AZ31B镁合金表面Mg-Cu-MOF涂层的制备及性能

肖天铸，刘伟，纪茜

河南工业大学机电工程学院，河南 郑州 450001

镁合金具有生物相容性好、弹性模量接近人体骨骼、可生物降解等优点[1]，在骨组织修复领域极具应用潜力。但早期临床实践发现，镁合金植入体在体液中的腐蚀极快，致使其在受损组织愈合前就已丧失承载能力，这一缺陷极大地阻碍了镁合金的临床应用。另外，与其他材料植入体一样，镁合金植入人体后表面会生成一层极具耐药性的细菌生物膜，而内植物的细菌感染问题难以处理，严重时常常需要取出而导致手术失败，因此植入体的表面抗菌性是急需解决的问题。

表面改性是改善镁合金表面综合性能的有效方法之一。目前多种材料(如生物陶瓷、阳极氧化膜及可生物降解高分子材料等[2-3])均被用于表面改性研究。金属有机骨架(MOFs)材料因具有超大比表面积、易修饰及良好的生物相容性，在药物传输和生物涂层领域得到广泛关注和研究[4]。MOF-74是由Mg、Zn、Cu等金属离子与配体2,5-二羟基对苯二甲酸自组装构成的一种MOFs材料，被用作不同植入体表面改性涂层[5]。Xiao等[6]在聚醚醚酮表面制备了负载地塞米松的双金属-有机框架(Zn-Mg-MOF-74)多功能涂层，该涂层具有良好的生物活性、抗菌性和成骨分化能力。Shen等[7]在钛合金表面制备的Mg-Zn-MOF-74涂层不仅具备良好的抗菌性，还能在一定程度上促进骨组织再生。

笔者团队曾在医用镁合金表面原位生成超亲水的耐腐蚀Mg-MOF-74涂层[8]。相较于疏水性表面，具有亲水性表面(水接触角＜ 90°)的骨组织植入体更有利于骨细胞的粘附和增殖，从而获得较好的成骨活性，但适当提高水接触角有利于改善其耐腐蚀性能。在MOFs中掺杂适量Cu能够提高MOFs材料的水接触角[9]，从而达到兼顾镁合金耐蚀性和亲水性的效果。此外，Cu离子是抗菌能力仅次于Ag离子的无机抗菌剂，在MOFs涂层中引入Cu元素有助于提高镁合金植入体的抗菌能力，避免或减缓单一金属离子浓度过高引起的细胞毒性[10]。再则，Cu是人体必须的微量元素。因此，在镁合金表面制备Mg-Cu-MOF-74双金属有机骨架涂层将有助于提高镁合金骨组织植入体的综合生物性能。

本文通过水热合成法[11]在镁合金表面原位生成Mg-Cu-MOF-74双金属有机骨架涂层，探究了涂层对镁合金耐蚀性、亲水性和抗菌性的影响。

1 实验

1.1 镁合金的预处理

将AZ31B镁合金切割成10 mm × 10 mm × 2 mm大小，先用240、600、800和1 000目金相砂纸逐级打磨，然后依次用丙酮和乙醇超声清洗15 min，再用去离子水冲洗，除去表面油污、脏物和氧化层；接着采用40%氢氟酸处理20 min，以活化镁合金表面，再分别用无水乙醇和去离子水冲洗，自然晾干后放入干燥器中保存备用。

1.2 Mg-Cu-MOF-74涂层的制备

将2.5 mmol六水合硝酸镁和三水合硝酸铜混合物(物质的量比为3∶1)及0.8 mmol 2,5-二羟基对苯二甲酸加入烧杯中，再加入60 mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)、4.1 mL无水乙醇和4.1 mL去离子水，搅拌溶解后移至反应釜中。再将预处理过的AZ31B镁合金垂直放置于釜中，拧紧反应釜后放入125 ℃的恒温鼓风干燥箱中24 h，随炉冷却至室温后取出，用DMF冲洗后浸入甲醇中1 h，再在100 ℃真空干燥箱中干燥3 h，得到Mg-Cu-MOF-74涂层，储存于干燥器中。

