医用镁及镁合金材料表面改性的应用
镁是可被人体吸收的常量元素,且具有较高的比强度和比刚度,在医用植入材料领域具有广阔的应用前景。本文综述了医用镁及镁合金作为生物医用材料的表面改性技术的研究现状。
关键词：镁合金；表面改性；生物医用材料
1 镁及镁合金作为医用材料的优点
1.1 优良的机械性能
镁属于轻金属，在现有的工程用金属中密度最小，仅为1.74 g/cm3 ，并且与人骨的密质 骨密度(1.80 g/cm3 )极为接近。其导热率好，无磁性，对CT 或磁共振图像干扰小。镁及镁合金的机械性能比其他常用金属材料更接近天然骨，如用作植入材料，其适中的弹性模量能够有效缓解应力遮挡效应，对骨折愈合、种植体的稳定具有重要作用。镁合金具有很好的流动性与快速凝固率，尺寸稳定性好，是良好的压铸材料，且容易切削加工。
1.2 生物活性、介导成骨作用及生物相容性 镁是人体必需的元素，人体含量仅次于钾、钠、钙，几乎参与人体所有的新陈代谢活动。镁也是组成骨的主要成分，能促进骨、牙齿及细胞形成并在骨的矿物质代谢中起重要的调节作用。含有镁离子的生物陶瓷种植体、胶原的表面成骨细胞黏附增加，整合素表达及信号传导蛋白基因表达增高，骨整合能力增强。镁基种植体较聚乳酸表面有更多钙磷酸盐形成，周围骨量增加，提示高浓度的镁离子可提高成骨细胞的活性；在体外环境中镁可促进磷酸钙沉积，增加介导成骨作用，同时改善原位耐蚀性。
1.3 可降解性 镁的标准平衡电位为-2.34 V，低于其他工业合金；氧化膜疏松多孔，不能对基体起到良好的保护作用，尤其是在含有氯离子的腐蚀介质中，呈示出较高的化学和电化学活性，作为可降解材料具有其天然优势。
2 存在的问题
镁及镁合金的耐蚀性能较差，很容易发生点蚀，在有Cl- 存在的环境中腐蚀速率更快，且在周围介质的pH值低于11.5时，镁合金在人体内的腐蚀会加快。人体内的pH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pH值低于7.4，所以镁合金作为植入材料在体内会加速腐蚀。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。
3 表面改性方法
研究表明，通过在镁合金表面构筑生物活性涂层，不仅能提高植入物的生物相容性，促使植入体与骨组织间形成直接的化学键性结合，有利于植入体早期稳定，缩短手术后的愈合期，而且可以延缓基体在体液中的腐蚀和降解速率。使目前医用镁及镁合金材料表面改性的方法主要有：等离子喷涂、溶胶-凝胶、电化学沉积、稀土转化膜、微弧氧化和仿生法等。
3.1 等离子喷涂
等离子喷涂是以等离子弧为热源，将金属或非金属粉末加热至熔融或半熔融状态，并随高速气流喷射到工件表面，形成覆盖层，以提高工件耐蚀、耐磨、耐热等性能的表面工程技术。等离子喷涂方法具有如下特点：等离子焰热量高度集中，可以获得很高的温度，足以熔化任何一种难熔材料；等离子流速较高，使得喷涂粒子以较大速度撞击到基体上，形成的涂层与基体间结合强度较大；对基体热影响小，可以对已加工成形的工件进行表面喷涂；易于实现自动化，且成本适中。但随着研究的深入和临床应用发现，等离子喷涂HA涂层材料尚存在一些问题，主要是由于线性喷涂工艺而造成粗糙基体表面涂层的不均匀和无法进行复杂形状基材的表面喷涂；由于界面应力残留在涂层材料中，造成涂层产生裂纹并使涂层松动或剥落；由于高温的作用易使HA发生分解，在涂层中产生杂质和非晶HA而影响涂层的生物性能；涂层结构不致密，植入人体后，不能有效地阻止生理组织液的渗入。
3.2 溶胶-凝胶
