一种镁合金表面制备还原氧化石墨烯涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种表面改性医用镁合金材料及其表面改性方法，具体涉及一种利用电泳沉积和镁合金自氧化对镁合金进行表面改性的方法，属于金属材料表面改性领域。

背景技术

镁合金具有完全可降解性且弹性模量与骨组织接近，很有可能成为下一代医用骨替换材料。近来，研究者开始探索镁合金在骨肿瘤治疗中的应用(Acta Biomaterial，2018，77，365-379)。然而，目前的研究主要是通过在镁合金表面负载抗癌药物来达到杀死肿瘤细胞的目的，而药物的使用很可能使肿瘤细胞产生耐药性，而且药物的毒副作用也很难控制。由于创伤性小、外场可调控等优点，利用光热效应杀肿瘤是当前治疗骨肿瘤的研究重点之一(Acta Biomaterial，2018，79，37-59)。当通过光热效应使材料表面温度升高至42～44℃，肿瘤细胞结构就会发生不可逆改变，从而发生凋亡或坏死，而正常细胞的耐热温度可达45℃。但是，截止到现在还没有在镁合金表面制备具有光热效应涂层的研究。

为了在医用可降解镁合金表现制备具有光热效应的涂层，本发明提出首先利用电沉积技术在镁合金表面构建氧化石墨烯涂层，再利用镁自身具有的强还原性，将其表面的氧化石墨烯还原，得到还原氧化石墨烯涂层。所制备的还原氧化石墨烯涂层不仅具有强结合力，而且具有良好的光热效应，有望在抗肿瘤医用镁合金材料领域得到应用。

发明内容

针对医用镁合金在骨替换材料领域巨大的应用前景，本发明的目的在于提出了一种在镁合金表面构建具有强结合力和光热效应的还原氧化石墨烯涂层的方法，且改性后的镁合金材料有望应用于骨肿瘤的术后治疗。

一方面，本发明提供了一种镁合金表面制备还原氧化石墨烯涂层的方法，采用电沉积技术在镁合金表面制备氧化石墨烯涂层，再经烘干后，置于超纯水中，静置一定时间，从而使镁合金表面的氧化石墨烯层发生部分还原形成还原氧化石墨烯层。

在本公开中，首先利用电沉积技术在镁合金表面制备一层氧化石墨烯涂层，然后将样品烘干，接着将制备的样品浸泡在超纯水中，利用镁合金自身的强还原性，无需额外加入还原剂，将样品表面的氧化石墨烯部分还原，从而得到在镁合金表面具有很强光热效应的还原氧化石墨烯涂层。该还原氧化石墨烯涂层还包含少量分布其中的Mg(OH)

较佳的，所述电沉积技术的参数包括：选用石墨为阳极，选用镁合金做为电沉积阴极；电解液为10～40μg/ml的氧化石墨烯溶液；沉积电压40～120V；沉积时间为1.5～4分钟。

又，较佳的，所述电解液中包含金属离子，所述金属离子选自镁离子、铁离子和锌离子中的至少一种。

较佳的，所述烘干的温度为60～100℃，时间为8～12小时。

较佳的，所述静置的时间为1～6小时。

较佳的，所述镁合金为医用镁合金；优选地，在电沉积之前，将所述镁合金进行预处理以除去表面氧化物层。

另一方面，本发明提供了一种根据上述的方法制备的表面分布有还原氧化石墨烯涂层的镁合金材料，所述表面分布有还原氧化石墨烯涂层的镁合金材料上还原氧化石墨烯层的厚度为5～15μm。

再一方面，本发明还提供了一种如上述的方法制备的表面分布有还原氧化石墨烯涂层的镁合金材料在制备光热效应抗肿瘤材料中的应用。

有益效果：

本发明首次在医用镁合金表面制备了具有强结合力和光热效应的改性涂层。本发明提供的方法具有如下优势：实验在室温下进行，无需复杂设备，实验过程相对安全，而且有利于大规模产业化。此外，与其他镁合金表面涂层相比，本发明提供的涂层具有如下优点：涂层与基底之间具有强结合力，所得还原氧化石墨烯涂层具有优良的光热效应。