另将上述三水合硝酸铜全部置换成等量的六水合硝酸镁，以制备Mg-MOF-74涂层作为对照组。

1.3 表征与性能测试

采用Bruker公司D8 Advance型X射线衍射仪(XRD)分析镁合金表面涂层及其粉体的物相组成；采用FEI Inspect F50型扫描电镜(SEM)观察涂层的表面形貌，并使用其搭载的Quantax 400型X射线能谱仪(EDS)分析涂层的元素组成；采用JC2000D1型接触角测量仪测量涂层的水接触角，液滴体积为5 ～ 10 μL。

采用上海辰华CHI660E电化学工作站测量不同试样在模拟体液(SBF)[12]中的塔菲尔(Tafel)曲线和电化学阻抗谱(EIS)，采用待测试样(有效面积为1 cm2)为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂丝电极为辅助电极。Tafel曲线的扫描速率为0.5 mV/s，电化学阻抗谱在开路电位下测试，频率范围为100 kHz至0.01 Hz。

采用THZ-103B恒温培养摇床培养金黄色葡萄球菌(ATCC 25923)，将紫外消杀后的AZ31B镁合金、Mg-MOF-74涂层和Mg-Cu-MOF-74涂层试样各3个置于24孔板内，孔内分别注入1 mL梯度稀释后活菌数为1 × 105～ 9 × 105cfu/mL的菌悬液，于37 ℃培养24 h，然后抽取孔内液体进行梯度稀释，取稀释1 000倍的100 μL菌液，涂布于无菌琼脂板上，在37 ℃培养24 h，记录平板表面的菌落数，采用式(1)计算涂层抗菌率(R)。

式中A为涂层试样的活菌数，B为对照组(即空白AZ31B镁合金)表面的活菌数。

2 结果与讨论

2.1 涂层的组织结构

图1a为制备涂层时沉积在反应釜底的Mg-Cu-MOF-74粉体的XRD谱图，在2θ为6.84°和11.86°处出现了较强的MOF-74晶体特征峰(用♦标记)，与文献报道的特征峰位置一致[13]。图1b是AZ31B镁合金表面的Mg-Cu-MOF-74涂层的XRD谱图，其中显示了镁合金的特征峰(用♥标记)和Mg-Cu-MOF-74的特征峰(用♦标记)，说明已在AZ31B镁合金表面成功制得Mg-Cu-MOF-74涂层。

图1 Mg-Cu-MOF-74粉末(a)和Mg-Cu-MOF-74涂层(b)的XRD谱图 Figure 1 XRD patterns of Mg-Cu-MOF-74 powder (a) and Mg-Cu-MOF-74 coating (b)

从图2可知，Mg-MOF-74涂层由大量疏松的“纺锤状”晶粒构成。Mg-Cu-MOF-74涂层表面呈“花菜状”，晶粒比Mg-MOF-74涂层更加细小，整体更致密连续。

图2 Mg-MOF-74涂层(a)和Mg-Cu-MOF-74涂层(b)的表面形貌 Figure 2 Surface morphologies of Mg-MOF-74 coating (a) and Mg-Cu-MOF-74 coating (b)

从图3可知，Mg-Cu-MOF-74涂层中含有Mg和Cu，进一步证明所得涂层为Mg-Cu-MOF-74双金属涂层。

图3 Mg-Cu-MOF-74涂层的EDS谱图 Figure 3 EDS spectrum of Mg-Cu-MOF-74 coating

2.2 涂层的水接触角

从图4可知，AZ31B镁合金、Mg-MOF-74涂层和Mg-Cu-MOF-74涂层的水接触角分别为87.4°、0°和41.0°。Mg-MOF-74涂层和Mg-Cu-MOF-74涂层的水接触角均小于AZ31B镁合金，说明两种涂层都具有较好的亲水性，都有利于骨细胞粘附和增殖，也说明Cu的掺杂对Mg-MOF-74涂层组织相容性的影响不大。相较于Mg-MOF-74涂层，Mg-Cu-MOF-74涂层的水接触角更大，可能与其结构更致密及含Cu元素有关[9]。

