第16卷 第4期金属功能材料Vol 116, No 14
2009年8月Metallic Functional Materials August , 2009
镁合金作为生物医用植入材料的研究进展
余 琨1, 陈良建2, 雷 路1, 张思慧2
(11中南大学材料科学与工程学院; 粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083;
21中南大学湘雅三医院, 湖南 长沙 410083)
摘 要:镁合金具有优良和独特的物理、化学和力学特点, 其比强度和比刚度在金属材料中最好, 同时又具有良好的生物相容性, 甚至可以在生物体内自动进行降解, 因此镁合金作为生物医用金属植入材料有明显的性能优势, 在医用植入材料领域有着巨大的潜力和广阔的应用前景。本文针对医用植入材料特性的要求, 对镁合金作为医用植入材料的可行性, 和它与其他生物植入材料比较所具有的性能优势和特点进行了综述, 并根据镁合金的性能特点, 提出了开发医用植入镁合金材料的关键技术。关键词:
(1,
Changsha 430083, Hunan ,China ;
21Third Xiangya Hospital ,Central South University ;Changsha 410083, Hunan , China )
Abstract :Magnesium alloys have special physical , chemical and mechanical properties , excellent specific strength , specific stiffness as well as good biocompatibility 1They can even be decomposed in the biological systems 1All of those made magnesium alloy have obviously advantages as a medical implant metal materials and can be used in dif 2ferent medical fields 1In this paper , the possibility and advantages of magnesium alloys as a medical implant material are reviewed 1And the properties of magnesium alloy as a medical material are compared with other implant materi 2als 1The key technologies for the magnesium alloys to meet the requirements of medical materials are provided 1K ey w ords :medical implant materials ; magnesium alloy ; corrosion
1 引 言
生物医用材料包括医疗上能够植入生物体或能够与生物组织相结合的材料, 生物材料用来治疗或替换生物机体中原有的组织和器官, 修正和提高其功能。目前, 已经应用于临床的生物医用材料主要包括:金属类生物医用材料、有机高分子类生物医用
材料、无机非金属类生物医用材料, 以及上述几种材料制备的生物医用复合材料。
在上述几种材料中, 生物医用金属材料是临床中广泛应用的一类外科植入材料, 具有高的强度、良好的韧性、抗弯曲疲劳强度以及良好的加工成型性能, 具有其它类型医用材料不可替代的优良性能。据目前的研究, 金属材料要作为生物材料应用, 必须
基金项目:本论文得到“粉末冶金国家重点实验室开放基金”项目支持。
作者简介:余琨(1974-) , 男, 博士, 副教授。电话:0731-8879341, E 2mail :kunyugroup@1631com 联系人:雷路, 男, 硕士研究生。电话:[1**********], E 2mail :leikeba620@1631com
62金属功能材料 2009年
严格满足一些典型的生物学要求[1]。包括:(1) 良好