附图说明

图1为镁合金经过实施例1(a)、2(b)、3(c)、4(d)、5(e)和6(f)处理后，样品的扫描电镜图；

图2为镁合金以及经过实施例1、2、3、4、5和6处理后，样品的X-射线衍射图谱(XRD)；

图3为镁合金经过实施例1、2、3、4、5和6处理后，样品的拉曼光谱；

图4为镁合金经过实施例2(左侧)和实施例5(右侧)处理后的涂层的横断面的扫描电镜图；

图5为镁合金经过实施例2和5处理后，样品的X-射线光电子能谱(XPS)C 1s高分辨谱；

图6为镁合金经过实施例2和5处理后，样品表面的涂层在胶带贴撕后以及超声处理前后的光学照片以及扫描电镜图；

图7为镁合金以及镁合金经过实施例2和5处理后，样品在0.5W的808nm近红外光下辐照5min然后关掉近红外光，这个过程中样品表面的温度变化曲线；

图8为空白对照组、镁合金以及经过实施例5处理的镁合金样品，在有无808nm近红外光辐照(0.6W，10min)后，孔板上细胞的活性。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在本公开中，与镁合金基体具有强结合力的还原氧化石墨烯涂层的合成方法包括：机械加工(或化学腐蚀等)、清洗、电泳沉积、烘干以及浸泡水还原等步骤，得到表面有还原氧化石墨烯层的镁合金材料。镁合金材料表面的还原氧化石墨烯涂层的厚度可为5～15μm。该涂层中的还原氧化石墨烯中氧含量可为10～20at％，还原氧化石墨烯涂层中Mg含量可为5～10at％。以下示例的说明本发明提供的镁合金材料表面的还原氧化石墨烯涂层的制备方法。

镁合金预处理。机械加工过程中，依次采用600#和1000#SiC砂纸将镁合金打磨平整，并去除表面氧化物。

清洗过程中，采用无水乙醇将打磨平整后的样品清洗干净并烘干、或室温干燥。烘干条件包括：60～100℃，8～12小时。

电泳沉积。将镁合金作为电沉积的阴极，石墨为阳极。电解液可为10～40μg/mL的氧化石墨烯溶液，溶剂为无水乙醇。电解液中引入金属离子(镁离子，铁离子，锌离子等至少一种)。在室温下进行电沉积，电沉积的电压为40～120V，时间为1.5～4分钟。

浸泡水还原。将电泳沉积处理后的镁合金浸没在超纯水中1～6小时，直至样品表面全部变为黑色。其中，氧化石墨烯层和金属Mg发生部分还原形成还原氧化石墨烯和氢氧化镁的还原氧化石墨烯层，很大程度上增强了涂层和基体的结合力。

在本发明一实施方式中，经本发明处理得到的还原氧化石墨烯涂层与镁合金基底具有很强的结合力，经过胶带粘贴实验以及超声清洗实验，绝大部分还原氧化石墨烯涂层都还保留在镁合金材料表面。

在本发明一实施方式中，将表面分布有还原氧化石墨烯涂层的镁合金材料(或称光热效应涂层)在0.5W的808nm近红外光辐射下辐射5min，材料表面温度可达64℃。本发明制备的表面分布有还原氧化石墨烯涂层的镁合金材料有望在抗肿瘤医用镁合金表面改性领域得到应用。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

将厚度为2mm，直径为10mm的AZ31镁合金片，依次用600#和1000#的SiC砂纸去掉表面氧化层，再用酒精超声干净。之后进行电泳沉积处理，电解液为32μg/mL的氧化石墨烯溶液(体积250ml)，溶剂为无水乙醇，并且电解液中加入50mg醋酸锌和50mg六水合硝酸锌。在80V的电压下电沉积90s，得到氧化石墨烯涂层，所得样品标记为GO-1#；

图1中(a)是经本实施例1改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图。从图中可以看出氧化石墨烯均匀地覆盖在镁合金表面。图2给出了经本实施例1改性后样品表面的XRD图谱，可以看出样品表面只检测到了镁相。由于氧化石墨烯晶性不好，所以没有检测到它的衍射峰。图3中(a)给出了经本实施例1改性后样品表面的拉曼图谱，样品表面出现了代表石墨烯的D峰和G峰。

实施例2

将厚度为2mm，直径为10mm的AZ31镁合金片，依次用600#和1000#的SiC砂纸去掉表面氧化层，再用酒精超声干净。之后进行电泳沉积处理，电解液为32μg/mL的氧化石墨烯溶液(体积250ml)，溶剂为无水乙醇，并且电解液中加入50mg醋酸锌和50mg六水合硝酸锌。在80V的电压下电沉积120s，得到氧化石墨烯涂层，所得样品标记为GO-2#。

