Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr生物鎂合金表面耐蝕抑菌層的制備與表征

毛雨旭，宋述鵬，許 娜，周和榮，吳 潤，熊少聰

(1. 武漢科技大學省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢，430081；2. 武漢科技大學材料與冶金學院，湖北 武漢，430081；3. 武漢科技大學生命科學與健康學院，湖北 武漢，430065)

近年來，生物鎂合金由于優異的機械性能與生物相容性,逐漸成為生物材料領域內的研究熱點。生物鎂合金具有較高的比強度和比剛度，其密度與人體密質骨的密度相似，特別是其彈性模量與人骨接近，能有效緩解骨科植入物的應力遮蔽效應[1]。另一方面，鎂在人體的體液中可完全降解，是人體新陳代謝的必需元素，對骨骼生長具有促進作用[2]。然而，鎂合金過快的腐蝕速率極大地制約了其在可降解生物材料領域的應用，并且由植入物引起的細菌感染也是亟需解決的問題。通常情況下，對材料進行表面改性能起到降低腐蝕速率的作用，其中水熱法作為一種常見的表面改性手段，具有工藝簡單、處理溫度低、反應條件靈活可控等優點[3]。有研究表明，銀作為抗菌材料使用時，具有廣泛的抗菌活性及對細胞的低毒性[4]。因此，采用水熱法制備含銀表面耐蝕層來對鎂合金表面進行改性，可以同時達到提高其耐蝕性和抗菌性能的目的。

針對生物鎂合金的表面改性，近年來研究人員在處理工藝等方面取得了較大的進展。Feng等[5]采用原位水熱法在AZ31鎂合金表面沉積Mg(OH)2薄膜，并研究了pH值和水熱時間對Mg(OH)2薄膜形貌和耐蝕性的影響，結果表明，在pH為10條件下反應3 h時所制Mg(OH)2薄膜的耐蝕性最佳。Bakhsheshi等[6]通過物理氣相沉積法在Mg-2Ca-0.5Mn-6Zn合金表面制備了納米結構的Ag摻雜ZnO涂層，結果顯示，該涂層對大腸桿菌和金色葡萄球菌有著顯著的抗菌作用。Hu等[7]通過化學轉化法在Mg-2Zn-1Mn-0.5Ca合金上制備了Ag和羥基磷灰石復合涂層，該涂層顯著提高了合金在Hank溶液中的生物耐蝕性，同時也具有良好的抗菌性能。

在生物鎂合金的制備方面，本課題組前期針對不同成分的Mg-2.4Nd-xSr-yZr(x=0.1～1.1,y=0.1～0.5，質量百分數)系列合金進行了制備與性能表征，結果表明，Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr合金的力學性能、電化學性能等綜合表現最佳。基于此，本研究以該合金作為基底，以AgNO3溶液作為水熱介質，通過水熱法在合金表面制備了耐蝕-抑菌保護膜，考察了水熱溫度和時間對所制膜層表面形貌、物相組成、耐蝕行為及抗菌性能的影響。

1 試驗材料及方法

本試驗以Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr鎂基合金為基材(質量分數，%)。線切割得到尺寸為10 mm×10 mm×2 mm的樣片，用不同型號的SiC砂紙逐級打磨樣片表面(至2000#)并機械拋光后，用無水乙醇超聲清洗5 min，干燥后備用。

水熱試驗在以聚四氟乙烯為內襯的不銹鋼高壓釜中進行。首先，將0.01 mol/L的AgNO3溶液倒入容量為20 mL的反應釜中，填充度為75%；隨后將樣片放置于反應釜中，通過恒溫干燥箱加熱至反應溫度并保持一段時間后，取出試樣冷卻至室溫，用無水乙醇清洗干凈并吹干后，放置于干燥箱中備用。本實驗采用的水熱條件分別為：90 ℃×1.5 h、120 ℃×1.5 h、120 ℃×2.5 h、150 ℃×1.5 h。

采用X’Pert Pro MPD型X射線衍射儀(XRD)分析樣品膜層的物相組成，衍射源為Cu靶Kα線，掃描范圍2θ為10°～90°，掃描速率為2°/min。通過配備有能譜儀(EDS)的Nano Nova-400型場發射掃描電鏡(SEM)對樣品的表面形貌及微區成分進行表征，并根據SEM照片測量膜層的厚度。

電化學測試在Auto Lab PGSTAT204型電化學工作站上進行。采用三電極體系，工作電極為樣品，輔助電極為Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，腐蝕介質為仿生溶液(SBF)，其化學組分列于表1中，測試環境溫度為室溫。動電位極化曲線測定在開路電位測試1 h后進行，電位VOCP的范圍為-250～+250 mV，掃描速率為1 mV/s。電化學阻抗譜(EIS)測試頻率范圍為105～107Hz，測試點數為71，交流電壓幅值為10 mV。

表1 SBF溶液的化學組分(單位：g/L)