的组织相容性, 无毒性, 不致畸致癌, 不引起过敏反应和干扰机体的免疫, 不破坏临近组织等; (2) 物理化学性质稳定, 强度、弹性、尺寸、耐腐蚀及耐磨性稳定; (3) 易于加工成型, 能容易制成各种需要的形状。但是, 目前使用的金属材料存在一些缺陷, 如有可能释放有毒金属离子, 通过腐蚀或磨损造成金属离子溶出引起炎症反应[2]。另外, 一些金属材料由于自身的特点, 在一些特殊性能上对生物体造成不利的影响, 例如目前常用的钛合金等金属材料, 虽然具备了很好的医用生物材料的特性, 但是钛合金的弹性模量与天然骨的弹性模量不匹配, 这样就会引起应力屏蔽效应[3], 不利于骨愈合和植入体的长期稳定。且在使用这些金属材料的医用元件植入人体来固定骨、关节的损坏, 在组织接近愈合时, 由于这些材料在体内不能降解, 需要手术拆除, 患者须进行第二次手术, 会对患者造成二次损伤[2]。因此, 针对现有生物植入材料的缺陷, 开发新型金属植入材料, 良好的生物相容性, , 料。
内多种代谢过程, 而且可以促进体内能量转运、贮存和利用[8]。此外, 镁具有很低的标准电极电位, 在人体体液中生成的镁离子可被周围肌体组织吸收, 然后通过体液排出体外[9], 因此, 镁可以被人体完全降解, 是一种难得的金属生物材料; (3) 镁是骨生长的必需元素。镁离子可促进钙的沉积, 促进骨细胞的形成, 加速骨的愈合等[10]。初步的细胞毒性研究表明:镁对骨髓细胞的生长没有抑制作用, 也没有发现细胞溶解现象[11]; (4) 镁合金具有合适的物理力学性能。镁合金的密度与人骨吻合, 符合理想接骨板的要求[2]。镁合金具有所有金属材料中最高的比强度(强度与密度的比值) , 比钛合金还高。镁合金与几种典型的植入材料物理、力学性能的对比数据[2]见表1。由表中数据可知, 镁合金的弹性模量绝对值较低(40GPa ) , 与人骨(20GPa ) 弹性模量值, , , 使骨折部位, 从而加速[12], 避免由于植入材料与人骨弹性模量不匹配造成的骨骼强度降低和愈合迟缓问题; (5) 镁合金成型性好, 资源丰富, 价格低。镁合金可以通过精密铸造、挤压、冲压、机械加工等多种方式获得需要的各种形状产品。因此, 镁合金可以作为有效的医用植入材料获得使用。
但是, 镁合金也存在一些缺陷, 使其作为生物植入材料受到一定的限制。常规镁合金纯度较低。目前金属镁的生产主要采用硅热法和电解法, 合金中Si 、Fe 、及Cl -等杂质元素的含量高, 限制了合金的使用。但是随着镁的制造加工条件和工艺设备的改进, 目前99199%以上纯度的高纯度金属镁和高纯度镁合金已经工业化生产, 可以大量提供使用。此外, 限制镁合金使用的另一个关键因素是镁合金的耐蚀性较差, 尤其是在有Cl -存在的腐蚀环境中腐蚀速率会很快。一般的镁合金在环境介质p H 值低于1115时腐蚀会加快。
2 镁合金作为医用植入材料应用的特点
镁合金作为医用植入材料, 与现有已经进入临床使用的医用金属材料相比, 具有以下的优势:(1) 镁与人体有良好的生物相容性[4]。镁是人体内仅次于钾、钠、钙的细胞内正离子, 它参与蛋白质合成, 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[5,6], 成人每日最低摄入镁量为420mg , 过量的镁可以通过尿液排出体外[6], 因此镁在适当的代谢条件下不会对人体产生不良影响; (2) 镁可以在人体内获得降解[7]。经过人体体液分解后形成的镁离子可催化或激活体内300多种酶, 可以完成体
表1 各种植入材料与人骨的物理性能对比
T able 1 The physical and mechanical properties of various implant m aterials in comparison to natural bone 特性
密度(g/cm 3)
弹性模量(GPa ) 压缩屈服强度(MPa ) 断裂韧性(MPa ・m
1/2)
人骨
118～2113～20130～1803～6镁合金1178～21035～45100～20015～35钛合金414～415110～117758～111755～115
钴铬合金813～912
230450～1000
-不锈钢719～811189～205170～31050～200
羟基磷灰石
31173～117
600017
