醫(yī)用鎂及鎂合金材料表面改性的應用

1、醫(yī)用鎂及鎂合金材料表面改性的應用摘要鎂是可被人體吸收的常量元素，且具有較高的比強度和比剛度，在醫(yī)用植入材料領域具有廣闊 的應用前景。、一本文綜述了醫(yī)用鎂及鎂合金作為生物醫(yī)用材料的表面改性技術的研究現(xiàn)狀。關鍵詞：鎂合金；表面改性；生物醫(yī)用材料1鎂及鎂合金作為醫(yī)用材料的優(yōu)點1.1優(yōu)良的機械性能鎂屬于輕金屬，在現(xiàn)有的工程用金屬中密度最小，僅為1.74 g/cm3，并且與人骨的密質 骨密度 (1.80 g/cm 3)極為接近。其導熱率好，無磁性，對CT或磁共振圖像干擾小。鎂及鎂 合金的機械性能 比其他常用金屬材料更接近天然骨，如用作植入材料，其適中的彈性模量能夠有效緩解應力遮擋效 應，對骨折愈合、種植

2、體的穩(wěn)定具有重要作用。鎂合金具有很好的流動性與快速凝固率，尺寸穩(wěn) 定性好，是良好的壓鑄材料，且容易切削加工。1.2生物活性、介導成骨作用及生物相容性鎂是人體必需的元素，人體含量僅次于鉀、鈉、鈣，幾乎參與人體所有的新陳代謝活動。鎂也 是組成骨的主要成分，能促進骨、牙齒及細胞形成并在骨的礦物質代謝中起重要的調節(jié)作用。含 有鎂離子的生物陶瓷種植體、膠原的表面成骨細胞黏附增加，整合素表達及信號傳 導蛋白基因表達 增高，骨整合能力增強。鎂基種植體較聚乳酸表面有更多鈣磷酸鹽形成，周圍骨量增加，提示高 濃度的鎂離子可提高成骨細胞的活性；在體外環(huán)境中鎂可促進磷酸鈣沉積，增加介導成骨作用，同 時改善原位耐蝕性。

3、1.3可降解性鎂的標準平衡電位為-2.34 V，低于其他工業(yè)合金；氧化膜疏松多孔，不能對基體起到良好的保 護作用，尤其是在含有氯離子的腐蝕介質中，呈示出較高的化學和電化學活性，作為可降解材料 具有其天然優(yōu)勢。2存在的問題鎂及鎂合金的耐蝕性能較差，很容易發(fā)生點蝕，在有Cl-存在的環(huán)境中腐蝕速率更快，且在周圍介質的pH值低于11.5時，鎂合金在人體內(nèi)的腐蝕會加快。人體內(nèi)的pH值約為7.4，在手 術后的人體代謝吸收過程中可能會引起人體內(nèi)二級酸液過多癥，使體內(nèi)環(huán)境的pH值低于7.4，所以鎂合金作為植入材料在體內(nèi)會加速腐蝕。雖然鎂是人體的常量元素，但吸收過 量鎂離子 對人體也是有害的。因此，對鎂和鎂合金

4、腐蝕本質的研究以及表面改性技術的完善成為鎂和鎂合金 在生物材料領域應用的關鍵。傳統(tǒng)的鎂合金表面改性方法有很多，但作為生物材料長期(或臨時) 與人體接觸時，必須充分滿足與生物體環(huán)境的相容性。3表面改性方法研究表明，通過在鎂合金表面構筑生物活性涂層，不僅能提高植入物的生物相容性，促使植 入體與骨組織間形成直接的化學鍵性結合，有利于植入體早期穩(wěn)定，縮短手術后的愈合期，而且可 以延緩基體在體液中的腐蝕和降解速率。使目前醫(yī)用鎂及鎂合金材料表面改性的方法主要有：等離 子噴涂、溶膠-凝膠、電化學沉積、稀土轉化膜、微弧氧化和仿生法等。3.1等離子噴涂等離子噴涂是以等離子弧為熱源，將金屬或非金屬粉末加熱至熔融或