图4 AZ31B镁合金(a)、Mg-MOF-74涂层(b)和Mg-Cu-MOF-74涂层(c)的水接触角 Figure 4 Water contact angles of AZ31B magnesium alloy (a), Mg-MOF-74 coating (b), and Mg-Cu-MOF-74 coating (c)

2.3 涂层的耐蚀性

采用Tafel外推法对涂层在SBF中的极化曲线(见图5)进行拟合所得到的腐蚀电位(φcorr)和腐蚀电流密度(jcorr)列于表1。与AZ31B镁合金相比，Mg-MOF-74涂层和Mg-Cu-MOF-74涂层的腐蚀电位更正，腐蚀电流密度更低，说明它们的耐蚀性更佳。相对而言，Mg-Cu-MOF-74涂层的耐蚀性又比Mg-MOF-74涂层更好。结合图3和图4可知，Mg-Cu-MOF-74涂层比Mg-MOF-74更致密，并且亲水程度不如后者，因此耐蚀性更好。

图5 不同试样在SBF中的Tafel曲线 Figure 5 Tafel plots for different samples in SBF

表1 Tafel曲线的拟合参数 Table 1 Fitted parameters of Tafel plots

从图6可以看出，AZ31B镁合金、Mg-MOF-74涂层和Mg-Cu-MOF-74涂层的Nyquist图都具有2个容抗弧。高频区的容抗弧是双电层界面间电荷转移电阻所致；低频区的容抗弧则表示电荷转移的困难程度，与镁合金表面的氧化膜或涂层相关，其半径越大表示电荷转移越困难，耐蚀性越好。三者的高频区容抗弧半径差别不大，但低频区容抗弧的差别较大，Mg-Cu-MOF-74涂层最大，Mg-MOF-74涂层次之，AZ31B镁合金最小，表明在AZ31B镁合金表面制备MOF涂层能够提高其耐蚀性，并且双金属Mg-Cu-MOF-74涂层的耐腐蚀性能比Mg-MOF-74涂层更好，这与Tafel极化曲线分析结果一致。

图6 不同试样在SBF中的EIS谱图 Figure 6 Electrochemical impedance spectra for different samples in SBF

2.4 涂层的抗菌性

金黄色葡萄球菌是临床植入手术感染最常见的细菌之一[14]，所以采用金黄色葡萄球菌为研究对象，通过涂布平板法检测涂层的抗菌性能。从图7可知，Mg-MOF-74涂层和Mg-Cu-MOF-74涂层的抗菌效果明显优于空白AZ31B镁合金。与没有掺杂Cu的Mg-MOF-74涂层相比，Mg-Cu-MOF-74涂层的抗菌性更好。Mg-MOF-74涂层的抗菌率约为90%，Mg-Cu-MOF-74涂层的抗菌率约为99%。Mg-MOF-74涂层之所以能抗菌可能是因为MOF-74能够降解形成不利于细菌生存的碱性微环境，而Mg-Cu-MOF-74涂层除此之外还能释放出具有很强抗菌能力的铜离子，因此其抗菌性能更优。

图7 AZ31B镁合金(a)、Mg-MOF-74涂层(b)和Mg-Cu-MOF-74涂层(c)的抗菌试验结果 Figure 7 Antibacterial test results of AZ31B magnesium alloy (a), Mg-MOF-74 coating (b), and Mg-Cu-MOF-74 coating (c)

3 结论

1) 与不含Cu的Mg-MOF-74涂层相比，掺杂了Cu的Mg-Cu-MOF-74双金属涂层的水接触角更大，在SBF中的耐蚀性更佳，说明在涂层中引入Cu元素能够在保持涂层表面较好亲水性的同时，有效提高其耐蚀性。

2) Mg-MOF-74涂层和Mg-Cu-MOF-74涂层的抗菌率分别为90%和99%，说明Cu元素的掺杂有利于提高涂层的抗菌能力。