采用抑菌圈法測試樣品的抗菌性能。菌種為金色葡萄球菌，具體步驟為：先將1 g蛋白胨、0.5 g酵母提取物、1 g NaCl、1.5 g瓊脂粉﹑0.24 g MgSO4溶于100 mL蒸餾水中，制備LB固體培養基；然后將菌種通過LB液稀釋至1×109CFU/mL，均勻涂布于平板表面；最后，將樣品放置在固體培養基上，在37 ℃恒溫箱中有氧培養24 h，用數碼相機拍照并測量抑菌圈的直徑。

2 結果與分析

2.1 膜層的表征

圖1為不同水熱反應條件下制得鎂合金樣品的XRD圖譜。由圖1可知，所制樣品的膜層均主要由Mg(OH)2和Ag構成，其中90 ℃×1.5 h條件下，基體Mg的衍射峰強度最強，Mg(OH)2衍射峰強度較弱，這可能是由于反應溫度較低，樣片表面未能生成完整的Mg(OH)2膜層。當水熱條件為150 ℃×1.5 h時，樣品中Mg(OH)2相的衍射峰強度相對較高，表明該條件下Mg基體水熱反應更完全，生成的Mg(OH)2的結晶程度更高；另外，此條件下制得樣品的XRD衍射圖譜中未觀察到Ag相的衍射峰，可能與Mg(OH)2膜層較厚且膜層中含Ag量較少有關，并且其它水熱條件下制得樣品中Ag相的衍射峰強度相比于其他相也較弱。

圖1 試樣的XRD圖譜

圖2為不同水熱反應條件下制得鎂合金樣品的SEM照片。從圖2中可以觀察到，樣品的膜層底部主要由層片狀的物質組成，在其上方分布著聚集態的顆粒狀物質，且膜層表面還存在由薄片組成的花狀結構。隨著水熱溫度的升高，樣品表面膜層上的片狀物質更為致密，顆粒狀結構減少，其中當水熱條件為150 ℃×1.5 h時，生成的納米級層片狀結構在基體表面形成了較好的保護膜層。

為進一步了解水熱樣品表面膜層的物相組成，對具有典型特征的120 ℃×2.5 h樣品的膜層進行EDS分析，結果如圖3所示。圖3中EDS能譜分析結果顯示，點A處納米薄片中Mg、O元素的原子比約為1∶2，結合上述XRD分析可知，該區域主要是由片層狀Mg(OH)2組成；點B處則主要是片層狀Mg(OH)2和顆粒狀Ag聚集形成的。

(a) 90 ℃×1.5 h (b) 120 ℃×1.5 h

(c) 120 ℃×2.5 h (d) 150 ℃×1.5 h

圖3 120 ℃×2.5 h條件下所制樣品的EDS圖譜

圖4為不同水熱反應條件下制得鎂合金樣品截面的SEM照片及各元素在膜層附近的EDS線掃描分析結果，圖中合金基體與深灰色環氧樹脂所夾的中間層即為表面膜層。EDS線掃描結果顯示，表面膜層主要元素為Mg、O，而C主要來自于環氧樹脂。在90 ℃×1.5 h、120 ℃×1.5 h、120 ℃×2.5 h、150 ℃×1.5 h水熱條件下，測得樣品表面膜層的平均厚度依次為20、26、35、91 μm。可見，隨著水熱溫度的提高及反應時間的延長，樣品表面生成的膜層厚度逐漸增加。

Mg在AgNO3溶液中進行水熱處理時，發生的化學反應可由下列方程式表示：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(a) 90 ℃×1.5 h (b) 120 ℃×1.5 h

(c) 120 ℃×2.5 h (d) 150 ℃×1.5 h

圖4試樣截面的SEM照片及EDS線掃描分析

Fig.4Cross-sectionalSEMimagesandEDSline-scanninganalysisofthesamples

在高壓反應釜內進行水熱反應時，H2O電離常數往往隨著溫度的升高及壓力的增加而增大，故基體中的Mg與水電離生成的OH-反應加劇，在短時間內形成較厚的膜層[8]。水熱處理開始階段，基體與溶液界面處產生大量Ag和Mg(OH)2顆粒，聚集并覆蓋在基體表面；隨后，水通過顆粒間隙或孔隙，滲透進基底并與之反應，生成大量的Mg(OH)2晶體并聚集。通過不斷重復以上過程，最終在Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr鎂合金基底表面形成了致密的膜層。此過程中，先前產生的Ag和Mg(OH)2顆粒一直聚集在膜層表面，這與圖4所示在膜層內部未檢測到Ag元素的結果相一致。