图1中(b)是经本实施例2改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图。从图中可以看出氧化石墨烯均匀地覆盖在镁合金表面。图2给出了经本实施例2改性后样品表面的XRD图谱，可以看出样品表面只检测到了镁相。由于氧化石墨烯晶性不好，所以没有检测到它的衍射峰。图3中(a)给出了经本实施例2改性后样品表面的拉曼图谱，样品表面出现了代表石墨烯的D峰和G峰。图4给左侧给出了经本实施例2改性后样品的横断面图，图5中左侧给出了经本实施例2改性后样品表面的C 1s高分辨谱，表1给出了由高分辨谱拟合得到的各官能团的百分比，表2给出了经XPS检测的样品表面元素含量的原子百分比。经本实施例2改性后样品表面的含氧官能团主要由C-O/C-O-C、C＝O、O-C＝O。所得氧化石墨烯涂层的厚度为8.4μm，氧化石墨烯中的氧含量为23.5at％。

实施例3

将厚度为2mm，直径为10mm的AZ31镁合金片，依次用600#和1000#的SiC砂纸去掉表面氧化层，再用酒精超声干净。之后进行电泳沉积处理，电解液为32μg/mL的氧化石墨烯溶液(体积250ml)，溶剂为无水乙醇，并且电解液中加入50mg醋酸锌和50mg六水合硝酸锌。在80V的电压下电沉积240s，得到氧化石墨烯涂层，所得样品标记为GO-3#。

图1中(c)是经本实施例改性处理得到的镁合金表面表面形貌的扫描电镜图。从图中可以看出氧化石墨烯均匀地覆盖在镁合金表面。图2给出了经本实施例改性后样品表面的XRD图谱，可以看出样品表面只检测到了镁相。由于氧化石墨烯晶性不好，所以没有检测到它的衍射峰。图3中(a)给出了经本实施例3改性后样品表面的拉曼图谱，样品表面出现了代表石墨烯的D峰和G峰。

实施例4

将GO-1#样品在80℃下干燥12小时，然后在超纯水中浸泡2小时，得到还原氧化石墨烯涂层，所得样品标记为rGO-1#。图1中(d)是经本实施例4改性处理得到的镁合金表面形貌的扫描电镜图，从图中可以看出还原氧化石墨烯均匀地覆盖在镁合金表面。图2给出了经本实施4改性后样品表面的XRD图谱，可以看出样品表面只检测到了镁相，由于氧化石墨烯晶性不好，所以没有检测到它的衍射峰。图3中(b)给出了经本实施4改性后样品表面的拉曼图谱，样品表面出现了代表石墨烯的D峰和G峰。

实施例5

将GO-2#样品在80℃下干燥12小时，然后在超纯水中浸泡2小时，得到还原氧化石墨烯涂层，所得样品标记为rGO-2#。图1(e)是经本实施例5改性处理得到的镁合金表面表面形貌的扫描电镜图。从图中可以看出氧化石墨烯均匀地覆盖在镁合金表面。图2给出了经本实施例5改性后样品表面的XRD图谱，可以看出样品表面只检测到了镁相。由于氧化石墨烯晶性不好，所以没有检测到它的衍射峰。图3中(b)给出了经本实施例5改性后样品表面的拉曼图谱，样品表面出现了代表石墨烯的D峰和G峰。图4给左侧给出了经本实施例2改性后样品的横断面图，图5中右侧给出了经本实施例5改性后样品表面的C 1s高分辨谱，表1给出了由高分辨谱拟合得到的各官能团的百分比，表2给出了经XPS检测的样品表面元素含量的原子百分。经本实施例5改性后样品表面的含氧官能团主要由C-O/C-O-C、O-C＝O。且与实施例2所得样品相比，所有含氧官能团的比例都有所下降，说明本实施例5样品表面为还原氧化石墨烯。所得还原氧化石墨烯涂层的厚度为9.8μm，氧含量为13.65at％。

实施例6

将GO-3#样品在80℃下干燥12小时，然后在超纯水中浸泡2小时，得到还原氧化石墨烯涂层，所得样品标记为rGO-3#。图1中(f)是经本实施例4改性处理得到的镁合金表面表面形貌的扫描电镜图。从图中可以看出氧化石墨烯均匀地覆盖在镁合金表面。图2给出了经本实施例4改性后样品表面的XRD图谱，可以看出样品表面只检测到了镁相。由于氧化石墨烯晶性不好，所以没有检测到它的衍射峰。图3中(b)给出了经本实施例4改性后样品表面的拉曼图谱，样品表面出现了代表石墨烯的D峰和G峰。

