（材料学专业论文）纯镁表面改性与生物相容性的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 生物材料不仅在提高人类的生活质量、保护人类健康、挽救生命等方面具有 重大的社会效益，而且已经成为各国经济新的增长点。虽然现今已有很多种类的 金属基生物材料广泛应用于临床，但在这些生物材料当中，没有一种的性能能够 完全满足人们的需要。因此，开发新型的金属基生物材料是有必要而且是十分迫 切的。 镁及镁合金由于密度低，比强度、比刚度高等优异的综合性能已被较为广泛 地应用在航空航天、电子通信等领域。但将纯镁及镁合金应用在生物材料领域， 还未见报道。本文研究了用碱热处理、热一有机膜表面改性两种仿生矿化法对纯 镁进行表面处理的工艺，使得改性后的纯镁能在仿生体液( s b f ) 中迅速获得具 有生物活性的表面。研究中采用了扫描电镜、x 射线衍射仪、能谱仪、傅立叶红 外光谱、热分析等分析手段对试样表面进行了显微组织观察、物相结构、成分分 析等方面的研究。此外，本文首次对纯镁的细胞毒性与血液相容性进行了测试和 分析。 实验结果表明：碱热处理法中，在初始p h = 9 3 的过饱和n a h c 0 3 一m g c 0 3 混合溶液中，纯镁表面能迅速沉积一层轻质碳酸镁晶体层。再经过热处理后，该 晶体层呈半熔化，冷却后呈现不规则块状，变得更为致密。热处理还能在纯镁基 体上产生一层厚约2 0 u m 的氧化镁层。碱热处理后的纯镁试样在s b f 溶液浸泡 1 8 0 d 没有任何的质量损失。并且在表面生成了钙磷基的沉淀；在热一有机膜表面 改性的实验中，处理过的纯镁试样在s b f 溶液中表现了良好的耐腐蚀性能，并且 表面迅速( 4 2 的溶液中虽然是最 稳定的钙磷酸盐口”，但通常只有在高碱性条件下或通过高温烧结( 1 1 0 0 n1 3 0 0 。c ) 才能得到稳定的纯羟基磷灰石。在中性或弱酸性环境中，在常温下通过化学方法 合成h a 晶体是非常困难。而在他们的实验中，十六胺有机膜在p h = 7 2 时便能 诱导出纯的h a 晶体，说明十六胺有很强的诱导h a 晶体形核和生长的能力。 + i d c p d + d c p p b 图1 2 有机酸膜诱导下钙磷基盐的沉淀相图 f i g 1 2 t h e p h a s e d i a g r a m o f c a l c i u m - p h o s p h a t e b a s e da p a t i t e s u n d e ra c i d i co x 学m i cm o n o l a y e r s 由于仿生矿化是在充分了解自然界生物矿化的基础上，从过程和结构两个方 面模仿其矿化过程。虽然现今对于在天然的生物矿化过程中无机物与有机物之间 的分子识别机理还是一个没有认识清楚的问题【3 “，但根据现有的认识，便可以很 容易的看出模拟自然界生理磷灰石形成的仿生矿化工艺与传统的工艺相比，有以 下几个较为明显的优点： 生物矿化磷灰石的成分更接近人体骨无机质羟基磷灰石( h a ) ，有望能 得到更高的生物相容性和骨结合能力。传统在金属基体表面涂覆生物陶瓷涂层的 各种方法中，以等离子喷涂工艺最为成熟【33 1 。但是在该工艺中，喷涂温度高达1 0 0 0 摄氏度以上，使得与人体骨无机质最为相近的羟基磷灰石产生分解，生成非晶相 重庆人学硕十学位论文1 课题背景介绍 的磷酸三钙等物相，影响了涂层与基体的结合强度和涂层的生物相容性 3 4 1 。 仿生矿化法可以在常温下进行，为共沉积蛋白质等生物大分子提供了可能 性。由于现今在金属基生物材料上表面改性只是提高生物相容性中的骨传导性。 与最终人们期望的表面生物活性还相差甚远。仿生矿化法可以在常温下进行，如 果共沉积蛋白质等大分子成为了可能，那表面改性过的生物材料表面可以具有某 些功能。 该工艺可在形状复杂和多孔的基体上形成均匀的羟基磷灰石涂层。仿生矿 化法是将试样浸入含有钙磷离子的溶液中，根据基体与溶液离子的识别，使试样 表面自然沉积一层生物活性陶瓷。因此，该工艺可以处理形状复杂的试样。 仿生矿化法另一个显著的优点是通过活化材料表面后，当材料被植入人体 生物环境中后，材料活化的表面能在生物环境中诱导钙磷沉积，促进人体骨组织 在植入物表面生长，从而能够大大的提高材料的生物活性。是新一代生物材料的 发展方向。 基于以上的优点，仿生矿化法已经受到越来越多的关注。并会随着人们对自 然界生理磷灰石形成机理认识的不断深入而得到进一步的发展。 1 5 本研究的目的和研究内容 1 5 1 本文研究的思路与目的 本研究的整体思路是在大量参阅相关文献的基础上，拟尝试用纯镁作为一种 新型的金属基硬组织材料的基质，通过表面改性工艺以提高材料在人体中的耐腐 蚀性与生物活性；同时，对纯镁的生物相容性作较为系统地测试，进而评估纯镁 作为新型生物材料的可能性和应用前景。 针对现有对纯镁碱处理工艺的不足，我们首先设计了碱热处理工艺，致密碱 处理后纯镁表面晶体层，提高其耐腐蚀性能。同时在现有有机膜在溶液中诱导矿 物离子文献的基础上，尝试首先用热处理提高表面耐腐蚀性能，再在试样表面进 一步制得有机膜，使其快速诱导仿生体液中的矿物离子。 