（材料学专业论文）镁合金表面微弧氧化制备磷酸钙生物活性涂层的研究.pdf

佳木斯大学硕士学位论文 摘要 采用微弧氧化技术、通过微弧氧化电弧的高温烧结作用可以在镁合金表面制备含磷 钙的活性涂层。该方法制备的涂层是一种多孔状，与基体结合牢固，具有陶瓷特性的混 合物，其性能与微弧氧化处理时各工艺参数的选择以及电解液的配方有关。借助扫描电 子显微镜、x 射线衍射仪、磨损试验机等测试技术，对微弧氧化涂层的表面形貌、物相 组成、摩擦系数进行了分析。通过研究微弧氧化参数对涂层形貌、钙磷比以及厚度的影 响，确定了最佳工艺规范。研究涂层在体液环境下的耐腐蚀性能及摩擦磨损性能，并讨 论涂层在模拟体液中的生物稳定性和生物活性。 实验表明：确定磷离子浓度为2 0 9 l 、c a p 比1 5 的c a c 0 3 - n a 3 p 0 4 溶液体系为最 佳溶液；在工艺参数为氧化电压3 5 0 v ，氧化时间1 0 m i n ，脉冲频率5 0 0 h z ，占空比1 0 时，制备了表面多孔分布均匀且富含钙磷的生物涂层，其主要相为镁、氧化镁、磷酸 镁和c a n a p 0 4 。涂层的极化电位为1 3 6 v ，与镁合金基体相比提高约0 2 9 v ，涂层具有 较好的耐蚀性；干摩擦下的摩擦系数分别为0 2 3 ，与镁合金基体相比降低约o 1 5 左 右，涂层具有较好的耐磨性。在模拟体液环境下，涂层表面可形成羟基磷灰石层，具有 一定的骨形成能力。对采用微弧氧化技术在镁合金表面制备含磷、钙活性涂层的机理进 行了初步的探讨，认为电泳理论可以解释电解液中含钙粒子向阳极运动的原因；而电弧 的局部高温使阳极上发生了烧结的过程，从而在镁合金表面形成磷、钙涂层。 采用微弧氧化技术，制备的钙磷涂层具有较好的耐磨性和耐腐蚀性，而且可诱导类 骨磷灰石的生成，表现出较好的生物活性，使其在作为硬组织替代材料方面具有广泛的 应用前景。 关键词：微弧氧化：镁合金：生物涂层；摩擦磨拟；体外模拟 佳木斯大学硕士学位论文 a b s t r a c t a d o p t i n gm i c r o a r co x i d a t i o nt e c h n i q u ea n db yt h es i n t e r i n gf r o mt h ea r ct h ec a l c i u m p h o s p h a t ea c t i v ec o m p o u n dw a sc o a t e do nm a g n e s i u ma u o ys u b s t r a t e t h ef a b r i c a t e dc o a t i n g w a st h ec e r a m i ci n t e r m i x t u r ew h i c hw a sp o r o u sa n df i r m l yc o m b i n e d 、析t ht h em a g n e s i u ma l l o y s u b s t r a t ec o a t e dw i t ht h em o t h c d t h ep r o p e r t yo ft h ec o a t i n gw a sa f f e c t e db yt h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r sa n dt h ed i r e c t i o no ft h ee l e c t r o l y t e b ym e a no fs e a n i n ge l e c t r o n i cm i s c r o s c o p e ( s e m ) ，x - m yd i f f i a c t o m e t e r ( x r d ) ，w e a l t e s t e rm a c h i n ee r e ，t h es u r f a c em o r p h o l o g y ，p h a s e c o m p o s i t i o n sa n df r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h ec o a t i n g sw e r ei n v e s t i g a t e d t h eo p t i m a lt e c h n i c a l c r i t e r i o n sw e r ea s c e r t a i n e da f t e rt h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r so nm a oc o a t i n g ss u c ha ss u r f a c e m o r p h o l o g y ，c a pr a t i oa n dt h i c k n e s sw e r ea n a l y s e d t h ew e a l p r o p e r t i e sa n dt h ec o r r o s i o n r e s i s t a n tp r o p e r t i e so ft h ec o m i n g si ns i m u l a t e