鎂合金表面MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層的制備及性能

紀 茜，劉 偉，肖天鑄，李耀輝

（河南工業大學 機電工程學院，河南 鄭州 450001）

醫用鎂合金作為可降解醫用金屬材料，具有良好的力學性能和生物相容性［1］，與人骨的密度和彈性模量接近［2］，在骨組織修復領域具有很大的應用潛力。然而大量臨床試驗表明，鎂合金在人體體液內的降解速度較快，耐腐蝕性能較差，很可能在骨組織愈合前就已經完全降解［3］。除此之外，鎂合金在植入人體后極易發生細菌感染［4］，甚至會導致植入手術失敗。因此，要提高鎂合金作為骨植入體材料的應用，就要在保持其力學性能的同時改善它在人體體液環境內的耐腐蝕性能及抗菌性能等。

提高鎂合金耐腐蝕性及其抗菌性等表面性能的有效方法之一是對其進行表面涂層化處理［5］。目前多種材料如生物陶瓷、化學轉化膜及可降解高分子材料等均被用于表面改性研究［6］。殼聚糖是一種具有良好生物相容性、可降解性及易成膜性的天然高分子聚合物，其降解產物對人體無害［7］。由于使用乙酸水解的殼聚糖溶液會腐蝕空白鎂合金表面，因此研究人員將殼聚糖與其它材料聯合使用來改善醫用鎂合金的表面性能。陳姍姍等［8］先在鎂合金基底制備氟轉化涂層，再利用浸涂法在氟轉化涂層的基礎上制備了殼聚糖聚合物涂層，該涂層有效提高了鎂合金的耐腐蝕性及親水性。Shao等［9］采用電化學沉積法在涂覆微弧氧化膜的鎂合金表面制備了磷酸鈣/殼聚糖涂層，在鈣磷膜中引入殼聚糖使得鎂合金基底與涂層之間的結合力顯著增強，同時降低了鎂合金的腐蝕速率。

金屬有機骨架材料（MOFs）是具有超大比表面積、易于官能團修飾及部分材料有良好生物相容性等優勢的晶態多孔材料［10］，作為醫用金屬表面涂層材料極具潛力。Mg-MOF-74 是由鎂離子與2，5-二羥基對苯二甲酸自組裝形成的一種具有良好生物相容性的 MOFs 材料［11］，已有多篇將其應用于醫用材料涂層處理的相關報道。Xiao 等［12］采用溶劑熱法在聚醚醚酮表面制備了負載地塞米松的雙金屬Zn-Mg-MOF-74 涂層，實驗表明該涂層具有良好的生物活性、抗菌性和成骨分化能力。我們［13］曾在醫用鎂合金表面原位生成了Mg-MOF-74涂層，獲得了較好的親水及耐蝕效果。

Mg-MOF-74 在體液環境中降解產生的少量鎂離子可以提高成骨細胞的黏附性，進而促進骨骼生長［14］；其孔道中含有的大量羥基有助于親水性能的提高，而且羥基能夠破壞細菌的細胞膜，產生較強的抗菌作用［15］。此外，殼聚糖的表面帶有高密度的正電荷［16］，有利于靜電吸附表面帶有負電荷的Mg-MOF-74［17］，提高二者的結合力。因此在鎂合金表面制備摻雜有Mg-MOF-74 的殼聚糖涂層能夠綜合二者的優勢，改善鎂合金的親水性、耐腐蝕性及抗菌性等綜合性能。

本文通過氟化處理及浸涂法在AZ31B 鎂合金表面制備了MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖復合涂層，著重探究了該涂層對鎂合金親水性、耐腐蝕性和抗菌性等表面性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗主要材料

AZ31B 鎂合金（洛陽升特金屬制品有限公司）、氫氟酸（40%，洛陽昊華化學試劑有限公司）、六水合硝酸鎂（99%，恒興化學試劑有限公司）、丙酮（AR，國藥集團化學試劑有限公司）、無水乙醇（99.7%，國藥集團化學試劑有限公司）、N，N-二甲基甲酰胺（99.5%，國藥集團化學試劑有限公司）、無水甲醇（99.5%，國藥集團化學試劑有限公司）、2，5-二羥基對苯二甲酸（98%，麥克林生化科技有限公司）、乙酸（99.5%，麥克林生化科技有限公司）、殼聚糖（95%，麥克林生化科技有限公司）、金黃色葡萄球菌（ATCC25923，中國典型培養物保藏中心）、胰蛋白胨（BR，美國賽默飛世爾科技公司）、酵母提取物（99.0%，美國賽默飛世爾科技公司）、氯化鈉（99.5%，天津市化學試劑供銷公司）、瓊脂粉（99.0%，北京索萊寶科技有限公司）。