同时，本文还首次检测了纯镁试样的红细胞毒性试验和溶血率，从多方面考 察了纯镁在生物医用材料应用的可能性，同时为后续的研究与探索提供了具有参 考价值的试验数据。 1 5 2 本文的具体研究内容 本文的具体研究内容如下： 查阅相关文献，为新型金属基生物材料的筛选提供依据。 对碱处理工艺的工艺参数进行优化，选定最佳的工艺参数。同时对处理试 样表征，探讨沉积机理。 重庆大学硕士学位论文1 课题背景介绍 对热处理工艺的工艺参数进行优化。考察热处理工艺对纯镁耐腐蚀性能的 影响。 结合碱热复合处理工艺，对比碱热处理工艺与碱处理工艺、热处理工艺， 并考察工艺对试样组织，性能的影响。 设计含有不同离子成分的钙磷盐溶液来浸泡处理试样，使被处理试样表面 沉积具有生物活性的磷灰石沉淀。同时对钙磷盐沉积的机理进行探讨。 根据仿生矿化法原理，在纯镁表面引入有机酸分子膜，利用有机酸表面的 官能团充当模板，检测在s b f 溶液中能否迅速在纯镁表面获得钙磷盐沉淀。 对纯镁及仿生矿化处理后的溶血率以及纯镁的细胞毒性两项指标进行体外 测试，评价纯镁的生物相容性。 由于将纯镁作为生物硬组织材料的研究目前还处于刚刚起步的阶段，对纯镁 表面改性的工艺还尚未成熟。本研究通过两种表面改性的方法，有效的提高了纯 镁在仿生体液的中的耐腐蚀性能，并且在短时间内使表面获得具有生物活性的钙 磷盐。通过大量的实验不仅积累了丰富的实验数据，而且通过对实验数据的分析， 探讨了涂层的沉积机理。同时，本研究还对未处理与处理的纯镁首次做了生物相 容性评价，为以后镁基仿生法制各生物陶瓷涂层的研究提供了重要的实验依据， 具有一定的参考价值。 9 重庆大学硕：l 二学位论文2 实验材料及表面政性处理 2 实验材料及表面改性处理 2 1 表面改性处理所用材料 碱热处理所用原料为纯度为9 9 9 与9 9 9 9 的铸态纯镁。实验所用试剂见表 2 1 。 表2 1 表面改性处理所用试剂 t a b l e2 1t h e r e a g e n t sf o rs u r f a c em o d i f i c a t i o ne x p e r i m e n t s 试剂名称纯度产地 c a c l ，分析纯国营重庆无机化学试剂厂 n a c l分析纯自贡市化学试剂厂 n a h c 0 3分析纯重庆化学试剂总厂 k c l分析纯成都市医药公司化学试剂批发部 k z h p 0 4 3 h 2 0 分析纯重庆化学试剂总厂 m g c l 2 6 h 2 0 分析纯重庆化学试剂总厂 h c l分析纯国营重庆无机化学试剂厂 n a 2 s 0 4分析纯重庆东市化工有限公司 n h 2 ( c h 2 0 h ) 2 分析纯成都市医药公司化学试剂批发部 n a i - 1 c 0 3分析纯重庆化学试剂总厂 c h 3 ( c h 2 ) 1 6 c 0 0 h 分析纯成都市医药公司化学试剂批发部 2 2 表面改性处理分析测试所用主要实验设备 h 6 6 0 2 5 t 型超声清洗机 a m r a y - 1 0 0 0 b 型扫描电子显微镜对未处理与处理的试样进行s e m 表面 和断面分析。 x l 3 0 - t m p ，p h i l i p s 型扫描电子显微镜对热处理后试样的断面扫描观察分 析。 日本理学d m a x 1 2 0 0 型衍射仪分析试样处理前后的表面物相。 p e r k i n - e l m e r , s p e c t r u mg xf t i r 傅立叶变换红外光谱仪分析试样表面的 有机官能团。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 实验材料及表面改性处理 p h s - - 2 5 型p h 计检测s b f 溶液的p h 变化。 t g 3 2 8 8 型电光分析天平监控试样在溶液中的质量变化。 s x - 2 5 1 2 型热处理炉处理试样。 n e t z s c hs t a 4 4 9 型热分析仪。 2 3 生物相容性实验仪器及材料 生物相容性实验所用的材料及仪器见表2 2 表2 2 实验试剂及实验仪器 t a b l e2 2 t h er e a g e n t sa n di n s t r u m e n t sf o rb i o e o m p a t i b i l i t yt e s t s 试剂各注仪器备注 r p m l l 6 4 0 培养液h y c l o n e细胞培养箱 c o s t a r 马血清 1 5 生物显微镜 c o s t a r 医用酒精分析纯医用超净工作台 c o s t a r p b s 缓冲液 h y c l o n e 恒温水浴箱c o s t a r 草酸钾分析纯酶标仪m o d e l5 5 0 2 4 表面改性工艺流程图 在表面改性的实验中，碱热处理及生物矿化的工艺流程图见图2 1 。热一有机 膜表面改性及仿生矿化实验的工艺流程图见图2 2 。 