db o d yf l u i d ( s b f ) h a db e e ni n v e s t i g a t e d t h e b i o c o m p a t i b i l i t ya n db i o a c t i v i t yo f t h ec o a t i n g si ns b f w e r ed i s c u s s e d t h ee x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e dt h eo p t i m a ls o l u t i o ns y s t e mw a sa s c e r t a i n e dw h e nt h e c o n c e n t r a t i o no fp h o s p h o r u si o nw a s2 0 9 la n dt h ec a pr a t i ow a s1 5i nt h es o l u t i o ns y s t e mo f c a c 0 3 - n a 3 p 0 4 t h eb i o c o a t i n g sw g i gp r e p a r e du n d e rt h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so x i d a t i o n c o n d i t i o n so f3 5 0 vv o l t a g e ，lo m i no x i d a t i o nt i m e ，5 0 0 h zp u l s e d 盘e q 岬m c ya n d10 d u t y r a t i o t h ec o a t i n g sc o n t a i n e de l e m e n t so fc a l c i u ma n dp h o s p h o r u sw e r eu n i f o w n i t ys u r f a c e p o f i f e r o u s t h em a i np h a s e sw e r em g , m g o ，m 9 3 ( p 0 4 ) 2a n dc a n a p 0 4 i nt h em a oc o a t i n g s t h ea n o d ep o l a r i z a t i o np o t e n t i a lo f t h ec o a t i n gw a s - 1 3 6 v ，w h i c hh a db e e no b v i o u s l yi n c r e a s e d b y0 2 9 vc o m p a r e dw i t ht h em a g n e s i u ma l l o yb o d y t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to f t h ec o a t i n g sa t d r yf r i c t i o nw a sa b o u t0 2 3 ，w h i c hr e d u c e da b o u t0 15c o m p a r e dw i t ht h et h o s em a g n e s i u m a l l o yb o d y s oi ti m p l ) - 扣dt h a tt h ec o a t i n g sh a dp r e f e r a b l ec o r r o s i o nr e s i s t a n 觚dg o o dw e a l r e s i s t a n tp r o p e r t i e s t h c , 疆y d r o x y a p a f i t ec o u l db ef o r m e do nt h es u r f a c eo ft h ec ( 1 1 1 j d n n i p g si nt h e s b f t h ec o a t i n g sc o u l di n d u c eaf e w o f h y d r o x y a p a t i t et of o r mo ni t ss u r f a c e ，w h i c hs u g g e s t e d t h a tt h ec o a t i n g sp o s s e s sg o o db o n ef o r m a t i o n a la b i l i t y t h ep r i n c i p i u mo fm i c m a r co x i d a t i o n t e c h n i q u ea d o p t e dt of a b r i c a t e b i om e d i c a lc a l c i u mp h o s p h a t ec o m p o u n dc o a t i n go nm a g n e s i u m a l l o ys u b s t r a t ew a sp r i m a r i l ye x p l o r e d , t h ee o n c l u - s i o nw a sd r o w n , t h a ti st h el g a s 0 nt h a t c o r p u s c u l ew h i c hc o n t a i n e dc a l c i u mm o v i n g t oa n o d ec a nb ei n t e r p r e t e db yt h e o r yo f e l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o n t h ec o r p u s c u l ew a ss i n t e r e dw i t ht h em a g n e s i u ma l l o ys u b s t r a t ef o r t h eh i g ht e m p e r a t u r eo f t h ea r co nt h ea n o d e t h ec o a t i n g sw 9 1 gu p p e rp r e f e r a b l ec o r r o s i o nr e s i s t a n ta n dg o o dw e a l r e s i s t a n tp r o p e r t i e s ， w h i c hw e r ep r e p a r e db ym a o t e c h n i q u ei n t ot h ee l e c t r o l y t e m o r e o v e r , i tc o u l di n d u c eb o n e - 一2 一 佳本瓶大学硕士学位论文 l i k ea p a t i t et of o r m , w h i c hi n d i c a t e dt h a tc o m p o s i t ec o a t i n g sh a dt h ew o n d e r f u lb i o a c t i v i t y 。 t h e r e f o r e , t h ec o a t i n g sw o u l dh a v ee x t e n s i v ef o r e g r o u n du s e 畦f l sh a r dt i s s u ei m p l a n tm a t e r i f l s k e yw o r d s ：m i c r o a r eo x i d a t i o n ；m a g n e s i u ma u o y ；b i o c o a t i n g ；w e a r ；d e v e l o p m e n ta n dm o c k 一3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解佳木斯大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：j 兰蟑 导师签名： 耻 日期：2 , o op 弓。诟 毽本瘊大学颈士学位论文 第1 章绪论 薹。薹引言 生物材料是对生物体进行诊断、治疗和鹫换损坏的组织、器官或增进其功能的一类 材料。随着人类社会豹进步及生活水平的提高，活动空闻的扩展和饮食结构的变化，使 创伤成为一个严重的社会问题，尤其是骨损伤和骨缺损是很常见的事件。因此临床上越 来越广泛地采用人工割备的材料作为骨缺损修复替代材料。瑟植入的生物材料基前瑟临 的最为严重的问题就是涂层与基体的结合强度低，且相容性较差。同时硬骨组织骨替代 材料在植入人体后，长期在人体环境服役条件下，就会不断的发生腐蚀及磨损现象，造 成了植入材料在体内大量的损耗。因此有必要在研究生物复合材料表面涂层的基础上进 一步考察材料在体液环境下的腐蚀及摩擦学行为。通过对金属材料的表面改性可有效地 改善它的各种性能，使基体的金属特性与基体的表层生物活性校好的结合起来。对金属 表面进行改性处理，在获得适宜的表面组成、结构形态及表面性能的同时改善和提高植 入物的生物活性。微弧氧化是一静表面改性的新技术，为在镁合金表蘧刳备磷酸钙类涂 层方面提供一种新的发展方向，如若实验成功并应用于临床，则具有重大的现实意义。 1 2 生物医用材料概述 1 2 1 生物医用材料的定义 生物材郴i o m a t e r i a l s ) 又称生物医焉材$ 1 旧i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) ，它是指用于医疗的 能植入生物体与生物组织相结合，具有一定的化学物理特性和在生物环境中的长期稳定 性，对生物体进行诊断、治疗和置换损察：组织、器宫或增进其功能的材糕瑟2 1 。相对于 传统材料如金属、陶瓷、高分子等，人们可生物材料较为陌生，但生物材料与人类自身 息息相关。生物材料学是材料科学和生命科学的交叉前沿领域，是- - i - j 涉及生物材料的 组成结构、性能与制备相互关系和规律的科学，其主要目的是分析天然生物材料微组 装、生物功能及形成机理，发展新型医用材料以用于人体组织器宫修复与替代，发展仿 生高性能工程材料。生物材料通常有两种定义，一种指天然生物材料，如结构蛋自( 胶 原纤维、蚕丝等) 和生物矿物( 骨、牙、贝壳等) ；另一种指生物医用材料。