人体的生理环境是一个对硬组织植入材料要求苛刻的腐蚀环境, 人体内的p H 值约为714, 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 值甚至低于714[13],
第4期 余 琨等:镁合金作为生物医用植入材料的研究进展63
因此镁合金作为植入材料会面临腐蚀加速的问题。但是, 如果将镁合金设计成为腐蚀速度可控制, 具备生物降解性质的新型金属植入材料, 在镁合金植入人体完成其功能后, 自动被体液腐蚀降解并随新陈代谢产物一起排泄, 这是利用了镁合金的腐蚀特点, 其关键在于通过适当的合金设计和相关的防腐蚀处理, 来获得适当腐蚀速率的新型镁合金, 满足和改善
镁合金与生物体的相容性。Wittea [13]等人系统研究了不同镁合金在生物体内的降解情况及骨的生长情况, 图1说明的是分别使用聚合物与镁合金作为植入材料时, 骨的对比生长情况。可以发现, 镁合金周围骨生长情况更好一些, 因此说明镁合金作为医用植入材料的耐蚀性能是可以通过一定的技术来获得改进的
。
图1 (a) 聚合物;(b) 镁合金
I :残留植入材料; E :内环骨; P :骨膜; 浅色标记为新生骨
Fig 11 Im ages of cross 2sections of a degrad able polymer (a) and a m agnesium alloy (b ar =115mm) ; (b) I =implant residu al ; P =periosteum; E =endoskeleton
3 镁合金作为医用植入材料应用的
关键技术
311 新型镁合金的设计和开发
常规镁合金很难直接作为生物材料使用, 主要
是因为常规镁合金是作为结构材料使用的, 在设计时没有考虑材料的生物相容性。镁合金中用量最大, 对材料性能提高最有效的合金元素是铝, 如典型的大规模使用的Mg 2Al 2Zn 系合金, 但合金中的铝对人体健康有影响, 当人体摄入过量铝时, 磷的吸收就会被干扰, 会影响能量代谢和生物酶的活性, 同时铝还会影响钙的吸收, 造成骨骼脱钙、骨软化及骨萎缩等多种铝骨病[14]。此外, 常规镁合金设计时, 由于镁作为结构材料使用弹性模量低, 添加的合金元素都是用来提高合金弹性模量的, 这恰好与镁合金作为骨骼植入材料的应用要求相反, 反而会引起影响骨骼生长的应力屏蔽效应。
因此, 针对生物植入材料用镁合金, 必须针对使用环境的特殊性, 在合金设计上针对合金元素的选择、合金相结构的类型、合金显微组织组成、微观组织、宏观物理、力学性能、与生物体匹配等各方面提
出新的合金设计思路, 获得适合作为生物体使用的、
满足特殊要求的新型镁合金。312 镁合金的表面改性技术
镁合金化学活性强, 表面氧化膜疏松, 不能阻止腐蚀的深入。镁合金要作为医用植入材料使用, 必须进行表面性质的改善。
添加稀土的镁合金表面转化膜能明显提高镁合金的耐腐蚀性能[15], 而且一些常用稀土元素无毒, 具有良好的生物相容性, 如一些稀土化合物(如CeCl 3) 能抑制肿瘤产生[16], Y 2O 3在羟基磷灰石(HA ) 涂层中起到很好的与骨骼结合的性能[17], 这些都使镁合金表面的稀土转化膜成为一种可行的表面处理和提高耐蚀性能的重要技术。但是稀土转化膜只能在短期内提高镁合金的耐蚀性能, 而且转化膜往往厚薄不均匀并且有微孔, 造成转化膜在长期使用过程中很难达到一定长时间的应用效果。
此外, 离子注入技术也可成功用于医用植入镁合金的表面改性。将高能离子在真空条件下加速注入镁合金表面[18], 这些注入的具有耐蚀性能的元素可以在镁合金表面形成生物惰性的薄膜, 同时可以提高镁合金的耐腐蚀性能和耐磨性能, 甚至还能
64金属功能材料 2009年
提高镁合金植入材料和血液的相容性。可用来改善镁合金表面的膜层, 包括金刚石薄膜、碳化硅薄膜、氮化钽薄膜等。
313 多孔镁合金的制备技术
报,2002,16(2) :121
参考文献:
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人骨是由疏松的多孔组织构成的, 因此可以用多孔镁合金来作为植入体, 多孔材料植入人体后, 多孔结构为新骨长入其孔隙内提供结构条件, 可以在植入的镁合金与新生骨质之间形成机械锁合, 来提高骨结合强度[19,20]。镁合金多孔材料和其他几种植入材料相比
