Preparation and in vitro Bioactivity of HA/CuO/SrCO3 Gradiently Composite Coating

doi:10.7503/cjcu20210644

Abstract

Abstract:

In hydroxyapatite（HA） suspension， n-butanol as dispersion medium， triethanolamine as emulsifier， two osteogenic trace element compounds CuO and SrCO₃ as additives， Ti sheet as substrate， chitosan（CS） as porogen， an HA/CS/CuO/SrCO₃ composite coating was obtained by zonal electrophoresis distribution and electrophoretic deposition under the action of reverse electric field. And then， an HA/CuO/SrCO₃ composite coating was prepared after high temperature calcination at 700 ℃ for 2 h. Some equipments and methods such as powder X-ray diffraction（XRD）， Fourier transform infrared spectroscopy（FTIR）， field emission scanning electron microscopy（FESEM）， energy dispersive spectroscopy（EDS）， Lloyd universal material testing machine， electrochemical workstation， culture in simulated body fluid and inhibition experiment， were used to test and characterize the composite coatings. The results show that all of the contents of Ca， Cu and Sr elements had presented a gradient distribution in the radial direction of the HA/CuO/SrCO₃ composite coating. The bonding strength between the composite coating and the Ti substrate was 33.0 MPa. The composite coating possessed stable electrochemical performance and strong corrosion resistance in （N-（2-hydroxyethyl）piperazine）-N'-2-ethane sulfonic acid（HEPES） simulated body fluids（H-SBF） under tested by cyclic voltammetry（CV） curves and Tafel polarization curves. The surface of the composite coating was apatite-carbonated completely after cultured in H-SBF for 24 d. The inhibition rates of the composite coating powder against Escherichia coli and Staphylococcus aureus were 81.82% and 71.86%， respectively.

Key words: HA/CuO/SrCO₃ gradiently composite coating, In vitro bioactivity, Zonal electrophoresis distribution, Electrophoretic deposition

CLC Number:

O611.4

TrendMD:

ZHAO Mengyang, HUANG Ziyang. Preparation and in vitro Bioactivity of HA/CuO/SrCO₃ Gradiently Composite Coating[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210644.

Figures/Tables 17

Scheme 1 Schematic diagram of the process for preparation of HA/CuO/SrCO3 composite coatings

Scheme 2 Schematic diagram of the bonding strength test for HA/CuO/SrCO3 composite coatings

Fig.1 XRD patterns of HA/CS/CuO/SrCO3 coatings before(a) and after(b) sintering treatment

Table 1 Element contents of HA/CS/CuO/SrCO3 coatings before and after sintering treatment*

Element	Before sintering		After sintering
Element	w（Ele）（%）	x（Ele）（%）	w（Ele）（%）	x（Ele）（%）
C	5.00	9.73	0.48	1.03
N	2.56	4.27	0.03	0.05
O	34.85	50.90	32.42	52.70
P	17.21	12.98	20.32	17.03
Ca	35.52	20.75	42.67	27.89
Cu	0.62	0.23	0.84	0.34
Sr	4.24	1.13	3.24	0.95

Fig.2 FTIR spectra of HA/CS/CuO/SrCO3 coatings before(a) and after(b) sintering treatment

Fig.3 Location map of selected points of HA/CuO/ SrCO3 coating in radial direction

Fig.4 Regression curves of the elemental contents of the HA/CuO/SrCO3 coating

Fig.5 SEM images of HA/CS/CuO/SrCO3 gradient coatings before(A) and after(B) sintering treatment

Fig.6 Bonding strengths of five kinds of coatings with Ti substratea. HA; b. HA/CuO; c. HA/SrCO3; d. HA/CuO/SrCO3(EPD);e. HA/CuO/SrCO3(ZE/EPD).

Fig.7 CV curve of HA/CuO/SrCO3 gradient coating in H?SBF

Table 2 Self-corrosion potentials and self-corrosion current densities of three coatings in H-SBF

Coating	Self?corrosion potential， V_corr/V（vs. SCE）	Self?corrosion current density， J_corr/（nA·cm^-2）
HA	-0.208	5.15
HA/CuO/SrCO₃（EPD）	-0.095	1.61
HA/CuO/SrCO₃（ZE/EPD）	0.275	1.29

Fig.8 Tafel polarization curves of three kinds of coatings in H?SBFa. HA; b. HA/CuO/SrCO3(EPD); c. HA/CuO/SrCO3(ZE/EPD).

Fig.9 XRD patterns of HA/CuO/SrCO3 gradient coating cultured in H?SBF for 0 d(a), 8 d(b), 16 d(c) and 24 d(d)

Fig.10 FTIR spectra of HA/CuO/SrCO3 gradient coating cultured in H?SBF for 0 d(a), 8 d(b), 16 d(c) and 24 d(d)

Fig.11 SEM images of HA/CuO/SrCO3 gradient coatings cultured in H?SBF for 8 d(A), 16 d(B) and 24 d(C)

Fig.12 Experiments of bacteriostatic rate of HA/CuO/SrCO3 coatings powder(A, B) Escherichia coli; (C, D) stayhylococcus aureus; (A, C) gradient coating; (B, D) control.

Fig.13 Inhibition rates of HA/CuO/SrCO3 composite coating powder against Escherichia coli and Staphylococcus aureus

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