醫(yī)用鎂合金仿生鈍化技術(shù)研究進(jìn)展

陶冶，張永君

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

醫(yī)用鎂合金仿生鈍化技術(shù)研究進(jìn)展

陶冶，張永君*

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640）

在醫(yī)用鎂合金功能化表面改性技術(shù)中，仿生鈍化具有其他方法無可比擬的優(yōu)越性。利用仿生鈍化技術(shù)，可在鎂合金表面原位制備兼具優(yōu)異生物相容性、生物活性和降解控制功能的生物磷灰石膜層，全面滿足鎂合金生物醫(yī)用對表面質(zhì)量的苛刻要求。本文分別從前處理、鈍化工藝、鈍化后處理等方面，綜述了醫(yī)用鎂合金仿生鈍化技術(shù)的研究進(jìn)展，并展望了醫(yī)用鎂合金仿生鈍化技術(shù)的發(fā)展趨勢。

醫(yī)用鎂合金；仿生鈍化；羥基磷灰石

1 前言

與投入臨床使用的各種金屬植入材料相比，鎂合金作為硬組織植入材料具有以下突出的優(yōu)點[1-2]：優(yōu)異的生物相容性、力學(xué)相容性和生物可降解性；密度與人體骨骼接近；比強(qiáng)度和比剛度高，可有效減小應(yīng)力遮擋效應(yīng)。但鎂合金的耐蝕性較差，尤其在含Cl-離子的腐蝕介質(zhì)中，其表面氧化膜會被破壞，導(dǎo)致腐蝕加劇[3]。因此，鎂合金的表面改性處理對于鎂合金的生物醫(yī)用具有重要意義。羥基磷灰石[HA，Ca10(PO4)6(OH)2)]具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，植入人體后與骨組織有較好的結(jié)合力[4]。但純HA強(qiáng)度低、脆性大及抗疲勞性差等缺陷限制了其承重應(yīng)用[5]。因此，在鎂合金表面制備具有生物活性的 HA涂層，可集成鎂合金的強(qiáng)度韌性和 HA的耐蝕及生物相容性，得到滿足臨床應(yīng)用的人體硬組織修復(fù)替代材料。

目前，醫(yī)用金屬材料表面制備生物涂層的方法很多，主要有：仿生鈍化[6-8]、微弧氧化[9]、電化學(xué)沉積[10]、等離子噴涂[11]、離子束輔助沉積[12]、溶膠–凝膠[13]等。與其他方法相比，仿生鈍化法具有低溫操作、工藝簡單、生物相容性好[14]等優(yōu)點，因此，越來越受關(guān)注。仿生鈍化是模擬自然界中 HA的礦化過程，在自然溫和的條件下于模擬體液(SBF)中自發(fā)沉積生物活性HA的方法[15]。該法首先使基片表面帶上功能性基團(tuán)，再浸入無機(jī)礦物溶液中使無機(jī)物在功能化表面上異相成核并受控生長[16]。其中，基片表面的預(yù)處理和浸泡溶液的成分對涂層生成的影響最為關(guān)鍵，這是因為預(yù)處理的效果直接決定了基片材料的表面異相形核能力；而浸泡溶液的pH、成分及濃度等直接影響磷灰石涂層的成分、結(jié)晶度和生長速率等[17]。

2 前處理工藝

2. 1 堿及堿熱處理法

金屬浸入堿溶液時，表面會形成水合凝膠層，該凝膠層包含許多不穩(wěn)定的水和水合離子，經(jīng)熱處理可誘導(dǎo)形核。一旦形核，可吸收周圍離子形成涂層[18]。

X. N. Xu等[19]將鈣含量為1.4%的鈣鎂合金，分別用Na2HPO4、Na2CO3、NaHCO3處理24 h，再在空氣氣氛中500 °C處理12 h，最后將所有試樣超聲清洗并放入SBF溶液中測試。結(jié)果表明，3種試樣的腐蝕速率順序為：NaHCO3＜ Na2HPO4＜ Na2CO3。L. L. Tan等[20]先將AZ31鎂合金用酒精浸泡10 min，再置于弱堿性的Na2HPO4溶液中60 °C處理，最后置于NaH2PO4·12H2O和Ca(NO3)2的混合溶液中70 °C下浸泡48 h，得到性能良好的鈣磷涂層。