[21]
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magnesium during Hank’s solution [J ]., , ]1北京:北京科学
(表2) , 多孔镁合金的弹性模量更
接近人体松质骨的弹性模量, 而屈服强度却不低于松质骨, 具有明显的力学优越性。多孔结构镁合金有利于营养素和氧气进入以及代谢产物的排出, 也有利于血管和神经长入。更为重要的是, 镁合金本身在生物体中可以逐渐降解, 由新生骨组织逐渐代替原先的植入体, 是理想的生物支架材料
[22]
。
表2 T able 2 The 材料
Ti 26Al 24V Ti 26Al 27Nb 316L 不锈钢多孔镁(孔隙率43%)
人体松质骨
/GPa
[**************]～115
1
[, 1多孔镁作为新型骨组织工程材料的研究探索[J]1
材料导报,2007,5(21) :761
屈服强度/MPa
960～970
1024465～950
114～16
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2001,15(2) :691
[13]Wittea F , et al 1In vivo 2corrosion of four magnesium alloys and
4 结 语
镁合金作为医用植入材料的研究现在才刚刚起步, 但镁合金作为新一代的金属生物材料, 具有其特殊的性能, 表现出明显的优势与潜力。医用植入的生物材料对镁合金的物理、化学等综合性能的要求更加严格, 尤其是当镁合金被植入生物体不同部位时, 对镁合金表面粗糙度、排斥反应程度等要求都不一样, 因此, 必须要制备新型的镁合金材料, 才能更容易被生物体接受, 作为生物体的一部分, 参与生物系统的物质、能量及信息交换, 被生物体系统自然地接受和调控。最新的研究表明, 在镁合金表面种植内皮细胞、涂敷白蛋白涂层或者使用磷脂基团表面改性等, 都有利于镁合金作为生物医用植入材料来使用。随着进一步发展镁合金多孔材料, 以及对镁及镁合金在人体内腐蚀性能的深入了解和对其生物相容性的系统研究, 相信镁及镁合金材料必定会在生物医用金属植入材料领域得到更广泛的应用。
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材料,2006,13(3) :91
收稿日期:2008-06-04
第16卷 第4期金属功能材料Vol 116, No 14
2009年8月Metallic Functional Materials August , 2009
镁合金作为生物医用植入材料的研究进展
余 琨1, 陈良建2, 雷 路1, 张思慧2
(11中南大学材料科学与工程学院; 粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083;
21中南大学湘雅三医院, 湖南 长沙 410083)
摘 要:镁合金具有优良和独特的物理、化学和力学特点, 其比强度和比刚度在金属材料中最好, 同时又具有良好的生物相容性, 甚至可以在生物体内自动进行降解, 因此镁合金作为生物医用金属植入材料有明显的性能优势, 在医用植入材料领域有着巨大的潜力和广阔的应用前景。本文针对医用植入材料特性的要求, 对镁合金作为医用植入材料的可行性, 和它与其他生物植入材料比较所具有的性能优势和特点进行了综述, 并根据镁合金的性能特点, 提出了开发医用植入镁合金材料的关键技术。关键词:
(1,
Changsha 430083, Hunan ,China ;
21Third Xiangya Hospital ,Central South University ;Changsha 410083, Hunan , China )