近年来随着医 用材料的快速发震，生物医属材料也在不断的被重新定义。上个世纪，十年代末，美国 c l e m s o n 大学生物材料顾问委员会定义为“与活体结合的人工非生命材料，九十年代 初，美嗣j b l a e k 教授在它的著作中定义为“用于取代、修复活组织的天然或人造材 佳木斯大学硕士学位论文 料 。随着材料科学与生物科学的发展，可以预见，天然与人造材料问将会有越来越多 的交叉与重叠，生物医用材料正延伸为天然活性材料与无生命材料结合的杂化材料。 1 2 2 生物医用材料的应用 器官的衰竭和组织的缺损是威胁人类健康的严重问题之一，对此类患者的常规治疗 方法是进行组织或器官移植，但供体极为有限，例如美国1 9 9 6 年约5 万患者登记要求 进行器官移植，但供体器官不足7 5 0 0 个，因此对患者只能采用其它方法。随着生物医 用材料研究的深入开展，今天除了大脑，几乎所有人体器官都有人造代用品，他们都是 用生物医用材料制造的。金属、陶瓷、高分子及其复合材料是应用最广的生物医用材 料。在过去2 5 年中，生物材料领域得到快速发展，己成为医学工业领域重要的组成部 分。现在，已有种类繁多的金属、陶瓷、高分子用于制作医学专家的医疗设备【3 】。每年 全世界用于硬组织修复和置换的医用材料工业产值为2 3 亿美元，并以每年7 - - - , 1 2 的 速率增长降5 1 。因此，生物医用材料的临床应用己不仅仅是学术问题，而与人类本身关 系密切。 1 2 3 生物医用材料的分类 生物医用材料有许多种分类方法，常见的有下面几种： 根据生物医用材料的成分和性质，可分为医用金属材料、医用高分子材料、生物陶 瓷材料、它们结合而成的生物医用复合材料，以及将天然生物组织经过特殊处理后用作 医用材料的生物衍生材料。 根据临床用途【2 】，可分为骨、牙、关节、肌键等骨骼肌肉系统修复材料和替换材 料，皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胧等软组织修复替换材料，人工心瓣膜、血管、心 血管内插管等心血管系统材料，血液净化膜和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜 等医用膜材料，组织粘合剂和缝线材料，药物释放载体材料，临床丐断及生物传感器材 料，齿科材料等。 根据材料的生物性能，生物材料可以分为生物惰性材料和生物活性材料两大类1 6 】： 生物惰性材料( b i o i n e r t r m a t e r i a l s ) 是指一类在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发 生微弱化学反应的生物医学材料1 6 】。实际上，完全惰性的材料是没有的，生物惰性材料 在机体内基本上不发生化学反应和降解反应。它所引起的组织反应，是围绕其表面形成 薄层包被性纤维膜，与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面所形成一种机 械嵌联，即形态结合。氧化物陶瓷、医用碳素材料及大多数的医用金属材料都是生物惰 性材料。 佳木斯大学硕士学位论文 生物活性材料( b i o a c t i v e m a t e r i a l s ) 是一类能诱出或调节生物活性的生物医学材料【7 】； 是一类能在材料界面上诱出特殊生物反应的材剃引。这种反应导致组织和材料之间形成 键接。一些生物医用高分子材料，如天然高分子材料、合成的多肽、仿酶、仿核酸和可 降解的合成高分子材料，或是由于它们的显微结构、表面电荷、键的形成而表现出生物 活性；或是可以作为活性物质的载体；或是可以从其自身构成的基体以及通过酶解、水 解等机制控制释放活性物质而起着诱出或调节生物活性的作用，都被视为生物活性材 料。可吸收生物陶瓷，如b 磷酸三钙等，在体内可被降解吸收并随之为新生组织所替 代，也可认为起了诱出一种特殊的生物反应的作用，所以常被划属生物活性陶型8 9 j 。 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，c a l o ( p 0 4 ) “o h ) 2 ) ，简称吣属六方晶系，是目前研究 最多的生物活性材料之一，是最有代表性的生物活性陶瓷，也是脊椎动物骨和齿的主要 无机成分，约占骨组织的7 5 左右，结构也非常相近，与动物体组织有极好的生物相容 性、无毒副作用、界面活性优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料【1 0 , 1 1 】，因此 可广泛应用于生物硬组织的修复和替换材料，如口腔种植、牙槽脊增高、耳小骨替换、 脊椎骨替换等多个方面【1 2 】，又因为该材料受到本身脆性高、抗折强度低的限制，因此在 承重材料应用方面受到了限制。目前制各多孔陶瓷和复合材料是该材料的重要发展方向 1 3 , 1 4 1 ，涂层材料也是重要分支之一【1 5 ，16 ，1 刀。但该材料的力学性能差，抗折强度和断裂韧 性指标均低于人体的致密骨，因而限制了人体负重较大部位的使用【1 8 】。 人体骨的主要有机相为胶原纤维，成熟骨的主要部分由羟基磷灰石晶体紧密地嵌入 胶原基体中构成。多孔h a 植入生物体内后，能使界面的软硬组织都长入空隙内，形成 纤维组织和新生成骨组织交叉结合状态。