重庆大学硕士学位论文 2 实验材料及表面改性处理 碱热处理工艺及生物矿化 流程图 图2 1 碱热处理工艺流程示意图 f i 9 2 1 t h ef i o wc h a r to f a l k a l i - h e a t - 廿e a t m e n tp r o c e s s 1 2 霓庆大学硕士学位论文2 实验材料及表面改性处理 仿生矿化工艺流程图 仿生体液( s b f ) 中浸泡1 4 d 图2 2 仿生矿化处理工艺流程图 f i g2 2 t h ef l o wc h a r to f h e a t s t c a r i ea c i df i l m s - t r e a t m e n t p r o c e s s 2 5 碱热处理表面改性 实验的具体步骤为： 将纯度为9 9 9 0 o 的铸态纯镁切割成体积为2 0 1 0 21 3 1 1 1 3 3 的长方体，然后用 2 0 0 “、4 0 0 4 、8 0 0 4 水砂纸打磨。再将打磨过的试样分别在丙酮与蒸馏水中超声清 重庆大学硕士学位论文2 实验材料及表而改性处理 洗1 0 m i n 。 在本实验中，两组离子成分和初始p h 值不同的碱溶液被用来碱处理试样： 第一组为1 0 0 m l 初始p h 值为8 6 的饱和n a h c 0 3 溶液( s n l ) ；第二组溶液为1 0 0 m 1 过饱和n a h c 0 3 - - m g c 0 3 混合溶液，用m g ( o h ) 2 将溶液的初始p h 值调至9 3 ( s n s m ) 。将已经打磨并超声清洗过的纯镁试样在以上两种碱处理溶液中分别浸 泡2 4 h ，取出备用。 将经过碱处理的试样在7 7 3 k 下保温1 0 h 。处理完毕后空冷，用蒸馏水超声 清洗1 0 m i n 后风干备用。 将( a ) 未做任何处理的纯镁对照组试样、( b ) 仅碱处理试样和( c ) 碱热复合处理 试样分别浸泡在s b f 和s b f ( c l 一) 溶液中浸泡1 4 d 。两种溶液中的离子成分见 表2 3 。浸泡试验结束后，取出试样风干备用。 表2 3s b f 溶液与s b f ( c 1 - ) 溶液的离子种类与浓度 t a b l e2 3c o n c e n w a f i o no f t h ei o n si ns b fa n d s b f ( c i - ) m m ，ln a +k _ m 9 2 + c a 2 十c 1 -h c 0 1 。h p o a 卜s o d 2 一 s b f1 4 2 05 o1 52 51 4 7 84 21 oo 5 s b f ( c i 一) 7 25 0l _ 52 51 84 2l | 00 5 2 6 仿生矿化表面改性 将纯度为9 9 9 9 的铸态纯镁切割成体积为2 0 1 0 x 2e r l v n 3 的长方体，然后 用2 0 0 4 、4 0 0 。、8 0 0 ”水砂纸打磨。再将打磨过的试样分别在丙酮与蒸馏水中超声 清洗l o m i n 。 将打磨并清洗过的试样在7 7 3 k 下保温1 0 h 。处理完毕后空冷，用蒸馏水超 声清洗1 0 m i n 后风干备用。 将热处理过的试样在1 0 0 m lo i m m l 的硬脂酸( c h 3 ( c h 2 ) 1 6 c o o h ) 氯仿 混合溶液中浸泡l h ，使其溶液中的硬脂酸分子自组装在试样表面，即形成有机膜表 面，然后取出试样静置3 0 m i n 以使氯仿完全蒸发。 将未做任何处理的对照组试样和热处理。有机膜表面复合改性过的试样放 入s b f 溶液中浸泡1 4 天，用p h 计监控溶液的p h 值，分析天平测量试样质量的变 化。 1 4 重庆大学硕士学位论文3 组织性能测试 3 组织性能测试 3 1 组织结构、成分等的测定 当试样被碱热与热一有机膜表面改性后，用a m e r a y - 1 0 0 0 b 与x l 3 0 一t m p 型 扫描电子显微镜表征试样表面与断面的形貌。用日本理学d m a x l 2 0 0 型x 衍射 仪对表面改性前后进行物相分析。用热分析仪分析碱处理后表面涂层的烧结转变 温度。为了进一步说明试样表面物相所具有的有机基团，用p e r k i n e l m e r , s p e e l r t t m g x 傅立叶红外光谱仪表征试样表面的有机基团。用e d s 与e d x p f 能谱仪对试 样表面及断面进行成分分析。在浸泡实验中，用p h s 2 5 型p h 计和t g 3 2 8 8 电光天 平监控溶液的p h 值变化与试样在s b f 溶液中的质量失重情况。 3 2 材料的生物相容性测试 3 2 1 血液相容性 在本节实验中，我们用体外非接触法测定未处理纯镁与热处理一有机膜表面 改性纯镁的溶血率。 浸提液的制备： 将纯度为9 9 9 9 的铸态纯镁制成1 1 1c r n 2 的正方体然后打磨并且超声清洗 1 0 m i n 。然后将打磨并超声清洗过的纯镁在紫外线下消毒5 m i n 。再将纯镁试样分为 三组：( 1 ) 未做处理的对照组试样、( 2 ) 仅热处理的试样和( 3 ) 热处理、硬脂 酸表面改性的试样。按照3l t f l 2 试样m l 溶液的标准将试样浸在p b s 溶液中7 2 h 【3 5 】。 