镁科研:生物医用AM50合金表面聚己内酯/二氧化钛纳米纤维涂层 ...

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镁及其合金因具备良好的力学性能、生物相容性和生物可降解性而备受关注,但镁合金在人体内或模拟体液(SBF)环境下降解过快往往会阻碍其作为可生物降解植入材料的应用。为此,可以对镁合金进行表面改性,通过控制释放金属离子来降低镁合金的降解速率。静电纺丝技术可以制备纳米级的聚合物纤维并将其沉积在金属基体上,在镁合金表面改性方面受到研究人员的广泛关注。但静电纺丝使用的聚合物需要考虑其生物相容性、毒性、可生物降解性以及足够的力学性能,并且还应具有一定的功能,以刺激骨形成过程中磷灰石等化合物的沉积。近年来,将合成聚合物和天然聚合物与陶瓷微粒相结合,开发兼具结构和功能的复合材料成为镁合金表面改性的一个重要方向。

最近,来自印度阿姆里塔工程学院的Mani Karthega博士等人利用静电纺丝技术在AM50合金表面制备了聚己内酯(PCL)和聚己内酯/二氧化钛(PCL/TiO2)纳米纤维涂层。研究结果表明,PCLPCL/6 wt%TiO2涂层均提高了AM50合金的耐蚀性,但PCL/6wt%TiO2复合涂层在SBF溶液中的自腐蚀电流密度要比PCL涂层高4个数量级。二者均具有良好的生物活性和生物相容性,TiO2的添加显著促进了复合涂层对细胞的粘附和生长。

系统研究了PCLPCL/TiO2涂层的表面形貌和结构,结果如图1所示。PCL涂层形貌呈均匀而规则的纤维状,纤维的中空结构可能是由于纤维内部的溶剂迅速蒸发而形成。随着TiO2浓度的增加,大部分TiO2微粒均匀分布在纤维内部,部分TiO2微粒位于纤维表面形成突起。平均纤维直径图像表明,PCL的平均纤维直径为598 nm,加入少量TiO2导致静电纺丝过程中溶液电导率升高,纤维直径减小;而当TiO2浓度进一步增加至6 wt%时,纤维的平均直径增大至901 nm,这可能是由于溶液粘度的增加使带电的射流能够承受更大的库伦斥力。此外,通过EDAXXRDFTIR分析证实了AM50合金表面PCLTiO2的存在。

1 PCLPCL/2 wt%TiO2PCL/4 wt%TiO2PCL/6 wt%TiO2涂层的SEM图像、平均纤维直径以及PCLPCL/6 wt%TiO2涂层的XRD谱图

重点研究了PCLPCL/6 wt%TiO2涂层在SBF溶液中的降解行为,结果如图2所示。在SBF溶液中浸泡4天后,PCL涂层仍保持纤维结构,且表面有白色微粒析出。PCL/6 wt%TiO2涂层表面形成了无规则的沉积层,部分纳米纤维发生降解而断裂。通过EDAX对白色微粒和沉积层进行分析,证实形成了CaP产物。XRD进一步确定CaP产物为羟基磷灰石,且PCL/6 wt%TiO2涂层的CaP峰强度更为明显,表明其生物活性比PCL涂层更好。此外,FTIR中磷酸根特征峰的出现也证明了涂层的生物矿化效应。

2 PCLPCL/6 wt%TiO2涂层在SBF溶液中浸泡后的SEM-EDAXXRDFTIR谱图

文章还重点研究了PCLPCL/6 wt%TiO2涂层在SBF溶液中的电化学行为,结果如图3所示。PCL涂层的OCP高于PCL/6 wt%TiO2涂层,二者在浸泡过程中的腐蚀电位值均增大,这是由于溶液中钙离子和磷酸根离子的沉积所致;浸泡至第4天时,PCL/6 wt%TiO2涂层的OCP降低,表明涂层发生降解。动电位极化曲线表明PCLPCL/6 wt%TiO2涂层均提高了AM50合金的耐蚀性,而PCL/6 wt%TiO2涂层的自腐蚀电流密度比PCL涂层高4个数量级,这可能是由于TiO2纳米微粒的浓度较高,易在纤维形貌上形成突起,进而在纤维中产生缺陷,使溶液易于向基体扩散从而导致腐蚀。阻抗波特图表明,二者均有两个时间常数,由于钙离子和磷酸根离子的沉积,PCL涂层的阻抗模值在浸泡的4天内不断增加;PCL/6 wt%TiO2涂层的阻抗模值也在前3天增加,第4天阻抗模值出现下降,表明聚合物纤维开始降解。

3 PCLPCL/6 wt%TiO2涂层在SBF溶液中的电化学测试

本研究还探索了PCLPCL/6 wt%TiO2涂层对成纤维细胞增殖的影响,结果如图4所示。与PCL涂层相比,L929细胞在PCL/6 wt%TiO2涂层上的分布更多,细胞在整个纤维内均匀分布,这可能与TiO2纳米微粒的生物相容性有关。

4 PCLPCL/6 wt%TiO2涂层的细胞培养研究

综上所述,本研究利用静电纺丝技术在AM50合金表面制备了PCLPCL/TiO2纳米纤维涂层。PCL涂层为均匀的中空纤维,PCL/6 wt%TiO2涂层由于TiO2纳米微粒的团聚而形成了更粗更厚的纤维。在SBF溶液中的降解行为和电化学研究表明,二者均提高了AM50合金的耐蚀性,羟基磷灰石的形成证明了二者良好的生物活性和生物相容性。细胞培养研究表明,PCL/6 wt%TiO2涂层对细胞粘附和生长有显著的促进作用,这可能与TiO2纳米微粒的生物相容性有关。

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本文作者2021-10-22 16:02
镁途
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