这种界面能保持正常的代谢关系，保持骨材料 的界面结构具有生理性结合。极其有利于人体组织的康复，己成为生物医学材料研究和 发展的一个主要领域，被认为是最有请途的陶瓷人工齿与人工骨置换材料。但纯h a 生 物陶瓷抗弯强度低，脆性大，在生理聊境中的抗疲劳性不高，到目前为止，羟基磷灰石 陶瓷仍难以用于承重部位( 如人造牙齿和人工骨) 的移植体，其在医学上的应用仅限于非 承重部位、低承重部位移植体和粉末及涂层材料。因此需要有一种对h a 增韧的复合材 料，不仅兼具各组分材料的优点，而且能得到单组分材料不具备的新性能，在生物学性 能和力学相容性上更好地满足临床需要。 因此，采用有效方法在金属表面涂覆以生物活性羟基磷灰石涂层进而得到的金属基 复合生物材料，使其兼备金属材料的强度，韧性和羟基磷灰石的表面活性及生物相容性 也就成为现在的生物材料研究的一个重点。 佳木斯大学硕士学位论文 1 2 4 生物医用复合材料 1 2 4 1 生物医用复合材料概述 生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料1 9 】要用于 修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。不同于一般的复合材 料，生物医学复合材料除应具有预期的物理化学性质之外，还必须满足生物相容性的要 求。为此，不仅要求组分材料自身必须满足生物相容性要求，而且复合之后不允许出现 有损材料生物学性能的性质。 医用高分子材料、医用金属和合金以及生物陶瓷均可既作为生物医学复合材料的基 材，又可作为其增强体或填料，它们相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医学复 合材料。利用生物技术，一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子被引入了生物 医学材料，大大改善了其生物学性能，并可使其具有药物治疗功能，己成为生物医学材 料的一个十分重要的发展方向。它们也可视为一类新型的生物医学复合材料。 根据材料植入体内后引起的组织反应类型和水平，生物医学复合材料可分为近于生 物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收的三种基本类型 2 0 , 2 1 1 。沿用复合材料的一般 分类方法，生物医学复合材料按基材类型，又可分为高分子基、陶瓷基、金属基等类 型；按增强体或填料性质又可分为纤维增强、颗粒增强、相变增韧、生物活性物质充填 等类型 2 0 1 。其中，通过表面改性获得生物相容性好的的医疗器件是一种很实用的技术。 对金属表面进行改性处理，可使其获得适宜的表面组成、结构形态及表面性能，可以改 善和提高植入物的相容性。人和动物体中绝大多数组织均可视为复合材料，生物医学复 合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径。 1 2 4 2 表面改性在生物医用复合材料中的应用 生物醋胃复合材料兼顾了材料的力学性能和生物化学性能，j 亘很难同时具有良好的 体性能和表面性能。例如，金属、陶瓷和高分子材料作为医用植入物各有其优缺点：金 属和陶瓷在负荷医疗领域己得到了广泛的应用，但是金属易磨损和腐蚀，而陶瓷则脆性 大：高分子由于具有独特的柔韧性而在软组织修复方面大显身手。但是高分子材料在硬 度和韧性上也有自身的使用局限性。因此，目前生物医用复合材料的研制正朝着多种材 料复合、性能互补的方向发展。其中，通过表面改性获得生物相容性好的生物材料是一 种很实用的技术。由于植入材料和人体的相互作用仅在表面的几个原子层处，故表面改 性技术应运而生。通过对金属材料的表面改性可以有效地改善它种性能，使基体的金属 特性与基体的表层生物活性很好地结合起来。对金属表面进行改性处理，可以使其获得 适宜的表面组成、结构形态及表面性能，可以改善和提高植入物的生物相容性田】。 佳木斯大学硕士学位论文 骨替换材料的表面改性是目前研究的一个重要方向。骨替换材料植入人体后，与骨 组织的结合方式分为形态固定、生物固定和骨键合。后者也称生物活性结合。由于医用 金属材料的结构和性质与骨组织相差很大，通常不能像生物活性材料那样与骨组织发生 化学键性结合，即它不是生物活性材料。为了赋予金属材料以生物活性，已经研究开发 了多种进行表面活化处理的工艺技术。其中，对于骨、齿等硬组织植入材料来说，可以 通过各种表面涂层或薄膜技术在金属基体表面制备生物陶瓷涂层，由此制成的复合材料 作为植入物，既具有金属的强度和韧性，表面又具有较好的生物相容性。 在金属基体上制备生物活性陶瓷涂层是目前研究较多的方法之一。应用上主要分为 两类：一是在医用金属材料表面上涂覆h a 或其他磷酸盐涂层；二是针对钛和钛合金进 行特有的生物活化处理，即在钛表面制备活性二氧化钛层。目前，研究者们对在金属基 体上制备生物活性陶瓷很感兴趣。其中，羟基磷灰石涂层或薄膜是目前国内外研究最多 的一种生物活性陶瓷。它与人体骨、齿中的无机成分接近、植入后能够诱导出新的骨、 齿长出、可以获得较好的植入物一骨结合界面【2 3 1 。 1 2 4 3 表面活化改性方法 在生物医学工程中，表面改性一般用于提高植入物的耐磨损性、抗腐蚀性和生物相 容性，改性后的表面一般呈“生物惰性 或“生物活性”，形成生物活性陶瓷涂层材料 阴】。