p b s 溶液成分见表3 1 ，阴性对照所用试样为t i 6 a 1 4 v 。 表3 1p b s 溶液的成分表 t a b l e 3 it h e c o m p o s i t i o n so f p b s ( g l ) l n a c lk c l n a 2 h p 0 4k h 2 p 0 4 l 8 0 00 2 01 1 50 2 0 溶血率实验 溶血率实验依照i s o1 0 9 9 3 4 的标准【3 ”。取静脉鲜血2 0 m l 。先用草酸钾( 2 w v ) 抗凝。再用p b s 溶液按1 ：5 的比例稀释。将稀释鲜血在离心机离心5 m i n ( 7 0 0 曲。抛 弃上清液。再将离心后剩余的红血球用1 ：9 的p b s 稀释，然后将5 0m l 的悬浮液 与4 0m l 的浸提液在3 7 摄氏度不搅拌混合4 h 。阳极对照为悬浮液与蒸馏水溶液以 4 ：5 的比例与红细胞悬浮液混合。空白对照为用红细胞悬浮液与p b s 溶液以5 ：4 的 重庆大学硕士学位论文3 组织性能测试 比例混合。再将浸提液、阴性对照( t i 6 朋4 v ) 、阳性对照、空白对照与红细胞悬 浮液混合4 h 后，将悬浮液离心5 m i n ( 7 0 0 9 ) 。将上清液移入比色皿中，用酶标仪 在5 4 0 n m 波长处测吸光度。实验重复三次( n = 4 ) 。溶血率( h r ) 可用以下公式 计算： h r ( p 里二堡! d p c d n c 其中，d t 为试样的吸光度；d p c 与d n c 分别是阳性对照与阴性对照的吸光度。 3 2 2 细胞相容性 将纯度为9 9 9 的纯镁切割成1 1 x lc m 3 的正方体。然后打磨并且超声清 洗1 0 m i n 。再将打磨并超声清洗过的纯镁在3 7 3 k 下高温消毒6 0 r a i n 。 无菌条件下取小鼠股骨，冲出骨髓细胞，用4 号针头制成单细胞悬浮液。 在光学显微镜下计数并调整骨髓细胞浓度为1 1 0 6 m l 。培养体系为r p m i 1 6 4 0 加 1 5 马血清。 将培养液均匀后，把纯镁试样接种于培养瓶内。空白对照为p b s 溶液。 在3 1 0 k 、5 c 0 2 培养箱内培养7 2 1 1 。每隔2 4 h 吸取1m 1 均匀的液体进行 悬浮的骨髓细胞计数，然后离心涂片，瑞氏染色，在光镜下观察细胞形态。7 2 h 对 贴壁细胞进行苏木精、伊红染色，光镜下观察细胞贴壁情况。 重庆大学硕士学位论文4 实验结果 4 实验结果 4 1 碱热处理对纯镁表面改性的实验结果 4 1 1 碱处理后的质量百分比、溶液p h 值及s e m 形貌 图4 i 示出了试样分别在s n l 与s n s m 溶液中的质量变化百分比随着浸泡 时间的变化曲线。图4 2 示出了碱处理溶液s n l 中的p h 值随着浸泡时间的变化 情况。 图4 1 试样质量( ) 随浸泡时间的变化曲线( - s n l 溶液中；s n s m 溶液中：) f i 9 4 1t h e m a s s ( ) v e r s o ss o a k i n g t i m e i na l k a l i n es o l u t i o n ( i i n s n l ；i n s n s m ；) 口i 曲2 0 0加d 5 0 0：0 0 b o a k i n f lt i n eu 帆n 图4 2 溶液s n l 中的p h 值随浸泡时间的变化( 2 4 h ) f i 9 4 2 t h e p hv a l u eo f s n lv e o l s u ss o a k i n g t i m e ( 2 4 1 1 ) 当把试样分别放入两种碱处理溶液中后，立即能够看到试样表面有许多气泡 逸出，在s n s m 中的气泡逸出程度不如s n l 溶液中那样剧烈。由图4 1 可以看出， 纯镁试样在s n l 溶液中会发生反应，使得试样的质量不断的减少。直到2 4 0 m i n 重庆大学硕士学位论文4 实验结果 左右时，试样的表面因为有物质沉积使得质量开始增加；在8 0 0 r a i n 左右，反应 基本停止。而纯镁在s n s m 溶液中一开始就出现质量增加的现象，在约1 2 0 分钟 后，可以观察到试样表面有白色沉淀析出，并且气泡停止逸出；浸泡2 4 h 后，肉 眼可见试样表面生成了一层白色晶体。试样质量停止增加。由图4 2 可知，在s n l 中，溶液的p h 值随着纯镁与溶液反应的变化情况。溶液的p h 值随着浸泡时阀的 增加而升高，直到9 3 时才开始趋于稳定。 碱处理后，试样表面出现了一层白色的晶体，在扫描电镜下观察( 图4 3 ) 可发现： 白色的晶体层是由棱柱状晶体构成，大部分与基体垂直。该晶体层疏松，厚度约 为1 0 0 t a n 。 图4 - 3 试样在s n s m 溶液中浸泡2 4 1 1 后的s e m 表面形貌 f i g4 3 t h es e mm o r p h o l o g i c a lf e a t u r e so f s a m p l e ss o a k e di ns b ff o r2 4 h 4 1 2 碱热复合处理后s e m 与x r d 的分析结果 将碱处理过后的试样再在7 7 3 k 下热处理1 0 h 后，试样表面原棱柱状的晶体 重庆大学硕士学位论文4 实验结果 层变化为不规则的块状形貌，且更为致密。