溶胶-凝胶法是将涂层配料制成溶胶，使之均匀覆盖于基体的表面，由于溶剂迅速挥发，配料发生缩聚反应而胶化，再经干燥和热处理，即可获得涂层。与等离子喷涂技术相比，用溶胶-凝胶法制备生物陶瓷薄膜具有以下优点：
(1)制备温度低，从而避免了高温分解和热应力过大；
(2)虽然溶胶凝胶法的产物可以是无定形，也可以是结晶态，但由于反应在原子、分子水平上进行，因此可在最大程度上提高其化学各向同性；
(3)材料制备过程易于控制，产物纯度高；
(4)可以在形态复杂的种植体表面形成均匀的涂层；
(5)涂层厚度薄且可以控制，可以形成数微米厚的涂层，几乎不改变原种植体表面形态。尽管国内外对溶胶-凝胶涂层已进行大量研究，但仍有以下不足之处：(1) 原料成本较高；(2)存在残留小孔洞；(3)热处理时温度处理不当，可能会导致残留的碳；(4)较长的反应时间；(5)有机溶剂对人体有一定的 危害性。不同的溶胶-凝胶配方常在陶瓷薄膜中产生一些有害杂质如CaO、CaCO3 等[1] 。
3.3 电化学沉积 电化学沉积法是在电场作用下在材料表面沉积生物陶瓷涂层，它的起步较晚。1991年 加拿大学者Shirkhanzadeh[2] 报道了电化学沉积制备磷酸钙涂层的工艺，将Ca10(PO4)6(OH)2加入到NaCl 的方法获得Ca/P 为1.62的涂层。电化学沉积制备的生物陶瓷涂层晶粒大小均 匀，晶体结构完美，有利于提高植入材料的稳定性。胡皓冰[3] 等发现用电化学沉积羟基磷灰石(HA)涂层的形成机理是HA在阴极界面直接生成，没有前驱体的存在。阴极电沉积HA陶瓷膜层是一个2步反应的过程，阴极析氢引起阴极界面的OH-离子浓度升高，然后伴随HA 的生成。 (1) H2O + e→H2 + OH- (2) Ca2++ PO43- + OH-→Ca10(PO4)6(OH)2 但是电化学沉积生物陶瓷涂层主要存在着涂层与基体之间结合强度低，涂层的厚度达不到种植要求等问题。因此，电化学沉积方法获得的单一种的生物陶瓷并不能够满足种植的生物学要求。有人对生物涂层进行了梯度设计，使层间的热膨胀系数匹配，极大限度地减小材 料界面的残余应力，从而提高界面结合强度。胡皓冰、林昌健[4] 等在含有0.001mol/L Ca(NO3)2 和0.00167mol/L NH4H2PO4的电解液中加入体积百分含量为0.0125%的聚乙酸乙烯酯，反应温 度为80℃，pH值为6.0，控制电流密度1 ～ 2mA/cm2 ，制备出HA/聚乙酸乙烯酯复合涂层。试验结果表明：涂层中的磷酸钙盐为纯的羟基磷灰石，涂层与基底之间的结合强度有所提高，与未加聚乙酸乙烯酯的涂层相比，结合强度增加了3MPa。Ban Seiji 等将水热法和电沉积 法巧妙地结合在一起，在高压釜中，控制温度80 ～ 200℃，电流密度为12.5 mA/cm2 ，用水热-电化学法制备出了羟基磷灰石涂层，该涂层中的羟基磷灰石晶体结构完美，涂层与基底的结合力高。
3.4 稀土转化膜 近年来，因替代铬酸盐转化膜工艺而发展起来的稀土转化膜工艺不仅工艺参数少，成本低廉，无毒环保，而且能在短时间内对镁及镁合金的耐蚀性能显著提高，而备受青睐[5] 。关于稀土转化膜的耐蚀机理，Hinton认为，当试样置于含稀土盐的溶液中时，表面便形成了 许多腐蚀微电池，在微阳极区，金属溶解(Mg→Mg2++2e-)，而在微阴极区，则发生了去极化 剂O2 或H+的反应：2H++2e-→H2 或O2+2H2O+4e-→4OH-；随着反应的持续进行，阳极极化区的 pH值升高，当达到一定值时，稀土盐便会在试样的表面沉积下来，由外到内形成稀土氧化物/基体氢氧化物/基体氧化物的转化膜。 稀土转化膜在成膜过程中，稀土离子最初形核点往往是在金属基体的夹杂与裂缝处，因此形成的转化膜薄厚不均且有微孔。这是稀土转化膜只能在短期内对镁及镁合金产生保护作用的主要原因。人们对稀土转化膜工艺的研究才刚刚开始，对成膜机理还缺乏本质的了解。预计现在针对铝合金开发出的双层稀土转化膜工艺和稀土盐后续封孔工艺，将能进一步提高镁及镁合金的耐蚀性能。