Abstract :Magnesium alloys have special physical , chemical and mechanical properties , excellent specific strength , specific stiffness as well as good biocompatibility 1They can even be decomposed in the biological systems 1All of those made magnesium alloy have obviously advantages as a medical implant metal materials and can be used in dif 2ferent medical fields 1In this paper , the possibility and advantages of magnesium alloys as a medical implant material are reviewed 1And the properties of magnesium alloy as a medical material are compared with other implant materi 2als 1The key technologies for the magnesium alloys to meet the requirements of medical materials are provided 1K ey w ords :medical implant materials ; magnesium alloy ; corrosion
1 引 言
生物医用材料包括医疗上能够植入生物体或能够与生物组织相结合的材料, 生物材料用来治疗或替换生物机体中原有的组织和器官, 修正和提高其功能。目前, 已经应用于临床的生物医用材料主要包括:金属类生物医用材料、有机高分子类生物医用
材料、无机非金属类生物医用材料, 以及上述几种材料制备的生物医用复合材料。
在上述几种材料中, 生物医用金属材料是临床中广泛应用的一类外科植入材料, 具有高的强度、良好的韧性、抗弯曲疲劳强度以及良好的加工成型性能, 具有其它类型医用材料不可替代的优良性能。据目前的研究, 金属材料要作为生物材料应用, 必须
基金项目:本论文得到“粉末冶金国家重点实验室开放基金”项目支持。
作者简介:余琨(1974-) , 男, 博士, 副教授。电话:0731-8879341, E 2mail :kunyugroup@1631com 联系人:雷路, 男, 硕士研究生。电话:[1**********], E 2mail :leikeba620@1631com
62金属功能材料 2009年
严格满足一些典型的生物学要求[1]。包括:(1) 良好
的组织相容性, 无毒性, 不致畸致癌, 不引起过敏反应和干扰机体的免疫, 不破坏临近组织等; (2) 物理化学性质稳定, 强度、弹性、尺寸、耐腐蚀及耐磨性稳定; (3) 易于加工成型, 能容易制成各种需要的形状。但是, 目前使用的金属材料存在一些缺陷, 如有可能释放有毒金属离子, 通过腐蚀或磨损造成金属离子溶出引起炎症反应[2]。另外, 一些金属材料由于自身的特点, 在一些特殊性能上对生物体造成不利的影响, 例如目前常用的钛合金等金属材料, 虽然具备了很好的医用生物材料的特性, 但是钛合金的弹性模量与天然骨的弹性模量不匹配, 这样就会引起应力屏蔽效应[3], 不利于骨愈合和植入体的长期稳定。且在使用这些金属材料的医用元件植入人体来固定骨、关节的损坏, 在组织接近愈合时, 由于这些材料在体内不能降解, 需要手术拆除, 患者须进行第二次手术, 会对患者造成二次损伤[2]。因此, 针对现有生物植入材料的缺陷, 开发新型金属植入材料, 良好的生物相容性, , 料。
内多种代谢过程, 而且可以促进体内能量转运、贮存和利用[8]。此外, 镁具有很低的标准电极电位, 在人体体液中生成的镁离子可被周围肌体组织吸收, 然后通过体液排出体外[9], 因此, 镁可以被人体完全降解, 是一种难得的金属生物材料; (3) 镁是骨生长的必需元素。镁离子可促进钙的沉积, 促进骨细胞的形成, 加速骨的愈合等[10]。初步的细胞毒性研究表明:镁对骨髓细胞的生长没有抑制作用, 也没有发现细胞溶解现象[11]; (4) 镁合金具有合适的物理力学性能。镁合金的密度与人骨吻合, 符合理想接骨板的要求[2]。镁合金具有所有金属材料中最高的比强度(强度与密度的比值) , 比钛合金还高。镁合金与几种典型的植入材料物理、力学性能的对比数据[2]见表1。由表中数据可知, 镁合金的弹性模量绝对值较低(40GPa ) , 与人骨(20GPa ) 弹性模量值, , , 使骨折部位, 从而加速[12], 避免由于植入材料与人骨弹性模量不匹配造成的骨骼强度降低和愈合迟缓问题; (5) 镁合金成型性好, 资源丰富, 价格低。镁合金可以通过精密铸造、挤压、冲压、机械加工等多种方式获得需要的各种形状产品。因此, 镁合金可以作为有效的医用植入材料获得使用。