此时，原本大体垂童于基体的棱柱状 晶体之间相互粘连( 见图4 4a b ) 。图4 4 b 是图4 4 a 的局部放大。由于在观察该 形貌前，我们将试样在超声清洗机中清洗了5 m i n ，因此由图可以看出，不规则块 状与基体的结合较为牢固。图4 5 为碱处理后与碱热处理后试样的断面s e m 分析 结果。由图4 5 a 可以清楚的观察到试样在碱处理后的断面形貌，该晶体层厚约 1 0 0 m m ，质地较为疏松，棱柱与棱柱之间有较大的孔隙。图4 5 b 为试样在碱处理 后又热处理的断面形貌。由该图可以看出，在热处理后，试样的表面变的凸凹不 平，碱处理形成的晶体层在热处理后形貌也有较大的改变：与在s e m 表面形貌观 察的结果一致，涂层变得更为致密，其厚度也由碱处理后的约l o o p “n 减至碱热处 理后的2 0 m 。x 衍射对试样表面的物相分析表明：在碱处理后，试样表面的主 要物相为m g c 0 3 3 h 2 0 和m 甙o h ) 2 的混合物，也即轻质碳酸镁 ( x m g c 0 3 - y m g ( o h ) 2 0 z h 2 0 ) 。由于此时表面的晶体层厚度较厚，在衍射峰中末发现 有基体镁的衍射峰。在试样被碱热处理后，由图4 6 b 可以看到，表面的主要物相 转变成了m g o 。由衍射峰的相对强弱可以判断，表面物相中，氧化镁的含量较高。 由于此时表面涂层变薄，在x r d 分析中检测到了基体纯镁的衍射峰。 图4 4 试样在s n s m 溶液中浸泡2 4 h 后，再在7 7 3 k 下热处理1 0 h 的s e m 表面形貌 f i 9 4 4t h es e m m o r p h o l o g i c a l f e a t u r e so f s a m p l e s a f t e r t h e y f i r s t w e s o a k e d i ns b f f o r 2 4 h a n dt h e nh e a t - t r e a t e da t7 7 3 kf o rl o b 1 9 重庆大学硕士学位论文 4 实验结果 图4 5 试样在s n s m 溶液中浸泡2 4 h 后( a ) 再在7 7 3 k 下保温1 0 h 后( b ) 的s e m 断面形貌 f i g4 5t h es e mm o r p h o l o g i c a lf e a t u r e so f c r o s s - s e c t i o no f s p e c i m e n sa f t e rt r e a t e db y s n s mf o r2 4h o u r s ( a ) a n dt h e nt r e a t e db ys n s mf o r2 4h o u r sf o l l o w e db y b e i n gh e a t - t r e a t e da t7 7 3kf o r1 0h o u r s ( b ) a o烈i m iiji ? 了= 图4 6 试样在s n s m 溶液中浸泡2 4 小时后( a ) 再在7 7 3 k 下保温1 0 小时( b ) 的x 衍射图谱 f i g4 6x - m yp a t t e r n so f t h es p e c i m e n sa f t e r ( a ) s o a k e d i ns n s mf o r2 4h o u r sa n dt h e ns o a k e di n s n s mf o r2 4h o u r sa n dt h e nh e a t t r e a t e da t7 7 3kf o r1 0h o u r s ( b ) 2 0 一一ii 一_j鲁l! 重庆火学硕士学位论文 4 实验结果 4 1 3s b f 溶液浸泡的试样质量( ) 、溶液p h 及s e m 观察的结果 碱热复合处理与未处理的试样再s b f 溶液中浸泡7 d 后的表面形貌如图4 7 所示。仅碱处理、碱热处理和对照组试样在溶液中的质量百分比变化情况与溶液 的p h 变化情况如图4 8 所示。 图4 7 纯镁试样在s b f 溶液中浸泡7 d 后，试样的表面s e m 形貌( a 对比组试样； b 碱热处理后的试样 f i 9 4 7 t h es e m m o r p h o l o g i c a l f e a t u r e so f ( a ) c o n t r o l sa n d ( b ) a l k a l ia n d h e a t - t r e a t e d s p e c i m e n s a f t e rt h e yh a v eb e e ns o a k e di ns b ff o r7d a y s 024681 01 21 4 ( a ) s o a k i n gt i m et d o246b1 01 21 4 ( b ) s e e i n gl i m et d o霉一e u譬uq 一辞)|olse u是旦 重庆大学硕士学位论文 4 实验结果 c ) s o a k i n gt i m et d ( d ) s o a k i n gl i m et d 图4 8 试样重量变化百分比和p h 变化在s b f ( c i ) ( a ，c ) 和s b f c o ，d ) 溶液中随浸泡时间的变化 ( 1 对照组：2 。