3.5 微弧氧化 微弧氧化(micro-arcoxidation，MAO)是在有色金属表面原位生长陶瓷层的新技术。它是将铬、钛、镁等金属置于电解质溶液中，在热化学、等离子化学和电化学的共同作用下，使材料表面产生火花放电生成陶瓷层。微弧氧化技术可显著提高上述材料的耐蚀性、耐磨性和硬度，是一种很有希望的医用金属植入体表面生物改性技术，已在钛种植体表面成功应用。微弧氧化处理与其他镁合金表面处理方法比较，具有以下优点:
(1)耐腐蚀性、耐磨性能更好；
(2)与基体结合紧密；不易脱落；
(3)可在金属表面形成粗糙面，有利于成骨细胞附着；
(4) 与通常的阳极氧化处理相比，对材料的疲劳强度降低很小。
（5）南京医科大学的吴婕 等人用微弧氧化对AZ91D镁合金进行表面改性，发现微弧氧化陶瓷表面是由一个个微小的、类似于"火山锥"状的物质相互结合所构成的。每个小"火山锥"中心都有一个小孔，这个小孔是溶液与基体反应的通道，同时也是微弧产生时熔融态的氧化物喷发出的通道，因此陶瓷膜与基体结合非常紧密。而且，粗糙多孔的表面形态使得材料具有较大的表面积，有利于其在生物体内与周围组织的结合，能为新生组织的长入提供支架和通道。
3.6 仿生法 近10 年来发展起来的仿生法，是模拟自然界中生理磷灰石的矿化过程，在自然温和的条件下，在类似于人体组织内环境条件的模拟体液(simulated body fluid，SBF)中，使材 料表面自发沉积生物陶瓷。仿生法具有一些其他方法无可比拟的优越性[7] ：(1)仿生磷灰石层沉积于类似人体组织内的环境条件，其成分更接近人体的骨无机质；(2)仿生法在低温下进行，可避免高温过程引起的相变和脆裂；(3)可通过改变溶液的成分来改变涂层的成分，可以使蛋白质、骨生长因子、抗生素等有机物质在仿生溶液中与羟基磷灰石共沉积；(4)利用仿生技术可在形状复杂和多孔的基体上形成均匀的涂层,所需设备简单、操作方便、沉积工艺易控制、费用较低。仿生合成的关键是控制无机晶体的异相成核，目前有多种方法可以在金属基片表面进行预处理来诱导晶核生成，以下介绍了两种最常用的预处理方法。
3.6.1 碱热处理 早在20 世纪90 年代初期，为了能在体外评价生物材料的生物活性，配制出了SBF，并探索了用碱溶液活化钛及钛合金表面。用类似的方法来处理镁及镁合金，能显著的提高其 耐蚀性能。Kuwahara[8] 等人研究了热处理对纯镁耐蚀性能的影响。他们将纯镁(99.9 wt%)在803K下热处理9 ～ 25小时后，再将试样放在HBSS溶液中浸泡。风干后用失重法测量发现部分试样重量不但没有减少，而且有增加的现象。并且增加的重量(质量百分比)与热处理时间成正比。但是碱液处理纯镁时对纯镁的腐蚀严重，涂层疏松，热处理工艺对纯镁表面的生 物活性提高，并不明显。因此，高家诚[9] 等人在此基础上改进了碱处理工艺的基础上，设计了碱热处理，使碱处理后纯镁表面晶体层更加致密，提高其耐腐蚀性能，并且增强了纯镁的生物活性。