但是, 镁合金也存在一些缺陷, 使其作为生物植入材料受到一定的限制。常规镁合金纯度较低。目前金属镁的生产主要采用硅热法和电解法, 合金中Si 、Fe 、及Cl -等杂质元素的含量高, 限制了合金的使用。但是随着镁的制造加工条件和工艺设备的改进, 目前99199%以上纯度的高纯度金属镁和高纯度镁合金已经工业化生产, 可以大量提供使用。此外, 限制镁合金使用的另一个关键因素是镁合金的耐蚀性较差, 尤其是在有Cl -存在的腐蚀环境中腐蚀速率会很快。一般的镁合金在环境介质p H 值低于1115时腐蚀会加快。
2 镁合金作为医用植入材料应用的特点
镁合金作为医用植入材料, 与现有已经进入临床使用的医用金属材料相比, 具有以下的优势:(1) 镁与人体有良好的生物相容性[4]。镁是人体内仅次于钾、钠、钙的细胞内正离子, 它参与蛋白质合成, 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[5,6], 成人每日最低摄入镁量为420mg , 过量的镁可以通过尿液排出体外[6], 因此镁在适当的代谢条件下不会对人体产生不良影响; (2) 镁可以在人体内获得降解[7]。经过人体体液分解后形成的镁离子可催化或激活体内300多种酶, 可以完成体
表1 各种植入材料与人骨的物理性能对比
T able 1 The physical and mechanical properties of various implant m aterials in comparison to natural bone 特性
密度(g/cm 3)
弹性模量(GPa ) 压缩屈服强度(MPa ) 断裂韧性(MPa ・m
1/2)
人骨
118～2113～20130～1803～6镁合金1178～21035～45100～20015～35钛合金414～415110～117758～111755～115
钴铬合金813～912
230450～1000
-不锈钢719～811189～205170～31050～200
羟基磷灰石
31173～117
600017
人体的生理环境是一个对硬组织植入材料要求苛刻的腐蚀环境, 人体内的p H 值约为714, 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 值甚至低于714[13],
第4期 余 琨等:镁合金作为生物医用植入材料的研究进展63
因此镁合金作为植入材料会面临腐蚀加速的问题。但是, 如果将镁合金设计成为腐蚀速度可控制, 具备生物降解性质的新型金属植入材料, 在镁合金植入人体完成其功能后, 自动被体液腐蚀降解并随新陈代谢产物一起排泄, 这是利用了镁合金的腐蚀特点, 其关键在于通过适当的合金设计和相关的防腐蚀处理, 来获得适当腐蚀速率的新型镁合金, 满足和改善
镁合金与生物体的相容性。Wittea [13]等人系统研究了不同镁合金在生物体内的降解情况及骨的生长情况, 图1说明的是分别使用聚合物与镁合金作为植入材料时, 骨的对比生长情况。可以发现, 镁合金周围骨生长情况更好一些, 因此说明镁合金作为医用植入材料的耐蚀性能是可以通过一定的技术来获得改进的
。
图1 (a) 聚合物;(b) 镁合金
I :残留植入材料; E :内环骨; P :骨膜; 浅色标记为新生骨
Fig 11 Im ages of cross 2sections of a degrad able polymer (a) and a m agnesium alloy (b ar =115mm) ; (b) I =implant residu al ; P =periosteum; E =endoskeleton
3 镁合金作为医用植入材料应用的
关键技术
311 新型镁合金的设计和开发
常规镁合金很难直接作为生物材料使用, 主要