仅碱处理试样组； 3 。碱热处理试样组) f i g u r e4 8t h es p e c i f i cm a s sg a i no f s a m p l e sa n dp hi nt h es b f ( c i 一) ( a ，c ) a n ds b f ( b ，d ) v e r s u s s o a k i n gt i m e i - - c o n t r o ls a m p l e s ；2 - - a l k a l i - t r e a t e ds a m p l e s ；3 - - a l k a l ia n dh e a t - t r e a t e ds a m p l e s 在该实验中，我们用了两种不同的溶液来做仿生体液浸泡实验：s b f 溶液和 s b f ( c i ) 溶液。这两种溶液的不同之处在于s b f 溶液中含有与人体体液相近的氯 离子，而s b f ( c 1 ) 中的氯离子被尽量的除去。 在s b f ( c i ) 溶液中，对比组试样、仅碱处理试样和碱热处理的试样在耐蚀性 能方面没有表现出较大的差异：三组试样在溶液中都显示出了良好的耐蚀性能， 在s b f ( c i ) 溶液中浸泡1 4 天，三组试样都没有任何的质量损失( 见图4 8 ) 。这 表明在不含氯离子的s b f ( c 1 ) 溶液中，未处理与碱、热处理过的纯镁都能显示 出优良的耐腐蚀性能。 将对比组试样、仅碱处理的试样和碱热复合处理的试样在s b f 溶液中浸泡， 我们发现碱热处理的试样组相对前两组，其耐蚀性有了很大的变化：在将三组试 样浸泡了7 天后，未处理的试样表面产生了大量的腐蚀产物。而碱热处理试样表 面光滑，只是出现了少量的絮状结晶。( 见图4 7 ) 由分析天平测量三组试样在s b f 溶液中的质量变化情况可知：碱热处理试样在十四天内没有出现任何的质量损失， 而仅碱处理和未做处理的对照试样在溶液中产生了严重的腐蚀现象，试样在浸泡 到第八天时，试样几乎被腐蚀殆尽( 见图4 8a 、b ) 。同时，碱热处理试样所在的 溶液中p h 值与前两组试样所在的溶液中的p h 值相比，变化较慢：未经处理的试 样在s b f 溶液中浸泡一天，溶液中的p h 值便由最初的7 4 升至1 0 1 ，而经过碱 热处理的试样所在的溶液中，p h 值到浸泡的第五天才达到1 0 。三组试样的p h 值 变化由快到慢的顺序为：未处理试样 碱处理试样 碱热处理试样( 见图4 8c 、 d ) 。 重庆人学硕士学位论文4 实验结果 事实上，在另外一组s b f 浸泡腐蚀实验中，我们将碱热处理的纯度为9 9 9 9 的纯镁在s b f 溶液中浸泡了1 8 0 天( 图4 9 ) ，碱热处理过的纯镁试样表现出了优良 的耐腐蚀性能：在c l 离子浓度为1 5 0 m m l 的s b f 中，纯度为9 9 9 9 的铸态纯 镁浸泡1 8 0 d 没有出现任何的质量损失，并且平均质量增重+ 3 1 。 图4 9 纯度为9 9 9 9 的纯镁碱热处理后在s b f 溶液中浸泡1 8 0 d 后的s e m 的表面形貌 f i g u r e 4 9 t h es u r f a c e m o r p h o l o g yo f h e a t - a l k a l i t r e a t e d m a g n e s i u m w i t h t h e p u r i t y o f 9 9 9 9 a f t e rb e i n gs o a k e di ns b ff o r1 8 0 d 4 1 4 纯镁的细胞毒性试验 图4 1 0 为通过光学显微镜观察纯镁试样与骨髓细胞培养液接触后2 4 h 、7 2 h 后的形貌。与纯镁试样接触的培养液中，骨髓细胞的形貌与空白对照组十分相似， 没有出现细胞皱缩现象( 图4 1 0 ) 。通过对细胞计数，我们发现：与纯镁直接接触 的骨髓细胞培养液与空白对照中的细胞数目都有减少，但将两者进行比较可以看 出：纯镁所在试样组的骨髓细胞数量较空白对照组而言，细胞衰减的速度并没有 出现明显的增加( 图4 。1 1 ) 。这表明在我们用骨髓细胞与纯镁试样直接接触的细胞 毒性实验中，纯镁没有对小鼠骨髓细胞的增殖产生明显的毒副作用【3 ”。 