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镁合金腐蚀研究进展(54)—镁合金表面半胱氨酸诱导钙磷涂层的耐蚀性研究

已有 905 次阅读 2020-7-29 11:41 |个人分类:科研进展|系统分类:科研笔记| 氨基酸, 涂层, Ca-P, alloy, 镁合金

 镁合金在结构材料和医用植入材料领域都拥有广阔的应用前景,但是镁合金耐蚀性差,导致在服役期间容易丧失机械性能而失效,不能满足实际应用的需要。利用生物有机分子如DNA(Journal of Magnesium and Alloys.  7, 2019: 144-154)、葡萄糖(Applied Surface Science, 465, 2019: 1066-1077)、氨基酸等与化学转化膜相结合,通过其与金属离子的吸附性或络合性能够对转化膜涂层进行改性,提高其耐蚀性和生物相容性。这或许是生物医用镁合金改性的一个新途径。

 我们的前期研究表明,在钙磷涂层中添加生物有机小分子如葡萄糖等,可以增加其厚度和致密性来提高其耐蚀性能(https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.09.203)。相关工作都证实葡萄糖确有促进Ca-P盐的形成作用。

进一步的研究表明,氨基酸有助于镁合金表明形成氨基酸磷酸盐络合物(Materials Science and Engineering: C. 105, 2019, 110042)。
    Ca-P涂层有许多制备方法。不同条件下制备的Ca-P涂层具有不同的微观形貌特征。然而,腐蚀性离子(如Cl-)可通过涂层孔隙或通道穿透到达Ca-P涂层/基体的界面。因此,Ca-P涂层通常不能为镁合金提供长期保护。那么,细化Ca-P涂层中的晶粒,减少缺陷,提高其对Mg基体的保护效果至关重要。

 受课题组上述工作的启示,本研究中使用的一种氨基酸:L—半胱氨酸。其分子结构除氨基(-NH2极性基团羧基(-COOH)外,还包含极性基团巯基(-SH)。实验利用半胱氨酸通过水热法在AZ31镁合金表面制备Ca-P涂层,使半胱氨酸中的极性基团和杂原子可以吸附在镁合金的表面以抑制腐蚀过程。

 结果表明:将L-半胱氨酸添加到Ca-P转化溶液中,在AZ31镁合金表面诱导制备了一种新的Ca-P(Ca-PL-Cys)涂层。该涂层比无氨基酸的Ca-P涂层具有更致密的微观形态,并且其涂层厚度比Ca-P涂层增加了大约两倍。此外,相对于镁合金AZ31基体,Ca-PL-Cys涂层的Rp值增加了大约16倍。这可以归因于极性基团-COOH和-SH均有效地与溶液中的Ca2+和Mg2+结合,促进了钙磷化合物的成核。

 该项工作“Corrosion resistance of an amino acid-bioinspired calcium phosphate coating on magnesium alloy AZ31”发表在《Journal of Materials Science & Technology》(2020,49,224-235). https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.01.046.

第一作者为山东科技大学硕士研究生樊晓丽,通讯作者为山东科技大学曾荣昌教授。

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Fig. 1 Preparation of the Ca-P coating and Ca-PL-Cys coating on Mg alloy AZ31

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Fig. 2 SEM micrographs of the (a, b, c) Ca-P coating and (d, e, f) Ca-PL-Cys coating.

 

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Fig.3 Surface roughness of (a) Ca-P coating and (b) Ca-PL-Cys coating

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Fig. 4 (Ⅰ-Ⅲ) Nyquist curves and corresponding equivalent circuits, (Ⅳ) bode plots of (a) AZ31 Mg alloy (b) Ca-P coating (c) Ca-PL-Cys coating


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Fig. 5 High resolution of XPS of Ca-PL-Cys coating (a, d) C 1s, (b, e) N 1s & (c, f) S 2p


参考文献:

镁合金腐蚀研究进展(36)—DNA诱导Ca-P涂层的性能研究

镁合金腐蚀研究进展(30)-葡萄糖水热法诱导钙磷涂层研究





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