实施例7

将GO-2#样品和rGO-2#样品分别粘在透明胶上，然后再将透明胶带从样品表面撕下来，如此重复10次。分别在1次、5次和10次的时候用相机记录样品表面的光学形貌。重复10次后样品表面的微观形貌用扫描电镜观察。

图6中(a)分别是GO-2#样品和rGO-2#样品经过胶带实验前后的光学照片。从图中可以看出，rGO-2#为黑色。GO-2#样品表面的涂层经过1次胶带实验后就基本掉落，而rGO-2#样品表面的涂层经过10次胶带实验后，绝大部分涂层仍然牢固地结合在样品表面。图6中(c)给出了经过10次胶带实验后GO-2#样品和rGO-2#的扫描电镜图，从图中可以更加清晰的看出GO-2#样品表面的氧化石墨烯涂层已经基本脱落，而rRO-2#样品表面的还原氧化石墨烯涂层则保存完整。

实施例8

将GO-2#样品和rGO-2#样品分浸没在超纯水中，然后在53KHz的功率下超声10分钟。分别在1、5和10分钟的时候用相机记录样品表面的光学形貌，以及超声10分钟后样品表面的微观形貌用扫描电镜观察。

图6中(b)是GO-2#样品和rGO-2#样品经过超声实验前后的光学照片，从图中可以看出，GO-2#样品表面的涂层经过1分钟超声后，样品表面的涂层就完全脱落，而rGO-2#样品表面的涂层经过10分钟超声后，绝大部分涂层仍然牢固地结合在样品表面。图6中(d)给出了经过10分钟超声实验后GO-2#样品和rGO-2#的扫描电镜图，从图中可以更加清晰的看出GO-2#样品表面的氧化石墨烯涂层已经完全脱落，而rRO-2#样品表面的还原氧化石墨烯涂层则保存完整。综合实施例7和8的结果，可以看出还原氧化石墨烯在镁合金表面具有很强的结合力。

实施例9

将AZ31、GO-2#和rGO-2#样品放在808nm近红外光(0.5W)下照射，光源与样品距离20cm，照射5mins，关掉光源。利用红外热成像仪检测上述过程中各样品表面的温度变化。图7是AZ31、GO-2#和rGO-2#样品在近红外光下照射后的温度变化曲线。从图中可以看出，未经改性的AZ31样品在近红外光下照射5mins后，温度只到30℃左右。在AZ31样品表面电沉积氧化石墨烯层后，GO-2#样品在近红外逛下照射5mins后，温度可以升到44℃左右。将AZ31样品表面的氧化石墨烯层还原后，rGO-2#样品在近红外逛下照射5mins后，温度可以升到64℃左右。上述结果说明，rGO-2#样品具有很强的光热效应。

实施例10

将人成骨肉瘤细胞接种在48孔培养板上，每孔加入1万个细胞，500微升α-MEM培养基。培养1天，将AZ31和rGO-2#样品分别放入含有细胞的孔板，将808nm近红外光(0.6W，10mins)对准孔板底部，照射样品。只加样品，不加光源，作为实验对照组。此外，不加样品的孔板，同样经过808nm近红外光(0.6W)照射，作为空白对照组。用Alamar Blue试剂盒检测上述孔板中细胞的活性。

图8是空白对照组、镁合金以及经过实施例5处理的材料，在有无近红外光(或称红外光)辐照后，孔板上细胞的活性，从图中可以看出，rGO-2#样品加上近红外光辐照后，细胞活性降低至40％，而其他实验组，细胞的活性均接近100％。上述结果说明rGO-2#样品在近红外光诱发下，具有较强的杀死肿瘤细胞能力。

表1为实施例2和实施例5制备的镁合金表面涂层的X-射线光电子能谱高分辨谱拟合得到的各官能团的百分比：

表2为实施例2和实施例5制备的镁合金表面涂层的X-射线光电子能谱给出的元素原子百分比：

。

由于镁合金表面存在少量的Mg(OH)

本发明在医用镁合金表面制备的具有强结合力的还原氧化石墨烯涂层具有很强的光热效应，有望在骨肿瘤领域得到应用。