重庆大学硕l 学位论文 4 实验缩果 图4 1 0 骨髓缎胞培养液与镬( 扣一硭：b 一3 d ) 纛空白对照( 卜i d ；d 一3 d ) 的袭面 f i g41 0 t h eo p t i c a lm o r p h o l o 百a a lf e a t u r e so f m a r r o wc e l l sm c u l t u r e se x p o s e dt om a g n e s i u m f 女一l d ；b - - 3 d ) a n d b l a n kc x m t r o l s ( c - - i d ；d 3 d ) 23 删 斟4 1 t 直接接触实验骨髓细胞培养液与镁试样和空白对照接触后增髓细胞 隧时间豹变化情况( p 0 0 0 3 ) f i 9 4 1 1 d i r e c tc o n t a c t t e s s t h e m a g n e s i u ms a m p l e sd i d n o ts h o wa n ys i g n i f i c a n tc y t o t o x i c e f f e c tc o m p a r e dt ob l a n k s 偿 o0 0 3 ) m 啪 渤 瑚 伽 e蠢rm崎赫苴，c写l暮lm蔓 重庆大学硕士学位论文4 实验结果 4 2 仿生矿化法对纯镁表面改性的实验结果 4 2 1 热处理有机膜表面改性工艺及s e m 、e d s 分析 试样在7 7 3 k 下处理1 0 h 后的断面形貌与e d s 分析结果见图4 1 2 。 图4 1 2 试样在7 7 3 k 下处理1 0 h 后的断面形貌( a 、b ) 和e d s 能谱线扫描分析结果( c ) f i g4 1 2 t h es e m m o r p h o l o 百c a lf e a t u r e so f h e a t - t r e a t e ds a m p l e sa t7 7 3 kf o r1 0 h ( a ，b ) a n de d sa n a l y s i so f t h ec r o s ss e c t i o no f t h eh e a t - t r e a t e ds a m p l e s ( c ) 纯度为9 9 9 9 的纯镁在7 7 3 k 下热处理1 0 h 后，表面距基体厚约2 0 t r n 的深 度出现了一层氧化层。该氧化层中有孔洞与裂纹。由于在碱热处理工艺中，我们 发现，仅碱处理的试样与未处理的对照组试样在s b f 溶液中的耐腐蚀性相差不是 十分的显著( 见图4 8 ) ，而热处理后的试样耐蚀性提高十分明显，与碱热处理试 样几乎相当。因此我们可以合理推测该氧化层是提高纯镁在s b f 溶液中耐腐蚀性 能的主要因素。e d s 分析表明，该距离内的氧元素含量是基体深处氧元素含量的 重庆大学硕士学位论文4 实验结果 两倍左右( 见图4 1 2 c ) 。 4 2 2 在s b f 溶液浸后的变化 s e m 、x r d 的观察分析 图4 1 3 为将热处理后的试样在硬脂酸氯仿溶液中浸泡1 h 后，再在s b f 溶 液中浸泡2 4 h 试样表面的s e m 形貌。试样表面形成了岛状的沉淀。该沉淀物形 状不规则，没有均匀的覆盖在试样表面。在高倍放大下可以看到，白色沉淀上有 细小的裂纹。 图4 1 4 为试样的x r d 图谱。试样在s b f 溶液中浸泡2 4 h 后，表面除了有热 处理时生成的m g o ，还有少量的钙磷酸盐如羟基磷灰石( h a ) 和磷酸八钙( o c p ) 。 在对热一有机膜改性后的试样表面的显微观察可知( 图4 1 3 ) ，生成的钙磷盐在试 样表面分布并不均匀，因此在图谱上只能看到少量的h a 和它的前驱相o c p 。 图4 1 3 热处理有机膜表面改性的纯镁在s b f 溶液中浸泡2 4 h 后的s e m 表面形貌 f i g4 1 3t h es u r f a c em o r p h o l o g i c a lf e a t l l r e so f h e a t - o r g a n i cf i l m s - t r e a t e ds a m p l e su n d e rl o w ( 1 0 0 ) a n dh i g h ( i o o o ) r e s o l u t i o n 图4 1 4 熟处理有机膜改性的试样在s b f 溶液中浸泡2 4 t l 后的x 衍射图谱 f i g4 1 4 t h ex r d s p e c t r ao f h e a t o r g a n i cf i l m s t r e a t e ds a m p l e ss o a k e di ns b ff o r2 4 h 重庆大学硕士学位论文4 实验结果 傅立叶红外光谱分析 图4 ，1 5 是试样在热处理后( 1 ) 、热处理一有机膜表面改性后( 2 ) 和处理试样在 s b f 浸泡2 4 h 后( 3 ) 的傅立叶红外光谱n i ( f t i r ) 。在图4 1 5 中谱线1 、2 、3 中 2 3 6 0 c m 。1 处是c 0 2 的吸收峰。在图4 1 4 2 中，在1 5 2 0 锄。1 和7 9 4c r n d 处的吸 收峰是一c o o - 的特征吸收蜂。这表明在将热处理过的纯镁试样静置在硬脂酸氯 仿溶液中1 h 后，一c o o 。