐蚀溶液与涂层表面的接触面积，又能起到隔绝溶液中离子的作用，模拟体液不能穿过涂层到达镁基体，进而可以更好地给镁基体提供保护。

图8 不同样品的Bode 图Fig.8 Bode plots of various samples

图9 不同样品的等效电路模型Fig.9 Equivalent circuit models of various samples

2.3 涂层诱导磷灰石能力

图10 为不同样品在SBF 中浸泡21 d 的SEM 形貌。UMAO 涂层、UMAO/CS 涂层、UMAO/CS/CA涂层在SBF 中浸泡21 d 后，表面均有白色球状物质沉积在试样表面。UMAO 涂层表面沉积物很少见，大部分区域还有典型的多孔结构，而UMAO/CS 涂层和UMAO/CS/CA 涂层均有球状物沉积，UMAO/CS/CA 涂层表面诱导的球状沉积物更多。

UMAO 涂层、UMAO/CS 涂层、UMAO/CS/CA涂层在SBF 中浸泡21 d 的能谱如图11 所示。从能谱图中可以看出，UMAO 涂层和 UMAO/CS 涂层、UMAO/CS/CA 涂层相比，UMAO 涂层表面为O、Mg、C、Ca、P、Si 元素，UMAO 涂层表面的Si 元素主要来自于微弧氧化镀液。再次证明UMAO 涂层在SBF中浸泡21 d 后表面还有很多区域未被沉积物覆盖（如图10a）。UMAO/CS 涂层、UMAO/CS/CA 涂层表面均含有O、Ca、P、C、Mg 元素。对比不同样品的能谱，发现UMAO 涂层表面Mg 元素的质量分数最高，达20.3%，UMAO/CS 涂层、UMAO/CS/CA 涂层表面由于基本都被球状沉积物覆盖，Mg 元素的质量分数分别为3.4%、2.8%，远远低于UMAO 涂层，且无Si 元素。UMAO 涂层、UMAO/CS 涂层、UMAO/CS/CA涂层表面Ca 元素的质量分数分别为11.8%、25.7%、29.9%，对比分析可知UMAO/CS/CA 涂层能更好地诱导钙磷物质沉积，具有优异的生物活性。

图10 不同样品的SEM 形貌Fig.10 SEM images of various samples

图11 不同样品的能谱图Fig.11 EDAX of various samples

3 结论

1）纯镁超声微弧氧化表面电泳沉积了壳聚糖-绿原酸涂层，涂层的水接触角为104.1°，为疏水性表面；涂层的Ra值为39 nm，涂层表面较为光滑、平整。UMAO/CS/CA 涂层的形成是通过电荷组装、化学结合与物理吸附共同完成的。

2）UMAO/CS/CA 涂层的半圆半径明显大于Mg、UMAO 涂层的半圆半径，涂层具有较小的Jcorr值和CR 值，提高了纯Mg 基底的耐腐蚀性。

3）UMAO/CS/CA 涂层能更好地诱导钙磷物质沉积，具有优异的生物活性。