5、半熔融狀態(tài)，并隨高速氣 流噴射到工件表面，形成覆蓋層，以提高工件耐蝕、耐磨、耐熱等性能的表面工程技術。等離子噴 涂方法具有如下特點：等離子焰熱量高度集中，可以獲得很高的溫度，足以熔化任何一種難熔材 料；等離子流速較高，使得噴涂粒子以較大速度撞擊到基體上，形成的涂層與基體間結合強度較 大；對基體熱影響小，可以對已加工成形的工件進行表面噴涂；易于實現(xiàn)自動化，且成本適中。 但隨著研究的深入和臨床應用發(fā)現(xiàn)，等離子噴涂HA涂層材料尚存在一些問題，主要是由于線性噴涂工藝而造成粗糙基體表面涂層的不均勻和無法進行復雜形狀基 材的表面噴涂；由于界面應力殘留在涂層材料中，造成涂層產(chǎn)生裂紋并使涂層松動或剝落；由于高

6、 溫的作用易使HA發(fā)生分解，在涂層中產(chǎn)生雜質和非晶HA而影響涂層的生物性能；涂層結構不致密，植入人體后，不能有效地阻止生理組織液的滲入。3.2溶膠-凝膠溶膠-凝膠法是將涂層配料制成溶膠，使之均勻覆蓋于基體的表面，由于溶劑迅速揮發(fā)，配料 發(fā)生縮聚反應而膠化，再經(jīng)干燥和熱處理，即可獲得涂層。與等離子噴涂技術相比，用溶膠-凝膠法 制備生物陶瓷薄膜具有以下優(yōu)點：（1）制備溫度低，從而避免了高溫分解和熱應力過大；（2）雖然 溶膠凝膠法的產(chǎn)物可以是無定形，也可以是結晶態(tài)，但由于反應在原子、分子水平上進行，因此可在 最大程度上提高其化學各向同性；（3）材料制備過程易于控制，產(chǎn)物純度高；（4）可以在形態(tài)復雜的

7、種植體表面形成均勻的涂層；（5）涂層厚度薄且可以控制，可以 形成數(shù)微米厚的涂層，幾乎不改變原種植體表面形態(tài)。盡管國內(nèi)外對溶膠-凝膠涂層已進行大量研究，但仍有以下不足之處：（1）原料成本較高；（2）存在殘留小孔洞；（3）熱處理 時溫 度處理不當，可能會導致殘留的碳；（4）較長的反應時間；（5）有機溶劑對人體有一定的危害性。 不同的溶膠-凝膠配方常在陶瓷薄膜中產(chǎn)生一些有害雜質如CaO、CaCO3等。3.3電化學沉積電化學沉積法是在電場作用下在材料表面沉積生物陶瓷涂層，它的起步較晚。1991年加拿大學者Shirkhanzadeh報道了電化學沉積制備磷酸鈣涂層的工藝，將Ca10（PO4） 6（OH）2

8、加入到NaCl的方法獲得Ca/P為1.62的涂層。電化學沉積制備的生物陶瓷涂層晶粒大小均勻，晶 體結構完美，有利于提高植入材料的穩(wěn)定性。胡皓冰3等發(fā)現(xiàn)用電化學沉積羥基磷灰 石（HA）涂層的 形成機理是HA在陰極界面直接生成，沒有前驅體的存在。陰極電沉積HA陶瓷 膜層是一個2步反應 的過程，陰極析氫引起陰極界面的0H-離子濃度升高，然后伴隨HA的生成。+ e 丁 H2+ OH-（2） Ca 2+ PQ3- + OH-TCao（P04） 6 （oh） 2但是電化學沉積生物陶瓷涂層主要存在著涂層與基體之間結合強度低，涂層的厚度達不到種植要求等問題。因此，電化學沉積方法獲得的單一種的生物陶瓷并不能夠滿

9、足種植的生物學要 求。有人對生物涂層進行了梯度設計，使層間的熱膨脹系數(shù)匹配，極大限度地減小材 料界面的殘 余應力，從而提高界面結合強度。胡皓冰、林昌健4等在含有0.001mol/L Ca（N03）2和 0.00167mol/L NHHPQ的電解液中加入體積百分含量為0.0125%的聚乙酸乙烯酯，反應溫度為80C, pH值為6.0,控制電流密度12mA/cm2，制備出HA/聚乙酸乙烯酯復合涂層。試驗結果 表明：涂層中的磷酸鈣鹽為純的羥基磷灰石，涂層與基底之間的結合強度有所提高，與未加聚乙酸 乙烯酯的涂層相比，結合強度增加了3MPa。Ban Seiji等將水熱法和電沉積法巧妙地結合在一起，在高壓釜