官能团已经自组装吸附在了试样表面，形成了具有羧基 官能团的活化表面。处理过的纯镁在s b f 浸泡2 4 h 后，在1 1 1 0c i l l 1 处出现了p o 。3 。 的不对称吸收峰。表明表面可能有了钙磷基的沉淀 3 8 1 。3 6 9 6 。处为游离羟基 ( o h ) 的伸缩吸收峰。3 3 8 0c r n 。1 处是缔合羟基o h 的特征吸收峰【3 。 在1 4 7 0c m 。处的c 0 3 。的吸收峰表明表面沉积的钙磷盐可能含有碳酸磷灰 石。 图4 1 6 是试样上任意两点a 、b 的f t t r 图，可以看出，钙磷盐在处理过的 纯镁表面没有均匀的沉积。这也可以从侧面解释在对试样表面x r d 检测时，为 什么只是在表面检测到了较少的h a 与o c p 物相。 一一 一_ d 1 _ _ 图4 1 5 试样在( 1 ) 燕处理后，( 2 ) 熟处理有机膜表面改性后和( 3 ) 在s b f 溶液中 浸泡2 4 h 后的f t i r 图谱 f i 9 4 1 5 t h ef t i rs p e c t r ao f s a m p l e sa r e a ( 1 ) b e i n gh e a t - t r e a t e d ；( 2 ) b e i n gh e a t o r g a n i cl a y e r s t r e a t e da n d ( 3 ) f i r s t h e a t - o r g a n i cl a y e r s t r e a t e dt h e ns o a k e di ns b ff o r2 4 h 重庆大学硕士学位论文 4 实验结果 m 4 1 图4 1 6 热处理有机膜表面改性的试样在s b f 浸泡2 4 h 后，试样表面任意两点的f t 皿图谱 f i 酗1 6 t h ef t i rs p e c t r ao f h e a t - o r g a n i cf i k n s t r e a t e ds a m p l e s1 l s i n gf t i r m i c r o s c o p ea f t e rt h e yh a v e b e e ns o a k e di ns b f f o r2 4 h 试样的质量( ) 及溶液中p h 值的变化 图4 1 7 为在s b f 溶液中耐蚀性实验的实验结果。由图可以看出，没有经过 处理的9 9 9 9 纯镁在浸泡实验中出现了严重的腐蚀，质量损失情况十分严重：试 样在浸泡到第十二天时，质量百分比损失已达6 0 。而经过热处理有机膜表面改 性的试样则未出现任何的质量损失。由溶液的p h 值变化可知，未经处理的试样 所在的溶液中p h 值在两天内就达到了9 6 。而经过处理的纯镁所在的溶液p h 变 化较为缓慢，到浸泡的第八天才达到9 - 3 ，并且开始保持恒定。由于溶液的口h 值 的升高主要是因为腐蚀产物m g ( o h ) 2 的增多而引起的，所以p h 的变化也可以 侧面反应出热处理有机膜表面改性的试样与未处理试样相比，具有较为优良的耐 腐蚀性能。 重庆大学硕士学位论文 4 实验结果 ab k l - - - - e - o _ q o _ e _ i - 一0 1 1 1 、1 1 、 2 ：ii?一：_二：二i：二=二：二二： - 9 0 1 - ， 2 1壬u n 。 。a o 弦 l 一一! ：7 7 5 0 l 一一一一 + _ r _ 1 ，1 _ t _ r ，1 一+ 1 r t 1 r t ，r ，r r 1 q z 4691 d 1 z 1 4 o248a1 0 21 州 埘 图4 1 7 对比组试样( 1 ) 与热处理- 有机膜表面改性试样在s b f 溶液中浸泡1 4 天后的 质量变化百分比( a ) 与p h ( b ) 随时间的变化情况 f i 9 4 1 7 t h es p e c i f i c m a s s l o s s ( ) a n d p hv a l u eo f ( 1 ) u n t r e a t e ds a m p l e s a n d ( 2 ) h e a t - o r g a n i cf i l m s - t r e a t e ds a m p l e sa f t e rt h e yw e i es o a k e di ns b ff o r1 4 d 4 2 3 血液相容性试验 表4 1 列出了9 9 9 9 纯镁的溶血率实验结果。由图可以看出，未经处理的纯 镁试样出现了较为严重的溶血现象。而热处理过的试样和热处理一有机膜改性的试 样的溶血率在生物材料允许的 5 的范围之内【4 “，分别为2 2 与0 。以上的 实验结果说明，纯镁经过适当的表面处理后，具有良好的生物相容性。这表明纯 镁是有可能应用在生物材料领域的。 表4 1 溶血率实验结果 t a b l e4 1 t h er e s u l t so f h e m o l y s i st e s t 材料试样数溶血率职( ) 空白对照( p b s 、 30 阴性对照