3.6.2 EDTA 自组装 生物矿化中的无机相成核和生长是由生物体所提供的高分子模板控制的，是一种自组装的过程。单分子膜（SAM）是自然界中自组装的典型例子。仿生法制备生物陶瓷复合材料时，可在基片上合成自组装单分子层，再通过单分子层的端基官能团即能在模拟体液中诱导生物陶瓷的沉积，并且能得到结合强度较高的复合材料。 Qing Liu[10] 等用自组装技术发展了一种在Ti表面快速沉积HA矿物相的方法。他们用OETS无水戊烷溶液处理钛基片使其表面形成SAM单分子层，再将SAM的双键官能团化，可在基片表面带上-OH，-H2PO4，-COOH。单分子层的端基含有孤对电子将螯合溶液中的钙离子，从而使磷灰石在单分子层上有序生长。
4 展望
镁及镁合金具有比强度和比刚度较高、生物可降解吸收性等特点,作为现有金属生物植入材料的新一代替代产品表现出巨大的优势与潜力,已经引起国内外越来越多研究者的关注,但由于人体环境的复杂性,这种新材料的研究还需一个长期过程。只要通过对镁及镁合金体内腐蚀本质的深入了解和对其生物相容性及表面改性的系统研究,相信在不久的将来,镁及镁合金必定会在医用金属植入材料领域得到广泛的应用。 参考文献 [1]Tkalcec E, Sauer M, Nonninger R, et al. Sol-gel-derived hydroxyl apatite powders and coatings. Journal of Materials Science, 2001,36(21):5253. [2]Shirkhanzadeh M. Bioactive Calcium Phosphate Coatings Prepared by Electrodeposition [J].J Mater Sci Lett, 1991(10) 141-147. [3] 胡皓冰，林昌健，陈菲，等.电化学沉积制备羟基磷灰石涂层及机理研究[J].电化学，2002，8(3)：288-294. [4] Hu H B, Lin C J, Hu R, et al. A study on hybrid bioceramic coatings of HA/poly(vinyl acetate)co- deposited electrochemically on Ti- 6Al- 4V alloy surface[J].Materials Science and Engineering C,2002(20):209-214. [5] 许越，陈湘，吕祖舜，等.镁合金表面的腐蚀特性及其防护技术.哈尔滨工业大学学报，2001，33(6)：753. [6] 吴婕，吴凤鸣，张新平，等.微弧氧化AZ91D 镁合金的口腔私膜刺激实验[J].口腔医学,2008,28(3):127-129. [7] 付涛.仿生法沉积羟基磷灰石涂层的研究进展[J].生物医学工程学杂志，2001，18 (1):116-118. [8] Hideyuki Kuwahara, Al-Abdullat Yousel, Naoko Mazaki, et al. Precipitation of magnesium apatite on pure magnesium surface during immersing in Hank's solution. Materials Transactions.2001.42.1317. [9] 高家诚，李龙川，王勇等.碱热处理镁及其在仿生模拟体液中耐蚀性能[J].金属热处理，2005，30(4)，38-42. [10] Liu Qing, Ding Jiang, Francis K, et al. The role of surface functional groups in calcium phosphate nucleation on ti ttanmium foil.J Biomaterials, 2002,23:3103-3111.