2. 2 酸堿二步處理法

龔沛[21]將純鎂置于1 mol/L HCl溶液中處理3 min后，再用0.5 mol/L NaOH溶液100 °C處理30 min，隨后將試樣進(jìn)行預(yù)鈣化處理，最后放入SBF中沉積。結(jié)果表明，酸堿處理后，純鎂表面變得粗糙多孔，同時多孔的表面有大量金屬氧化物生成，有利于磷灰石的形成。

L. P. Xu等[22]先將Mg–Mn–Zn合金浸入63 °C的堿溶液中處理15 min，再用磷酸和硫酸的混合溶液活化5 ～ 10 s，最后將Mg–Mn–Zn合金放入磷化溶液中浸泡6 min，在表面獲得一層具有生物活性的鈣磷涂層。

2. 3 預(yù)鈣化法

該法通過在金屬基體表面引入大量的 Ca2+來加快磷酸鈣晶核在表面的生長，從而縮短 HA涂層的生長周期。J. Hu等[23]以AZ91D鎂合金為基體，先將試樣放入0.17 mol/L Ca(NO3)2溶液中，隨后向Ca(NO3)2溶液中滴加等量的0.1 mol/L K2HPO4溶液，滴加完后將試樣置于混合液中浸泡3 h，最后將預(yù)鈣化的試樣放入37 °C的SBF溶液中分別浸泡不同時間，每24 h更換一次SBF溶液。結(jié)果表明，經(jīng)預(yù)鈣化處理的AZ91D表面生成一層磷酸氫鈣水合物，該水合物不僅能在 SBF溶液中轉(zhuǎn)化為HA，還可誘導(dǎo)HA在鎂合金表面沉積。

2. 4 其他方法

G. Y. Liu等[24]先用微弧氧化(MAO)法在高純鎂表面得到MAO涂層，再放入27 °C的、由磁力攪拌的Ca(NO3)2和K2HPO4混合溶液中浸泡3 h，隨后靜置2 h，得到 HA和二水磷酸氫鈣的混合涂層，此涂層表現(xiàn)出相當(dāng)好的生物活性。郭潔等[25]的研究表明，經(jīng)有機(jī)物熱處理后，AZ91D鎂合金在SBF及飽和鈣磷溶液(CP)中時，HA的沉積速率和結(jié)晶度都優(yōu)于堿熱法處理。

3 鈍化工藝

仿生鈍化生成 HA涂層的原理及工藝雖然比較簡單，但影響因素復(fù)雜。目前主要在鈍化液成分、處理時間以及反應(yīng)溫度等方面控制涂層的生長。

3. 1 鈍化液的pH

S. Hiromoto等[26]研究了pH對純鎂表面HA結(jié)晶度的影響。鈍化液由濃度均為0.05 mol/L的Ca–EDTA和K2HPO4組成，用聚四氟乙烯容器裝盛，鈍化的工藝條件為95 °C、8 h，用1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至5.4、6.3、7.3、11.3。結(jié)果表明，隨著pH的升高，HA涂層的結(jié)晶度也相應(yīng)增大。

3. 2 鈍化液的成分

目前較常用的鈍化液為SBF溶液，該溶液中各種離子的濃度與人體血漿中的離子濃度相近，但其配制必須按照一定的順序，否則將會產(chǎn)生沉淀[27]。由于仿生鈍化的目的是得到性能良好的HA涂層，為縮短制備時間及提高涂層性能，用于浸泡的模擬體液可與人體體液有較大的區(qū)別。表1為SBF、改性模擬體液(M-SBF)、CP 3種不同模擬體液的組成[27-29]。

表1 不同模擬體液的離子濃度Table 1 Compositions of different simulated body fluids

C. Lorenz等[28]先將純鎂放入1 mol/L NaOH中處理24 h，隨后放入M-SBF中浸泡5 d，最后進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)實驗。結(jié)果表明，在M-SBF中浸泡后，純鎂表面生成一層粗糙的具有生物活性的無定形Ca/Mg磷酸鹽涂層，經(jīng)堿處理的純鎂能使細(xì)胞很好地附著在其表面。龔沛等[29]將預(yù)處理過的純鎂放入CP中，發(fā)現(xiàn)浸泡6 d后即可在純鎂基體表面制備均勻的HA涂層。