10、中，控制溫度80200 C,電流密度為12.5 mA/cm2，用水熱-電化學法制備出了羥基磷灰石涂層，該涂層中的羥基磷灰石晶體結構完美，涂層與基 底的結合 力高。3.4稀土轉化膜近年來，因替代銘酸鹽轉化膜工藝而發(fā)展起來的稀土轉化膜工藝不僅工藝參數(shù)少，成本低廉，無毒環(huán)保，而且能在短時間內(nèi)對鎂及鎂合金的耐蝕性能顯著提高，而備受青睞5。關于稀土 轉化膜的耐蝕機理，Hinton認為，當試樣置于含稀土鹽的溶液中時，表面便形成了許多腐蝕微電 池，在微陽極區(qū)，金屬溶解（Mg Mg+2e），而在微陰極區(qū)，則發(fā)生了去極化劑02或“的反應：2H+2e-H2或Q+2H2O+4e 40H;隨著反應的持續(xù)進行，陽極極化

11、區(qū)的pH值升 高，當達到一定值時，稀土鹽便會在試樣的表面沉積下來，由外到內(nèi)形成稀土氧化物/基體氫氧化物/ 基體氧化物的轉化膜。稀土轉化膜在成膜過程中，稀土離子最初形核點往往是在金屬基體的夾雜與裂縫處，因此形成的轉化膜薄厚不均且有微孔。這是稀土轉化膜只能在短期內(nèi)對鎂及鎂合金產(chǎn)生保護作用的主 要原因。人們對稀土轉化膜工藝的研究才剛剛開始，對成膜機理還缺乏本質的了解。預計現(xiàn)在針對鋁 合金開發(fā)出的雙層稀土轉化膜工藝和稀土鹽后續(xù)封孔工藝，將能進一步提高鎂及鎂合金的耐蝕性能。3.5微弧氧化微弧氧化（micro-arcoxidation , MAO是在有色金屬表面原位生長陶瓷層的新技術。它是將銘、 鈦、鎂等

12、金屬置于電解質溶液中，在熱化學、等離子化學和電化學的共同作用下，使材料表面產(chǎn)生火 花放電生成陶瓷層。微弧氧化技術可顯著提高上述材料的耐蝕性、耐磨性和硬度，是一種很有希望 的醫(yī)用金屬植入體表面生物改性技術，已在鈦種植體表面成功應用。微弧氧化處理與其他鎂合金表 面處理方法比較，具有以下優(yōu)點:（1）耐腐蝕性、耐磨性能更好；（2）與基體結合緊密;不易脫落；（3） 可在金屬表面形成粗糙面，有利于成骨細胞附著；（4）與通常的陽極氧化處理相比，對材料的疲勞強 度降低很小。南京醫(yī)科大學的吳婕6等人用微弧氧化對AZ91D鎂合金進行表面改性，發(fā)現(xiàn)微弧氧 化陶瓷表面是由一個個微小的、類似于”火山錐狀的物質相互結合所

13、構成的。每個小火山錐中心都有一個小孔，這個小孔是溶液與基體 反應的通道，同時也是微弧產(chǎn)生時熔融態(tài)的氧化物噴發(fā)出的通道，因此陶瓷膜與基體結合非常緊密。而且，粗糙多孔的表面形態(tài)使得材料具有較大的表面積，有利于其在生物體內(nèi)與周圍組織的結合，能為新生組織的長入提供支架和通道。3.6仿生法近10年來發(fā)展起來的仿生法，是模擬自然界中生理磷灰石的礦化過程，在自然溫和的條件下， 在類似于人體組織內(nèi)環(huán)境條件的模擬體液（simulated body fluid , SBF）中，使材料表面自發(fā)沉積生物陶瓷。仿生法具有一些其他方法無可比擬的優(yōu)越性7： （1）仿生磷灰石層沉積于類似人體組織內(nèi)的環(huán)境條件，其成分更接近人體