1.2 MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖復合涂層制備

1.2.1 MgF2涂層的制備

將AZ31B 鎂合金切割成10 mm×10 mm×2 mm的尺寸，依次用240#、500#、800#、1000#砂紙打磨，然后用丙酮和無水乙醇分別超聲清洗15 min，接著放入濃度為40%氫氟酸溶液中密閉浸泡24 h，最后用無水乙醇和去離子水沖洗備用。

1.2.2 Mg-MOF-74粉末的合成

用量筒依次量取60 mL 的N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、4 mL 無水乙醇和4 mL 去離子水倒入燒杯中，然后稱取2.5 mmoL 的六水合硝酸鎂和0.8 mmoL 的2，5-二羥基對苯二甲酸倒入上述燒杯攪拌直至完全溶解。將攪拌完成后的溶液倒入反應釜并在125 ℃恒溫鼓風干燥箱中加熱24 h，待反應釜冷卻至室溫后取出并過濾其中的溶液得到Mg-MOF-74 粉末，再用DMF 沖洗和無水甲醇浸泡，最后在真空干燥箱中100 ℃干燥3 h 后儲存于干燥器中備用［18］。

1.2.3 MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層的形成

分別取29.10 mL 去離子水與450 μL 濃度為99.5%的乙酸配制成濃度為1.5%的乙酸溶液，然后分別取3.97 mL乙酸溶液注入5個不同燒杯中，再向其中加入0.032 g 殼聚糖并不斷攪拌，直至殼聚糖粉末完全溶解形成殼聚糖溶液，最后向殼聚糖溶液中分別加入0 g/L、4 g/L、8 g/L、12 g/L、16 g/L 的Mg-MOF-74粉末，在磁力攪拌機上攪拌均勻并超聲振蕩30 min，使Mg-MOF-74粉末在殼聚糖溶液中充分分散。將氟化處理后生成MgF2涂層的鎂合金試樣分別垂直放入上述不同濃度的Mg-MOF-74@殼聚糖溶液中，靜置90 s后緩緩拉出，接著在恒溫干燥箱中130 ℃加熱1 h，然后再按照上述步驟重復操作一遍。MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖復合涂層的制備過程如圖1所示。

圖1 MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖復合涂層的制備過程Fig.1 Preparation process of MgF2/Mg-MOF-74@chitosan composite coating

1.3 表征及性能測試

利用掃描電子顯微鏡（SEM， FEI Inspect F50）對Mg-MOF-74 粉末和鎂合金表面涂層進行形貌觀察；利用X 射線衍射儀（XRD， Bruker D8）測定Mg-MOF-74 粉末的物相組成；（JC2000D1）利用接觸角測量儀測量涂層的水接觸角。

通過點滴實驗來判斷摻雜有不同Mg-MOF-74粉末含量的殼聚糖涂層抗腐蝕性能的強弱，點滴實驗所使用的檢測溶液是0.05 g 的高錳酸鉀、5 mL 的硝酸及95 mL蒸餾水的混合溶液。將檢測溶液滴在涂層鎂合金表面，觀察溶液由紫紅色變為無色所用的時間，變色時間越長，涂層的耐腐蝕性就越強［19］，以此為依據在不同Mg-MOF-74 粉末含量中選出最優涂層。

通過電化學測試、析氫測試分析比較涂層的耐腐蝕性。其中電化學測試使用標準三電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑絲，工作電極為試樣（有效面積為1 cm2），電解液為模擬體液（SBF），配制方法可參考Kokubo 的論文［20］。析氫測試時將試樣浸泡于溫度為37 °C 的SBF 中，SBF 體積與試樣裸露面積的比值為100 mL/cm2。

采用THZ-103B 恒溫培養搖床培養金黃色葡萄球菌（ATCC25923），通過平板涂覆法對涂層進行抗菌性能測試［21］。將紫外消殺后的鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金及MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金三種試樣分別放入24 孔板，每組有3 個平行試樣，分別取1 mL 梯度稀釋后活菌數為（1 ～ 9）×105cfu/mL 的菌液注入孔內，37 ℃條件下培養24 h后，再取孔內液體梯度稀釋至活菌數為（1 ～9 ）×103cfu/mL，最后吸取100 μL此菌液在無菌瓊脂板上涂布，37 ℃條件下培養24 h后采用平板菌落計數法測定涂層抗菌率［22］。

1.4 統計學分析

對抗菌實驗結果用方差進行組間比較分析，P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果與討論

2.1 Mg-MOF-74粉末的形貌及物相分析

圖2 為Mg-MOF-74 粉末的掃描電鏡圖，可以看出Mg-MOF-74 晶粒呈長粒狀。圖3 為Mg-MOF-74粉末的X-射線衍射分析譜圖，在7.5 °和12 °的位置出現了明顯的衍射峰，與標準Mg-MOF-74的衍射圖譜特征峰值度數一致［23］。

