生物医用材料

. 生物医用镁合金材料的应用及抗腐蚀性研究进展 李传福，李艳芳 (潍坊工程职业学院山工机电工程学院，山东潍坊262500) 【摘要】生物医用镁合金材料因为具有一系列优异的性能，被广泛地运用在骨内植物、骨组织工程支架、心血管支架、牙种植材料、口腔修复材料等领域，引起国内外科研人员的大量研究。主要介绍镁合金在医用材料中的应用，并对其抗腐蚀性研究现状进行简单叙述。 【关键词】生物医用材料;镁合金;应用;腐蚀 【中图分类】TG146 【文献识别码】A 【文章编号】2095-3518(2015)04-31-021.镁合金在生物医用材料中的应用 目前医学上应用较多的生物材料，主要有多聚体材料、陶瓷材料、金属材料等，其中多聚体材料在医学生已经得到应用，但其降解产生的酸性环境，很容易诱发炎症，同时这类材料负重能力差，不能运用到承重部位，从而限制了其应用;生物陶瓷材料虽然生物相容性很好，但其负重能力差，极脆，易碎，在骨植人器械的运用方面受到很大的制约;与多聚体材料和生物陶瓷材料相比，金属材料的负重能力强，因为其机械强度高，断裂韧性强，其中不锈钢、钦和钻铬合金等是已经临床应用的金属材料，然而此类金属材料会在腐蚀或磨损的过程中产生有毒的金属离子或者金属颗粒，产生可导致组织缺损以及降低生物相容性的炎症级联，同时该类材料的弹性模量和正常骨组织的弹性模量也不是很匹配，容易产生应力遮挡效应，也不利于新的骨组织的生长和塑性，稳定性降低，不仅如此，患者伤愈后还要经过二次手术取出金属材料，承受二次痛苦以及手术费用1-4。 与已经用于临床的不锈钢、钦和钻铬合金等金属材料相比，生物镁合金具有特殊的优势:首先，镁合金的弹性模量与人骨的弹性模量差不多，可以有效的减弱其它金属骨植人材料植人中存在的应力遮挡效应;其次，镁的生物相容性高，因为镁本来就是人体的基本元素，新陈代谢和骨组织都离不开镁，它还是人体内合成卵磷脂酶的激活剂，镁在一个成年人身体中的含量大约在20克一30克，其中近四分之三以上的镁以磷酸盐的形式参与骨骼和牙齿的组成，可见镁对人体的重要性5、6。很多研究都已经表明镁合金具有良好地生物相容性，不仅如此，镁合金还有第三个优势，就是其平衡电极电位低，这一优势可以让病人免于二次手术，因为镁合金很容易在人体体液中腐蚀降解，生物医用镁合金由于其特殊的性能，引起了广大科研工作者的兴趣，镁元素是人体必须的常量元素，是人体蛋白质、糖类、脂类、核酸等新陈代谢以及神经肌肉传导收缩必不可少的元素，在骨细胞的再生中发挥着重要的作用，镁合金作为骨内植人材料，生物相容性较高，可以加快骨组织的愈合能力;作为心血管支架材料的话，可以减少血管内增生、晚期血栓等间题，被誉为“革命性的金属生物材料”7、8。然而镁合金的耐蚀性差、腐蚀不均匀成为制约其广泛应用的“短板”，为了保护镁合金的基材，提高它的耐腐蚀性，通常会采用化学转化法，热喷涂法、气相沉积法、激光表面改性法，离子注人法，阳极氧化法，镀层法等表面处理方法对镁合金表面进行处理，从而生成表面保护膜，保护镁合金基体9、10。2医用镁合金的抗腐蚀性研究 镁合金作为生物医用植人材料，腐蚀速率大，腐蚀不均匀，成为制约其发展的障碍，开发行之有效的提高镁合金耐蚀性的方法，少十掌握镁合金腐蚀机理机制，是生物医用镁合金材料函待解决的间题11、12。 (1)镁合金的提纯 镁合金材料中的杂质元素，如Fe,Ni,Cu,Co等，影响镁合金的耐腐蚀性能，这些杂质元素在镁合金材料中表现出较强的阴极特性，能够在合金表面形成微电池，从而降低了镁合金的耐腐蚀性能，因此控制镁合金中这些有害元素的含量在允许的极限以下，选用高纯的镁合金原料，改善熔炼工艺，控制熔炼过程中的杂质含量有利于提高生物医用镁合金的的耐腐蚀性。 (2)镁合金的合金化 Ca元素和低毒的稀土元素是镁合金理想的合金化元素。Ca元素人体的基本元素，能够与K,Na等元素一起调节人体神经和肌肉的活动，Ca也是人体骨骼的主要成分，适量的Ca可以提高镁合金的耐腐蚀性。稀土元素的低微合金化是开发耐腐蚀生物医用镁合金的一个重要方向，很多稀土元素具有较低的毒性，可以用来提高镁合金的耐腐蚀性，研究表明适量稀土元素的加人，不但可以有效提高镁合金的耐腐蚀性能、力学性能以及生物相容性，让生物医用镁合金均匀缓慢的降解，而且还有利于提高生物植人体的抗凝血行为。 (3)表面改性 表面改性技术能够有效改善生物医用镁合金的耐腐蚀性能，而且一定程度上可以提高其生物相容性。在镁合金的表面构建生物活性涂层，可以提高镁合金的生物相容性，促进植人材料与骨组织之间形成直接的化学键性结合，有利于植人镁合金早期的稳定，延缓镁合金基体在体内的腐蚀以及降解速率。目前使用的表面涂层材料主要为生活活性陶瓷、生物活性高分子材料、阳极氧化膜和化学转化膜，此外金属镀层和惰性生物陶瓷涂层等也有一定的发展。 (4)仿生经基磷灰石涂层 经基磷灰石，分子式为Ca,o(PO4)(OH)=,具有良好的生物相容性和生活活性，而且对人体无毒无害，是人体骨骼的主要替代材料，用经基磷灰石在镁合金表面进行镀层，不但能够提高镁合金的耐腐蚀性能，而且还能够提高镁合金的生物相容性。 (5)热处理技术及形变加工工艺 热处理技术可以让合金中的杂质元素及第二相固溶到晶粒的内部或均匀弥散分布，从而改善镁合金的微观组织结构，降低电偶腐蚀的发生几率;轧制、挤压等加工工艺能够让镁合金晶粒细化，提高合金的致密度，减轻成分偏析，从而使合金微观结构更加均匀，提高了镁合金的耐腐蚀性能。3新型高性能生物医用镁合金Mg-Nd-Zn-Zr基合金上海交通大学目前已经研发出来新的高性能的生物医用镁合金JDBM,少十申请了国内专利保护以及国际的专利保护，JD-BM是Mg-Nd-Zn-Zr基合金，他们从原子，分子的角度对镁的变形机制进行研究，J十且通过选择拥有良好生物相容性的合金元素对镁进行实验，最终研发出具有良好生物相容性的，强度与塑性相匹配，能够均匀腐蚀的新型镁合金JDBM13。4结语生物医用镁合金的研究现在还处于起步阶段，毋庸置疑的是生物医用镁合金因为其优异的力学相容性、生物相容性和可降解性，已经成为新一代生物医用可降解金属植人材料的研究热点，然而镁合金材料降解速率快，少十由此产生的材料失效、氢气大量集中释放和pH值升高等相关间题，一定程度上制约了其目前在临床医学上的应用，不过相信随着科研工作者的不断努力，一定会研发出一系列可改善镁合金临床制约应用的方法，或研发出新型的生物医用镁合金材料，生物医用镁合金材料一定会有更为广阔的应用前景，成为惠及人类健康的新型金属生物材料。参考文献1王世哲生物材料修复半月板运动损伤:现实与未来J.中国组织工程研究，2014,(16):2588-2593.2徐晓红生物可降解聚乳酸及其共聚物的制备与性能研究D安徽大学，2013.3王兴生物材料及生物基材料国际会议J.国际学术动态，2014,(4):48-49.4刘俊阳可降解镁合金内固定材料的生物相容性研究D.吉林大学，2013.5周俊岑镁合金在医疗领域的应用研究D.西南大学，2014.6王海涛生物镁合金的生物相容性研究D.郑州大学，2010.7刘俊阳可降解镁合金内固定材料的生物相容性研究D.吉林大学，2013.8姜东梅Mg-Zn-Ca-Zr/Nd/Y生物镁合金组织、力学性能和腐蚀行为研究D.吉林大学，2014.9李雪君生物镁合金材料腐蚀性能的研究D.燕山大学，2013.10张佳镁合金在生物医用材料领域的应用及发展前景田中国组织工程研究与临床康复，2009,13 (29):5747-5750.11张晓，梁敏洁，廖海