向鈍化液中加入其他成分的離子，可生成含有該種成分的鈣磷涂層，從而提高鈣磷涂層的性能。S. S. Singh等[30]先用 3%的硝酸與酒精的混合溶液對 AZ31鎂合金進(jìn)行酸洗，隨后在65 °C的50 g/L NaOH溶液中浸泡1 h并60 °C烘干，再置于鈍化液中于37 °C下鈍化2 h，最后60 °C下烘干得到含Ca、P、Si的涂層。細(xì)胞實驗表明，含有硅酸鹽的鈣磷涂層使單純鈣磷涂層的生物相容性提高。鈍化液組成為：CaCl23 mmol/L，硅酸鹽0、0.3和0.6 mmol/L，NaH2PO41.8、1.5和1.2 mmol/L，n(Ca)/n(P+Si)恒為1.67。

另外，R. ?tulajterová等[31]發(fā)現(xiàn)增大溶液中鈣離子的濃度，可加快磷酸氫鈣(DCPD)轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石的速率。

3. 3 處理時間及反應(yīng)溫度

M. Tomozawa等[32]研究了沉積時間對涂層耐蝕性的影響。首先用體積分?jǐn)?shù)為8%的硝酸和1%的硫酸混合溶液對高純鎂進(jìn)行拋光，然后在90 °C下鈍化處理10 ～ 480 min，鈍化液由濃度均為0.25 mol/L的Ca–EDTA和KH2PO4組成。結(jié)果表明，涂層的厚度隨處理時間的延長而增大，耐蝕性也隨之提高。文獻(xiàn)[33]采用相同成分的鈍化液，研究了Ca–EDTA濃度[n(Ca)/n(P+Si)恒為1∶1]和溶液溫度對涂層的影響。結(jié)果表明，高于60 °C下處理所得涂層為HA，且Ca–EDTA濃度為0.25 mol/L時，在90 °C下處理2 h可得到均勻、致密且結(jié)晶度高的HA涂層。

4 后處理工藝

有時仿生鈍化處理所得涂層成分為HA的前驅(qū)體，因此要通過后處理將其完全轉(zhuǎn)化為 HA涂層。X. B. Chen等[34]先將高純鎂放入濃度均為 0.01 mol/L的Ca(NO3)2·4H2O和Na3PO4組成的混合溶液中65 °C處理2 min，再在80 °C下用10 g/L NaOH溶液浸泡60 min，在純鎂表面得到HA–Mg(OH)2涂層。另外，他們還通過軟件計算出65 °C下Ca2+和pH對涂層成分影響的熱力學(xué)圖解。

5 發(fā)展趨勢及展望

某些仿生鈍化前處理方法存在一定的缺陷，如酸蝕會對醫(yī)用鎂合金的力學(xué)性能造成一定的破壞，這對人體硬組織植入材料來說十分不利。另外，不同的前處理對涂層沉積的影響也十分明顯。因此，前處理的研究仍是一個重要的方向。

單純使用仿生鈍化法制得的生物涂層與合金之間的結(jié)合強(qiáng)度較低，且生長周期較慢。目前有些方法如電化學(xué)法，可快速制得 HA涂層，且涂層的結(jié)合強(qiáng)度也有所提高。因此，可考慮將仿生法作為前處理，結(jié)合其他生物涂層制備方法，從而得到結(jié)合強(qiáng)度高且生物活性好的涂層。

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[ 編輯：周新莉 ]

Research progress of biomimetic passivation of magnesium alloys for biomedical applications //

TAO Ye, ZHANG Yong-jun*

Among the functionalization of surface modification techniques of medical magnesium alloy, biomimetic passivation has incomparable advantage over other methods. Biological apatite film which has excellent bioactivity, biocompatibility, and anticorrosion function can be formed on in-situ surface of magnesium alloy by biomimetic passivation, completely meeting the strict requirements of surface quality of magnesium alloy for biomedical use. The research progress of biomimetic passivation of magnesium alloys for biomedical applications was reviewed in aspects of pretreatment, passivation process, and post-treatment. The development trend of biomimetic passivation technology was prospected.

biomedical magnesium alloy; biomimetic passivation; hydroxyapatite

School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China

R318.08; TG178

A

1004 – 227X (2012) 03 – 0039 – 04

2011–10–09

2011–10–31。

國家自然科學(xué)基金資助項目（30700179）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助重點項目（2009ZZ0063）。

陶冶（1988–），男，湖北黃岡人，在讀碩士研究生，主要研究方向為材料腐蝕與防護(hù)。

張永君，副教授，(E-mail) zhangyj@scut.edu.cn。