圖2 Mg-MOF-74表面形貌Fig.2 Surface morphology of Mg-MOF-74

圖3 Mg-MOF-74的XRD譜圖Fig.3 XRD pattern of Mg-MOF-74

2.2 點滴實驗

圖4 為不同Mg-MOF-74 含量的復合涂層點滴實驗變色時間，從圖中可以看出，當Mg-MOF-74 粉末含量不斷增多時，MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層的抗點滴變色時間呈先增加后減少的趨勢，在Mg-MOF-74 粉末含量為12 g/L 時，復合涂層的變色時間最長，即此時耐腐蝕性最好，下面實驗所用的MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層中Mg-MOF-74 粉末含量均為12 g/L。

圖4 不同Mg-MOF-74含量抗點滴變色時間Fig.4 Antidrop discoloration time of different Mg-MOF-74 contents

2.3 涂層的親水性

圖5 為鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金、MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金3 種試樣表面的水接觸角測量結果。測試結果中水接觸角越小，涂層材料的親水性就越好。良好的親水性有利于骨細胞的黏附和增殖，從而加快骨組織的形成。從圖中可以看出，鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金、MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的水接觸角分別為86.3 °、70.5 °、60.7 °，即相較于鎂合金裸件與MgF2/殼聚糖涂層鎂合金，MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的親水性最好。這主要是由于MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層中Mg-MOF-74含有的大量羥基可以與水形成氫鍵，同時，Mg-MOF-74 所具有的高比表面積特性也有助于改善材料的表面親水性［25］。

圖5 鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金和MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的水接觸角Fig. 5 Water contact angle of magnesium alloy bare parts，MgF2/chitosan coated magnesium alloy and MgF2/Mg-MOF-74@chitosan coated magnesium alloy.

2.4 涂層表面形貌

圖6（a）為MgF2/殼聚糖涂層表面形貌，圖6（b）為MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層表面形貌。從圖6（a）中所圈之處可以看出MgF2/殼聚糖涂層局部有微弱鼓起，可能是因為MgF2能夠微溶于稀酸，在乙酸水解的殼聚糖溶液作用下產生輕微破損，從而導致破損位置鎂合金發生腐蝕產生的少量氫氣在涂層干燥之前沒有及時釋放出來［24］。從圖6（b）可以看出MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖復合涂層表面更加連續致密，可能是含有羥基的Mg-MOF-74的加入降低了殼聚糖溶液的酸性，MgF2涂層沒有被破壞。

圖6 MgF2/殼聚糖涂層和MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層表面微觀形貌Fig.6 Surface micromorphology of MgF2/chitosan and MgF2/Mg-MOF-74@chitosan coatings

2.5 MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層的耐腐蝕性

2.5.1 交流阻抗譜

圖7 為鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金及MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金3 種試樣的交流阻抗譜，在交流阻抗譜圖中，容抗弧曲率半徑越大，模擬體液中的離子對鎂合金基底的腐蝕速率就越慢，耐腐蝕性就越好［26］。從圖7 可看出，3 種試樣均出現兩個容抗弧，且MgF2/殼聚糖涂層鎂合金及MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的兩個容抗弧半徑明顯大于鎂合金裸件，而與MgF2/殼聚糖涂層鎂合金相比，MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的兩個容抗弧半徑明顯更大。第一個容抗弧是雙電層界面間的電荷轉移電阻導致，第二個容抗弧表示電荷轉移困難程度與鎂合金表面涂層相關，弧對應的半徑越大，則反應的電阻越大，電荷轉移越困難，耐蝕性越好。因此上述交流阻抗譜結果說明，在模擬體液中，MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的耐腐蝕性能最好。

圖7 鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金和MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的交流阻抗譜Fig.7 AC impedance spectroscopy of magnesium alloy bare part， MgF2/chitosan coated magnesium alloy and MgF2/Mg-MOF-74@chitosan coated magnesium alloy

2.5.2 Tafel極化曲線

圖8 為鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金及MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金3 種試樣的Tafel曲線圖，在Tafel曲線圖中，腐蝕電位越高，腐蝕電流密度越低，涂層的耐腐蝕性能就越好。對Tafel曲線測試結果進行擬合可以得到3種試樣的腐蝕電位和腐蝕電流密度（見表1）。與鎂合金裸件相比，MgF2/殼聚糖涂層鎂合金和MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的腐蝕電流均更低，腐蝕電位均更高。而MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的腐蝕電流相對MgF2/殼聚糖涂層鎂合金從2.548×10-5A/cm2下降到了1.182×10-6A/cm2，降低了1 個數量級；腐蝕電位相對MgF2/殼聚糖涂層鎂合金從-1.457 V 升高到了-1.326 V，增加了0.131 V，說明MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層相比MgF2/殼聚糖涂層能夠更有效地提高鎂合金的耐腐蝕性能。