14、的骨無機質；（2）仿生法在低溫下進行，可避免高溫過程引起的相變和脆裂；（3）可通過改變?nèi)芤旱某煞謥砀淖兺繉拥某煞?，可以使?白質、骨生長因子、抗生素等有機物質在仿生溶液中與羥基磷灰石共沉積；（4）利用仿生技術可在形狀復雜和多孔的基體上形成均勻的涂層，所需設備簡單、操作方便、沉積工藝易控 制、費用較低。仿生合成的關鍵是控制無機晶體的異相成核，目前有多種方法可以在金屬基片表 面進行預處理來誘導晶核生成，以下介紹了兩種最常用的預處理方法。3.6.1堿熱處理早在20世紀90年代初期，為了能在體外評價生物材料的生物活性，配制出了SBF，并探索了用堿溶液活化鈦及鈦合金表面。用類似的方法來處理鎂及鎂合金，能

15、顯著的提高其耐蝕性 能。Kuwahara同等人研究了熱處理對純鎂耐蝕性能的影響。他們將純鎂（99.9 wt%）在803K下熱處理9 25小時后，再將試樣放在HBSS溶液中浸泡。風干后用失重法測量發(fā)現(xiàn) 部分試樣 重量不但沒有減少，而且有增加的現(xiàn)象。并且增加的重量（質量百分比）與熱處理時間成正比。但 是堿液處理純鎂時對純鎂的腐蝕嚴重，涂層疏松，熱處理工藝對純鎂表面的生 物活性提高，并不明顯。因此，高家誠9等人在此基礎上改進了堿處理工藝的基礎上，設計了堿熱處理，使堿處理后純鎂表面晶體層更加致密，提高其耐腐蝕性能，并且增強了純鎂的生物活性。3.6.2 EDTA自組裝 生物礦化中的無機相成核和生長是由生

16、物體所提供的高分子模板控制的， 是一種自組裝的過程。單分子膜(SAM是自然界中自組裝的典型例子。仿生法制備生物陶瓷復合材 料時，可在基片上合成自組裝單分子層，再通過單分子層的端基官能團即能在模擬體液中誘導生物陶瓷的 沉積，并且能得到結合強度較高的復合材料。Qing Liu 10等用自組裝技術發(fā)展了一種在Ti表面快速沉積HA礦物相的方法。他們用OETS無水戊烷溶液處理鈦基片使其表面形成SAM單分子層，再將SAM的雙鍵官能團化，可在基片表面帶上-OH, -H2PO4, -COOH單分子層的端基含有孤對電子將螯合溶液中的鈣離子，從而使 磷灰石在單分子層上有序生長。4展望鎂及鎂合金具有比強度和比剛度較

17、高、生物可降解吸收性等特點,作為現(xiàn)有金屬生物植入材料的新一代替代產(chǎn)品表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢與潛力,已經(jīng)引起國內(nèi)外越來越多研究者的關注，相信在不久的將來,鎂及但由于人體環(huán)境的復雜性,這種新材料的研究還需一個長期過程。只要通過對鎂及鎂合金體內(nèi)腐蝕本 質的深入了解和對其生物相容性及表面改性的系統(tǒng)研究 鎂合金必定會在醫(yī)用金屬植入材料領域得到廣泛的應用。參考文獻hydroxyl apatite powdersCoatings Prepared byTkalcec E, Sauer M, Nonninger R, et al. Sol-gel-derived and coatings. Journal of M

18、aterials Science, 2001,36(21):5253.Shirkhanzadeh M. Bioactive Calcium Phosphate Electrodeposition J.J Mater Sci Lett, 1991(10) 141-147.胡皓冰，林昌健，陳菲，等.電化學沉積制備羥基磷灰石涂層及機理研究J.電化學， 2002, 8(3) : 288-294.Hu H B, Lin C J, Hu R, et al. A study on hybrid bioceramic coatings of HA/poly(vinylacetate)co- deposited electrochemically on Ti-6Al- 4V alloy surfaceJ.MaterialsScience and Engineering