生物陶瓷涂层材料是采用一定的工艺方法，在机械承载好、生物相容性差或仅具有 生物惰性的金属基材表面形成一层生物相容性好的生物陶瓷涂层的复合材料。该材料既 具有金属或合金的强度和韧性，又具有表面的生物活性，同时表面覆盖层的存在还阻止 了金属离子向周围组织泄出。因而，生物陶瓷涂层材料已被广泛地研究和应用。利用表 面改性技术提高医用材料的生物相容性，近几年来，国内外学者己经进行了较多的研 究。尤其是对于骨、齿等硬组织植扣物的表面改性，在金属基体上制备生物活性的羟基 磷灰石涂层，似乎己众所周知，然而，如何获得与基体结合力强、高质量的羟基磷灰石 膜，还需在改性工艺上进行探索。 目前，表面改性技术有很多种。大致可分为干法及湿法两大类m j 。干法是在气相中 进行各种反应或沉积，有等离子喷涂法、溶胶凝胶法、物理气相沉积法、化学气相沉 积法和激光熔覆法等；湿法是从液相中发生各种化学反应而进行表面改性的技术，水热 合成法、电泳沉积和电化学沉积法、自组装单层膜法等。 等离子喷涂( p s c ) 是当前应用晟广的“干法 2 4 1 。等离子喷涂利用电极间的高电势 差产生电弧放电( 1 0 0 0 0 * c ) ，将电极周围的气体电离成等离子体，再以高速撞击悬浮的 h a 粉使之沉降于金属表面。它能在基体与h a 层之间提供很高的结合力，并能获得覆 佳木斯大学硕士学位论文 盖完整的涂层( 4 0 巧4 岬) 瞄】。喷涂材料m 粉) 则以气体做为载体，在吸入等离子射流中 经过高温熔融后高速冲撞在底材表面上形成陶瓷涂层瞄】。但等离子喷涂是一个高温过 程，存在着密度不均匀、结构不一致、结合强度变化幅度大等缺点，并且在喷涂过程中 羟基磷灰石会发生分解【2 瑚捌，有可能导致在体液环境下的脱溶现象。经过处理后的结 晶态的羟基磷灰石涂层具有很好的稳定性，但相对于无定形态的羟基磷灰石涂层，由于 其表面致密度的提高，减损了它的成骨诱导性 3 0 , 3 1 1 。目前，等离子喷涂技术制备的 t i h a 材料最为成功，国际上比较流行的种植系统主要有三个：( 1 ) 德国的非亚太克i i 系 3 2 1 ；( 2 ) 瑞士的m 系；( 3 ) 美国的s t e r i - o s s 系【3 3 】。 溶胶凝胶法通过改变热处理温度、保温时间以及涂层溶液中的有机添加剂，可以 改变涂层中相的结晶度、相的种类、孔隙的大小等微观特性参数。此方法可以制备磷酸 钙陶瓷涂层。该法是将涂层配料制成溶胶，使之均匀覆盖于基体表面，由于溶剂迅速挥 发，配料发生缩聚反应而胶化，再经过干燥和热处理即获得涂层嗍。 激光熔覆法是在基底材料表面上预先涂覆一定配比的c a h p 0 4 2 1 2 0 和c a i - i p 0 3 混 合粉末，然后用激光器进行多道搭接熔覆处理，使合成与涂覆h a 一步完成。合成的原 理为1 3 5 j ：c a h p 0 3 + 4 c a c 0 3 - - - ) c a l o f p o , ) 6 ( o n ) 2 + 2 h 2 0 + 4 c 0 2 此方法值得的涂层与基底 结合良好，不仅硬度高、强度高、韧性良好，而且改善了植入材料弹性模量与生物硬组 织的匹配性，当涂层均匀性和稳定性较难控制。脉冲激光融敷( p l d ) 在低输出功率、高 扫描速度的脉冲激光照射下，将h a 粉融敷在基体表。这种方法可以精确控制涂敷过程 中产生的相及c a - p 比形成结晶态h a 层( 约1 0 “m ) ，降低体液中脱溶的可能性，而且整 个过程中h a 官能团不会发生明显改变，所以性能相对稳定。其缺点是它提供的基体 h a 层结合力不强，受力易脱落，另外在融敷过程中还可能会使h a 层因过冷而形成非 晶态，已致涂层结构不一致，甚至出现裂纹 3 6 , 3 7 , 3 8 热化学方法被认为是成型多孑lh a 涂层的较为有效的方法。据报道，可用热化学方 法在铝、钛等基体上制备h a 涂层。工艺过程是将金属基底及乙二胺四乙酸钙和磷酸二 氢钠的混合液密封于高压釜中，用氢氧化钠调节p h 值，把p h 值调节在3 4 - - - 1 0 0 范围 内，温度控制在1 4 0 - - 2 0 0 ，金属表面便会形成h a 涂层。基底为铁时，与基底接触 的h a 涂层的晶粒形状是一薄层细小的等轴晶粒；当基底是铝、钛、铜时，界面上h a 涂层的晶粒形状为针状，形成的涂层一般要进行热处理，以使非晶态的磷酸钙向晶态的 磷酸钙转化，涂层成分均匀化、界面结合强度进一步提高 3 9 1 。热化学方法制备涂层的设 备简单、操作容易、生产成本低、涂层与基底结合强度高，是生产涂层材料的常用方 法。 一6 一 佳木斯大学硕士学位论文 电泳沉积和电化学沉积法是“湿法 应用最广泛的种方法。与干法相比湿法由于是 在较低温度下( 电解液中) 进行，所以涂层内不存在残余应力：湿法可以在形状复杂的基体 上制备涂层；此外，一般情况下与干法相比湿法所用设备简单、操作方便。 电泳沉积技术是制备功能陶瓷金属( 合金) 复合材料的重要方法。应用该技术可以得 到具有特殊结构的复合材料，如层状或树轮状结构的复合材料、功能梯度材料等。电泳 沉积是指两个过程的综合。电泳是指在外加电场的作用下，胶体离子分散在介质中作定 向移动的现象，沉积是指胶体聚沉成较密集的质团的过程。