表1 Tafel曲線擬合參數Tab. 1 Fitting parameters of Tafel curves

圖8 鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金和MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的Tafel曲線Fig.8 Tafel curves of magnesium alloy bare parts， MgF2/chitosan coated magnesium alloy and MgF2/Mg-MOF-74@chitosan coated magnesium alloy

2.5.3 析氫測試

鎂合金在SBF 模擬體液中發生腐蝕反應時會伴有氫氣的產生，不同的鎂合金試樣浸泡在模擬體液中相同的時間，生成的氫氣越少，耐腐蝕性能就越好。圖9 為鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金及MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金3 種試樣在SBF 模擬體液中7 d 內氫氣釋放量。從圖中可以看出，MgF2/殼聚糖涂層鎂合金和MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金所釋放的氫氣量均明顯少于鎂合金裸件，說明它們都能降低鎂合金的腐蝕速率。比較2種不同涂層的試樣，MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的析氫量在每個時間節點均少于MgF2/殼聚糖涂層鎂合金的析氫量，在SBF 模擬體液中浸泡7 d 后，MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的析氫量（0.075 mL/cm2）約為MgF2/殼聚糖涂層鎂合金析氫量（0.180 mL/cm2）的一半，說明MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層能更好的提高鎂合金的耐腐蝕性。

圖9 鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金和MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的7 d析氫量Fig.9 Hydrogen evolution of magnesium alloy bare parts，MgF2/chitosan coated magnesium and MgF2/Mg-MOF-74@chitosan coated magnesium alloys in 7 d

以上電化學及析氫實驗結果均表明，相比MgF2/殼聚糖涂層，MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層提高鎂合金耐腐蝕性的效果最好，這主要是由于使用乙酸溶液水解的殼聚糖溶液呈酸性，而MgF2涂層不耐酸，加入孔道內含有大量羥基的Mg-MOF-74粉末可以有效抑制殼聚糖溶液對MgF2涂層的腐蝕，保持MgF2涂層的完整性，從而更好地降低鎂合金的腐蝕速率。

2.6 涂層的抗菌性能

由于臨床植入手術中造成感染的主要菌種是金黃色葡萄球菌，所以本文采用金黃色葡萄球菌對涂層進行抗菌性能測試。

圖10（a）、（b）、（c）分別為為鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金、MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的抑菌結果圖。從圖中可以看出，MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的平板菌落數明顯少于其它2組。圖11為根據鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金、MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金菌落數計算出的3 種試樣的抑菌率，相對于鎂合金裸件，MgF2/殼聚糖涂層鎂合金的抑菌率達到（78.2±5.7）%，MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的抑菌率達到94.2±2.6%，經方差分析可知MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層對金黃色葡萄球菌有明顯抑制作用，與另外2組結果對比，差異具有統計學意義（P＜0.05）。

圖10 鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金和MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的抑菌結果圖Fig.10 Antibacterial result chart of magnesium alloy bare parts， MgF2/chitosan coated magnesium alloy and MgF2/Mg-MOF-74@chitosan coated magnesium alloy

圖11 鎂合金裸件、MgF2/殼聚糖涂層鎂合金和MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金的抑菌率Fig.11 Antibacterial rates of magnesium alloy bare parts， MgF2/chitosan coated magnesium alloy and MgF2/Mg-MOF-74@chitosan coated magnesium alloy

實驗結果表明殼聚糖在PH 值為7.4 條件下的抗菌性能不理想，而MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層鎂合金表現出良好的抗菌效果主要是因為殼聚糖與Mg-MOF-74的疊加作用，在殼聚糖抗菌性的基礎上，摻雜的Mg-MOF-74 孔道內含有豐富的羥基，降解后產生的堿性微環境會對細菌的細胞膜造成破壞，因此Mg-MOF-74粉末的摻雜進一步增強了涂層的抗菌性能。

3 結 語

電化學及析氫實驗結果表明，相對于MgF2/殼聚糖涂層鎂合金，MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層的腐蝕電位增大了0.131 V，腐蝕電流密度下降了1 個數量級，容抗弧半徑也明顯增大，模擬體液中浸泡7 d 后的析氫量約降低了一半，說明MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層的耐腐蝕性最好。抗菌實驗測結果表明，MgF2/Mg-MOF-74@殼聚糖涂層組相對于鎂合金裸件對照組的金黃色葡萄球菌殺菌率約達到94%，說明摻雜了Mg-MOF-74的涂層具有更好的抗菌性，這主要得益于Mg-MOF-74降解產生的堿性微環境。