2.2 膜層的耐蝕性能分析

圖5所示為鎂合金基底及不同水熱條件下制得樣品在SBF溶液中的極化曲線，根據極化曲線擬合得到腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流密度jcorr列于表2中。結合圖5和表2可知，鎂合金基底和水熱試樣的腐蝕電位Ecorr在-1.40～-1.53 V范圍內變化，無明顯的差異。一般而言，腐蝕電位越大意味著腐蝕傾向越小，但腐蝕電位與腐蝕速率并無直接關系，腐蝕速率主要由腐蝕電流密度決定[9]。與未處理的鎂合金基底相比，具有膜層的Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr合金腐蝕電流密度降低了至少約一個數量級，且下降程度隨著膜層厚度的增加而增大。特別是當水熱條件為150 ℃×1.5 h時，所制樣品的膜層最厚且最為致密，對應的腐蝕電流密度最低，表明該水熱條件下所制樣品的耐蝕性最好。可見，表面Mg(OH)2膜層的形成能夠有效提升Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr鎂合金的耐蝕性能。

圖5 試樣在SBF溶液中的極化曲線

Fig.5PolarizationcurvesofthesamplestreatedinSBFsolution

表2試樣的腐蝕電位和腐蝕電流密度

Table2Corrosionpotentialsandcorrosioncurrentdensitiesofthesamples

水熱條件Ecorr/Vjcorr/A·cm-2未處理-1.4554.149×10-590 ℃×1.5 h-1.4738.055×10-6120 ℃×1.5 h-1.5283.807×10-6150 ℃×1.5 h-1.5094.702×10-7120 ℃×2.5 h-1.4011.878×10-6

圖6所示為鎂合金基底及不同水熱條件下制得樣品在SBF溶液中的電化學阻抗譜。從圖6可以看出，水熱處理后的試樣在高頻和中低頻區存在有兩個容抗弧，未處理的基底則由中高頻的容抗弧和低頻的感抗弧組成。中頻容抗弧代表電荷傳遞電阻，一般反映腐蝕阻力的大小[10]。經過不同條件水熱處理后，所制樣品的容抗弧均大于鎂合金基底的容抗弧，且隨水熱溫度的升高，樣品容抗弧越大。當水熱條件為150 ℃×1.5 h時，制得樣品的容抗弧最大，表明膜層對電荷傳遞阻力最大，極大降低了Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr合金的腐蝕速率，這與圖5所示樣品的極化曲線測試結果一致。通常認為，高頻區的容抗弧與試樣/介質界面Cl-吸附有關[11]，水熱處理后還存在高頻區的容抗弧表明，該膜層對Cl-有較好的吸附能力，可以減少溶液中Cl-含量，從而降低鎂合金的腐蝕速率。此外，低頻區域的數據點大多較為離散，這可能是由于低頻區體系穩定性因發生了電位漂移而有所變化[12]。

圖6 試樣在SBF溶液中的電化學阻抗譜

2.3 膜層抗菌性能分析

圖7為鎂合金基底及不同水熱反應條件下制得的試樣對金色葡萄球菌的抗菌效果照片。如圖7所示，Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr合金并未表現出抗菌性，而水熱反應后的試樣周圍均出現了明顯的抑菌圈。當水熱條件為90 ℃×1.5 h、120 ℃×1.5 h、150 ℃×1.5 h、120 ℃×2.5 h時，制得樣品的抑菌圈直徑大小依次為22、23、13、22 mm，其中150 ℃×1.5 h條件下樣品抑菌圈最小。結合圖2所示的SEM照片可知，該樣品表面顆粒狀結構較少，對應于水熱處理后樣品表面Ag含量較少，并且Mg(OH)2膜層較厚減緩了Ag+的釋放，而Ag+與金色葡萄球菌接觸后會與細菌體內蛋白酶發生反應，使之喪失活性，同時也會破壞微生物的呼吸系統、電子運輸系統和物質傳輸系統，導致細菌死亡[13]。綜合上述分析可知，所制Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr鎂合金表面含Ag的Mg(OH)2膜層對金色葡萄球菌有明顯的抗菌作用，但膜層較厚(含Ag少)可能會影響所制樣品的抗菌效果。

(a)裸基體 (b) 90 ℃×1.5 h (c) 120 ℃×1.5 h

(d) 150 ℃×1.5 h (e) 120 ℃×2.5 h

圖7試樣的抑菌圈照片

Fig.7Inhibitionzonephotosofthesamples

3 結論

(1) 于不同的水熱溫度和時間條件下，在AgNO3溶液介質中對Mg-2.4Nd-0.5Sr-0.3Zr合金進行水熱處理后，合金表面形成了厚度為20～91 μm且具有抑菌功能的耐腐蝕膜層，膜層均勻致密，主要由層片狀Mg(OH)2和顆粒狀Ag/Mg(OH)2聚集而成的。

(2) 隨著水熱溫度的升高及反應時間的延長，所制鎂合金樣品的膜層厚度逐漸增加，且樣品的耐腐蝕性能也隨著膜層厚度的增加而提高。當水熱條件為150 ℃×1.5 h時，所制樣品的膜層最厚，腐蝕電流密度最小(4.702×10-7A·cm-2)，耐蝕性能達到最佳。

(3) 水熱處理后的鎂合金樣品對金色葡萄球菌均具有明顯的抗菌作用，這主要由膜層中Ag的抗菌能力所主導。