电解质的浓度增加可诱发胶 体体系的聚沉，而外电场的作用可使电极附近电解质浓度增加，从而使粒子在作为电极 的试样表面发生絮聚、沉积于试样表面。与等离子喷涂等干法相比电泳沉积最大的缺点 是一般情况下涂层与基体之间不能产生牢固的结合，需要作后续的高温烧结处理。 电化学沉积根据陶瓷涂层的组成和性能，可选择水溶液或非水溶液体系进行电沉 积，有阴极沉积和阳极沉积两种。制备羟基磷灰石生物陶瓷涂层采用阴极沉积法：把待 沉积的阴离子和阳离子溶解到水溶液或非水溶液中，同时在溶液中加入含有易于还原的 某些分子或原子团，在一定的温度、浓度和溶液的p h 值等实验条件下，控制阴极电流 和电压，就可在基体表面沉积出生物陶瓷涂层。电沉积法的机理目前尚不清楚，其缺点 是：沉积过程存在边缘效应，对电极要求高；在水溶液中得到的沉积层较厚，容易集聚 较大的颗粒而使得涂层与基体的结合力下降；此外，由于水被电解放出氢气，而使涂层 结构疏松。 目前，采用制备生物陶瓷复合涂层材料的几种主要方法，无论是“湿法 还是“干 法，制备的金属基生物陶瓷涂层复合材料都存在着一个界面结合问题。因基材与涂层 材料的弹性模量及热膨胀系数等物理和力学性能差别很大，界面间受力状况难以配匹， 致使临床应用中容易出现涂层脱毒等现象。因此，如何保持涂层组织的生物相容性，品。 时使涂层与基材界面形成牢固的冶金结合，是制备生物陶瓷涂层材料的关键问题。从临 床应用角度讲，对金属基生物医用复合材料有三方面的要求：一是陶瓷层与基材有很好 的结合；其二是陶瓷层中h a 的含量一般要高于7 0 0 , 6 ；其三是复合材料可以加工成植入 体所需的形状。对于目前普遍采用的等离子喷涂、激光熔覆和电泳沉积等制备h a 涂层 的方法，尽管都有各自的优缺点，但要同时满足以上三个条件还存在着不可克服的困 难。例如电泳沉积的涂层结合强度低，仅能达到8 - 9 m p a 激光熔覆是线性的，难于解决 不规则的形状的表面涂覆，h a 分解严重。 佳木斯大学硕士学位论文 1 2 5 镁及镁合金的生物医用 1 2 5 1 镁及镁合金的生物医用现状 从近十几年来国内外各方面对镁及镁合金的报道不难发现，镁作为医用植入材料， 与现在已投入临床使用的各种金属植入材料相比，具有以下突出的优点：资源丰富， 价格低廉，金属镁锭的价格在2 万元吨以下，而钛锭的价格在6 万元吨以上【柏】；良 好的生物相容性和生物可降解性【4 l 问；是人体内仅次于钾、钠、钙的细胞内正离子， 参与蛋白质合成，能激活体内多种酶，调节神经肌肉和中枢神经系统的活动，保障心肌 正常收缩。镁几乎参与人体内所有新陈代谢过程【4 3 】，初步的细胞毒性研究表明：镁对于 骨髓细胞的生长没有抑制作用，也没有发现细胞溶解现象1 4 4 1 。最近还有研究者指出：金 属镁可以促进骨细胞的形成，加速骨的愈合等。 目前，国内将镁及镁合金作为生物医用材料的研究和应用还很少，主要是因为镁的 化学性质极为活泼，其标准电极电位为- 2 3 7 v 。镁在腐蚀介质中产生的氧化膜疏松多 孔，不能对基体起到良好的保护作用，尤其是在含有c l 的腐蚀介质中，m g o 表面膜的 完整性会遭到破坏，导致腐蚀加剧m 。所以，将镁及镁合金作为长期植入材料还存在一 定的困难。但随着研究的深入，发现通过提高镁及镁合金的耐蚀性，可以实现其作为长 期植入材料的应用。另外，根据镁及镁合金的耐蚀性能较差的特点，有望将其发展成为 生物医用可降解植入材料及器件1 4 引。 ( 1 ) 骨固定材料 目前，广泛应用于骨板、骨钉的生物医用材料主要是钛及钛合金、不锈钢及聚乳酸 等。但是，这些材料都存在一定的局限性。钛及钛合金、不锈钢等金属材料会发生应力 遮挡效应，即将金属材料植入人体后，因其与人骨材j ：；的弹性模量不匹配产生的人骨 受丁陂遮挡效应 4 6 1 ，会使骨骼强度降低、愈合迟缓。币霖乳酸等高分子材料力学性能 差，很难承受较大的负重。因此，需要发展新的骨固定材料，即既要有类似于人骨的力 学性能，又要有良好的生物相容性，并且不产生毒性。研究表明镁及镁合金有可能作为 新的骨固定材料，因为镁及镁合金有高的比强度和比刚度，纯镁的比强度为 1 3 3 g p a ( g e m 3 ) ，而超高强度镁合金的比强度已达到4 8 0 g p a ( g c m 3 ) ，比t i 6 a 1 4 v 的比 强度( 2 6 0 g p 叭g i 锄3 ) ) 高出近1 倍1 4 7 。镁及镁合金的杨氏模量约为4 5 g p a ，更接近人骨的 弹性模量( 2 0 g p a ) ，能有效降低应力遮挡效应。镁与镁合金的密度约为1 7 9 c m 3 ，与人骨 密度( 1 7 5 9 c m 3 ) 接近，远低于t i 6 a 1 4 v 的密度( 4 4 7 9 e r a 3 ) ，符合理想接骨板的要求【4 引。 因而用镁及镁合金作为骨固定材料，能够在骨折愈合的初期提供稳定的力学环境，逐渐 而不是突然降低其应力遮挡作用，使骨折部位承受逐步增大乃至生理水平的应力刺激， 佳木斯大学硕士学位论文 从而加速愈合，防止局部骨质疏松和再骨折【4 9 】。因此，镁及镁合金作为骨损伤后的固定 材料，具有很多优于其他金属生物医用材料的性能。 ( 2 ) 骨组织工程多孔支架材料 骨组织工程是通过在生物材料支架上种植细胞，在体内或体外培养活体组织，再将 它们植入缺损或病变部位，以修复缺损或病变骨组织。