镁合金腐蚀研究进展(35)—热处理对层层组装多层膜的影响

 目前限制医用镁及镁合金应用的主要障碍是其局部腐蚀和降解速率过快，这可能会在骨损伤完全愈合之前损害植入体的机械完整性。同时，可能产生的生物材料表面细菌生物膜也会导致植入体在应用中提前失效。可以采用表面改性和抗菌元素合金化等诸多方法来同时解决以上两个问题。为了探索医用镁合金表面抗菌途径，一种方法是将抗生素嵌入镁合金表面涂层。基于荷正、负电荷聚电解质的静电吸引，通过所谓层层组装（layer-by-layer (LbL) assembly）方法交替地产生静电沉积来制备聚电解质多层膜（PEMs）。多层膜可以作为耐腐蚀的物理屏障。

 可以选用聚烯丙胺盐酸盐（PAH）、聚丙烯酸（PAA）和硫酸庆大霉素（GS）作为镁表面功能化的组装单元。PAH可以荷正电，具有良好的生物相容性。而PAA可以荷负电，并且已被广泛应用于生物医学领域。除了这两种聚电解质外，GS是一种对抗大多数革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的有效抗生素，可以被掺入PEMs中，以提高植入体的抗菌性能。

 然而，由于GS与其他荷电组装单元的弱结合力，将抗生素直接负载到PEMs中不容易实现。而且，腐蚀介质也可以穿透多层膜使得抗菌剂快速释放，这不满足医用镁合金长期抗菌性能的要求。

 在本工作中，使用旋涂辅助层层组装技术（SLbL assembly）在镁合金表面成功地组装了GS负载的聚电解质多层膜。重点研究了多层膜热处理（HT），以提高了其耐腐蚀性并延长GS的释放时间。

 研究发现，不同PAA分子的羰基可以通过热处理交联形成稳定的酸酐键。HT-(PAH/PAA-GS)₁₀热处理膜的腐蚀电流密度比(PAH/PAA-GS)₁₀未经热处理膜降低了一个数量级。这表明，热处理可以提高多层膜的耐腐蚀性能。同时，该热处理多层膜对金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌活性，而且可以延长释放时间。此外，在长时间浸泡于腐蚀介质中时，HT-(PAH/PAA-GS)₁₀膜可促进羟基磷灰石的形成。本防腐抗菌多层涂层在医用镁合金领域具有应用前景。

   该项工作近日在线发表在Journal of Colloid & Interface Science （547 (2019) 309–317. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2019.04.017），论文第一作者为硕士研究生赵延斌，通讯作者为李硕琦和曾荣昌。

    此文系即将毕业的赵延斌的第5篇SCI论文。5篇文章包括2篇Journal of Colloid & Interface Science (IF5.091) 、1篇Applied Surface Science（IF4.439, 2018，ESI高被引）、1篇Materials Letters（2019）和1篇Acta Metallurgica Sinica (2018，Engl. lett.)。最后一篇去年获得中国金属学会颁发的优秀论文。

Corrosion resistance and drug release profile of gentamicin-loaded polyelectrolyte multilayers on magnesium alloys: Effects of heat treatment

Abstract

Magnesium  (Mg) alloys have received considerable attentions as the emerging  biodegradable implant materials in orthopedic surgery applications.  However, the rapid corrosion rate and the susceptibility to bacterial  infection have prevented their wide spread applications to date. In this  work, the gentamicin-loaded multilayers have been constructed on Mg  alloys through spin-assisted layer-by-layer (SLbL) assembly. Heat  treatment is applied for improving the corrosion resistance and  prolonging the drug release profile. In addition, the treated multilayer  can promote the formation of hydroxyapatite (HA) during the long-time  immersion in Hank’s balanced salt solution (HBSS).

Graphical abstract

Keywords

Magnesium alloy；Layer-by-layer；Heat treatment；Corrosion resistance；Antibacterial property；Sustained release

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镁合金腐蚀研究进展系列

曾荣昌发表论文目录（Rong-Chang Zeng\'s Publications）(2000-)