是因为常规镁合金是作为结构材料使用的, 在设计时没有考虑材料的生物相容性。镁合金中用量最大, 对材料性能提高最有效的合金元素是铝, 如典型的大规模使用的Mg 2Al 2Zn 系合金, 但合金中的铝对人体健康有影响, 当人体摄入过量铝时, 磷的吸收就会被干扰, 会影响能量代谢和生物酶的活性, 同时铝还会影响钙的吸收, 造成骨骼脱钙、骨软化及骨萎缩等多种铝骨病[14]。此外, 常规镁合金设计时, 由于镁作为结构材料使用弹性模量低, 添加的合金元素都是用来提高合金弹性模量的, 这恰好与镁合金作为骨骼植入材料的应用要求相反, 反而会引起影响骨骼生长的应力屏蔽效应。
因此, 针对生物植入材料用镁合金, 必须针对使用环境的特殊性, 在合金设计上针对合金元素的选择、合金相结构的类型、合金显微组织组成、微观组织、宏观物理、力学性能、与生物体匹配等各方面提
出新的合金设计思路, 获得适合作为生物体使用的、
满足特殊要求的新型镁合金。312 镁合金的表面改性技术
镁合金化学活性强, 表面氧化膜疏松, 不能阻止腐蚀的深入。镁合金要作为医用植入材料使用, 必须进行表面性质的改善。
添加稀土的镁合金表面转化膜能明显提高镁合金的耐腐蚀性能[15], 而且一些常用稀土元素无毒, 具有良好的生物相容性, 如一些稀土化合物(如CeCl 3) 能抑制肿瘤产生[16], Y 2O 3在羟基磷灰石(HA ) 涂层中起到很好的与骨骼结合的性能[17], 这些都使镁合金表面的稀土转化膜成为一种可行的表面处理和提高耐蚀性能的重要技术。但是稀土转化膜只能在短期内提高镁合金的耐蚀性能, 而且转化膜往往厚薄不均匀并且有微孔, 造成转化膜在长期使用过程中很难达到一定长时间的应用效果。
此外, 离子注入技术也可成功用于医用植入镁合金的表面改性。将高能离子在真空条件下加速注入镁合金表面[18], 这些注入的具有耐蚀性能的元素可以在镁合金表面形成生物惰性的薄膜, 同时可以提高镁合金的耐腐蚀性能和耐磨性能, 甚至还能
64金属功能材料 2009年
提高镁合金植入材料和血液的相容性。可用来改善镁合金表面的膜层, 包括金刚石薄膜、碳化硅薄膜、氮化钽薄膜等。
313 多孔镁合金的制备技术
报,2002,16(2) :121
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(表2) , 多孔镁合金的弹性模量更
接近人体松质骨的弹性模量, 而屈服强度却不低于松质骨, 具有明显的力学优越性。多孔结构镁合金有利于营养素和氧气进入以及代谢产物的排出, 也有利于血管和神经长入。更为重要的是, 镁合金本身在生物体中可以逐渐降解, 由新生骨组织逐渐代替原先的植入体, 是理想的生物支架材料
[22]
。
表2 T able 2 The 材料
Ti 26Al 24V Ti 26Al 27Nb 316L 不锈钢多孔镁(孔隙率43%)
人体松质骨
/GPa
[**************]～115
1
[, 1多孔镁作为新型骨组织工程材料的研究探索[J]1
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屈服强度/MPa
960～970
1024465～950
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4 结 语
镁合金作为医用植入材料的研究现在才刚刚起步, 但镁合金作为新一代的金属生物材料, 具有其特殊的性能, 表现出明显的优势与潜力。医用植入的生物材料对镁合金的物理、化学等综合性能的要求更加严格, 尤其是当镁合金被植入生物体不同部位时, 对镁合金表面粗糙度、排斥反应程度等要求都不一样, 因此, 必须要制备新型的镁合金材料, 才能更容易被生物体接受, 作为生物体的一部分, 参与生物系统的物质、能量及信息交换, 被生物体系统自然地接受和调控。最新的研究表明, 在镁合金表面种植内皮细胞、涂敷白蛋白涂层或者使用磷脂基团表面改性等, 都有利于镁合金作为生物医用植入材料来使用。随着进一步发展镁合金多孔材料, 以及对镁及镁合金在人体内腐蚀性能的深入了解和对其生物相容性的系统研究, 相信镁及镁合金材料必定会在生物医用金属植入材料领域得到更广泛的应用。
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收稿日期:2008-06-04