因此，骨组织工程支架首先应是 能使细胞粘附、分化、增殖或迁移的载体，所以，支架的多孔性是非常重要的孔径大 小影响细胞的长入和支架的内表面积。具有较大内表面积的支架可培养更多的细胞，为 再生器官提供足够的细胞1 5 0 。目前已被发展为硬组织工程支架的多孔生物陶瓷和聚合物 支架可以促使骨质和组织在其孔内生长，使损伤较快恢复，但力学性能差。因此，发展 新的骨组织工程支架材料，需要它既要有良好的力学性能，又要有类似于骨的多孔结构 和生物可降解性能。近期的研究表明，镁的性能基本符合骨组织工程多孔支架的要求， 即较低的弹性模量和适当的强度，良好的生物相容性、生物可降解和可吸收性等【4 1 4 2 】。 因此镁及镁合金有条件成为一种理想的替代骨组织的工程支架材料。c e w e n 【5 l 】研究发 现，通过改变多孔镁的孔隙率可以使其力学强度达到多孔骨的范围，当孔隙率为3 5 、 平均孔径为2 5 0 1 a m 时，多孔镁的杨氏模量可达到1 8 g p a ，强度为1 7 m p a 。但是，将镁 及镁合金作为骨组织工程多孔支架材料也会面临很多问题，如骨组织工程支架是与体液 直接接触的，由于血液中存在c r ，支架材料会以很快的速度降解，降解过程中还会产 生氢气等，这都会对周围的组织造成影响【5 2 1 。 ( 3 ) 冠状动脉植入支架材料 冠状动脉内支架植入术最早于1 9 8 6 年由s i g w a r t 及其同事使用网状管型金属丝置入 冠状动脉内，旨在减少冠状动脉成形术后管腔的弹性回缩，可用于治疗各种类型的心绞 痛、急性心肌梗死等【5 3 1 。目省。；治疗心脏动脉血管狭窄的主要方法是长期植入刍届支 架。然而，金属支架的植入仍存在一些不足之处，如形成血栓导致植入部位血管的再狭 窄，长期局部炎性反应，对周围组织有刺激作用，支架植入处与无支架处的机械行为不 匹配等，使其长期使用成为问题。所以发展一种人体可降解吸收的材料作为冠状动脉支 架材料成为迫切需要。对于发展较为成熟的生物可降解高分子材料，由于其力学性能达 不到要求，为了提高支架的强度必须增大体积，这就限制了这类材料的使用范围，而且 可降解高分子支架在降解期间还可能会引起急性和长期炎性反应【5 2 1 。近期有研究者提出 将镁及镁合金作为可降解血管支架材料【5 2 1 ，镁是人体必需的常量元素之一网，因此其 腐蚀产物是生物可吸收的，力学性能也符合植入材料要求。而作为支架，由于血液的流 动性，降解过程中产生的氢气可能不会成为发展可降解金属镁支架研究面临的主要问 一9 一 佳木斯大学硕士学位论文 题。bh e u b l e i n 5 4 将镁合金植入鼠心脏血管处，研究了镁合金在鼠体内的炎症反应和植 入期间因金属腐蚀而生成氢气的影响，认为生物可吸收镁基合金有可能成为一种用于制 作心血管支架的新型材料。但在研究这种新材料时必须注意，体外模拟可降解实验过程 并不能用于预测体内腐蚀情况【5 5 1 ，且体内情况又相当复杂，因此镁作为可降解材料的应 用将面临较大的困难。 镁是人体内必需的元素，而且通过改变镁合金的成分和表面处理可以使镁及镁合金 具有很好的耐蚀性，所以除以上提及的几种植入材料外，在其他方面还可以考虑用镁及 其合金作为植入材料，如口腔植入材料和整形外科材料等。 1 2 5 2 镁合金的腐蚀防护技术 镁及镁合金的耐蚀性能较差，很容易发生点蚀，在有c l 存在的腐蚀环境中腐蚀速 率更快，且在周围介质的p h 值低于1 1 5 时，镁合金在人体内的腐蚀会加快。人体内的 p h 值约为7 4 ，在手术后的人体代谢吸收过程中可能会引起人体内二级酸液过多症，使 体内环境的p h 值低于7 4 ，所以镁合金作为植入材料在体内会加速腐蚀嗣。虽然镁是 人体的常量元素，但吸收过量镁离子对人体也是有害的。因此，对镁和镁合金腐蚀本质 的研究以及表面改性技术的完善成为镁和镁合金在生物材料领域应用的关键。传统的镁 合金表面改性方法有很多，但作为生物材料长期( 或临时) 与人体接触时，必须充分满足 与生物体环境的相容性。通过物理、化学、生物等各种技术手段改善材料表面性质，可 有效改善生物材料与生物体的相容性。 提高镁合金的耐蚀性对于医用镁金属植入材料是十分重要的，目前发展的镁合金腐 蚀防护方法主要包括以下几个方面。 、 ( 1 ) 提高合金纯净度。影响镁合金耐蚀性的最重要因素之一是其中的杂质含量，尤其 一，嚏有害元素如f e 、n i 、c u 和c o 的含量。因此控铝i 呷金中有害元素的含量在容许极限 以下，降低冶金中重金属杂质的含量，可有效提高合金的耐腐蚀性制卯】。 ( 2 ) 合成保护性膜层或涂层。保护性膜层或涂层主要包括化学转化膜层和有机膜层。 化学转化是通过化学或电化学反应在基体金属表面形成防护膜层的方法。实际应用最多 的铬酸盐处理工艺中含c ，离子，有毒性，污染环境并危害人体健康，不适合作为医用 镁合金的表面处理方法【5 8 l 。后来逐渐发展了处理液以高锰酸盐、可溶性硅酸盐、硼酸 盐、硫酸盐、磷酸盐、氢氧化物为主的表面处理方法。a m yl r u d d 掣5 9 】应用稀土转化 技术在镁表面生成了一层保护性膜，发现处理后的镁合金耐蚀性能显著提高。镁合金的 化学转化膜具有多孔的特点，一般作为基底，需要进一步的封闭处理。通常采用乙烯树 佳木斯大学硕士学位论文 脂、聚氨酯以及橡胶等材料获得有机涂层防护膜，但是有机涂层及特