淺議醫(yī)用鎂合金微弧氧化表面改性

張恒西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

淺議醫(yī)用鎂合金微弧氧化表面改性

張恒
西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

鎂及其合金作為一種重要的生物醫(yī)用材料，在生理環(huán)境下較差的耐腐蝕性能已成為限制其發(fā)展與應(yīng)用的重要因素。而微弧氧化技術(shù)作為一種重要的鎂合金表面改性手段被廣泛研究和應(yīng)用。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與論證，對(duì)醫(yī)用鎂合金微弧氧化表面改性技術(shù)進(jìn)行探索與評(píng)價(jià)，以期拓展其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

生物材料；鎂合金；微弧氧化；表面改性

1、引言

鎂及其合金是一種重要生物醫(yī)用材料，對(duì)于修復(fù)和替代人體的一些肌體組織起著至關(guān)重要的作用。鎂及其合金和其他材料相比較而言，更加適合負(fù)重區(qū)域的應(yīng)用。然而，因?yàn)殒V合金的化學(xué)電位低、化學(xué)性質(zhì)比較活潑，使得鎂合金表面的氧化物膜容易被腐蝕而喪失其結(jié)構(gòu)性能或?qū)е缕涔δ芑?，因此必須采取適當(dāng)措施，對(duì)鎂合金表面進(jìn)行改性處理，以增強(qiáng)其耐腐蝕性能從而延長(zhǎng)其使用壽命。本文對(duì)有關(guān)醫(yī)用鎂合金微弧氧化表面改性工藝進(jìn)行研究和探討，以得出科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2、試驗(yàn)研究

2.1原料

試驗(yàn)材料：AZ31B醫(yī)用鎂合金，化學(xué)成分包括Al、Zn、Mn、Si等，鎂合金板的尺寸是15mmx15mmx0.6mm。試驗(yàn)所用化學(xué)試劑包括氫氧化鈉、硅酸鈉、磷酸鈉、氯化鉀等。

2.2設(shè)備

（1）微弧氧化設(shè)備。微弧氧化設(shè)備圖參考圖一，其組成包括微弧氧化電源系統(tǒng)、電解槽以及攪拌器等，其中電解槽的材質(zhì)是不銹鋼，和電源負(fù)極進(jìn)行連接，作為陰極。微弧氧化時(shí)攪拌器持續(xù)攪拌，從而起到加速電解液流動(dòng)的作用，確保電解質(zhì)穩(wěn)定，此時(shí)外界冷卻水處于循環(huán)中，保證電解液溫度在30℃左右。

（2）微弧氧化電源系統(tǒng)。本試驗(yàn)中選擇的是WIlD-30型微弧氧化電源系統(tǒng)，此電源系統(tǒng)的控制方式和輸出方式均可以調(diào)節(jié)，系統(tǒng)還能夠起到單雙極性可選的功能。電源系統(tǒng)能夠穩(wěn)定持續(xù)的輸出正負(fù)向0～45A的直流電流。系統(tǒng)輸出的電源頻率處于50～2000Hz的范圍，占空比為5%～95%，脈沖個(gè)數(shù)1～30間可調(diào)。電壓穩(wěn)定精度與電流穩(wěn)定的精度均不會(huì)超過l%。

此外，還有一些設(shè)備，比如，超聲波清洗器、電子分析天平、恒溫振蕩槽、真空干燥箱、PH計(jì)、甘泵電極等，這里不再多做介紹。

圖一　微弧氧化設(shè)備圖

2.3方法

（1）首先，進(jìn)行微弧氧化陶瓷膜的制備，用水磨砂紙對(duì)原料進(jìn)行打磨，將其清洗后置于干燥器中。此時(shí)需要注意，可以采用200#、400#、600#、1000#、2000#的砂紙進(jìn)行對(duì)比。具體參考圖一，如果電壓大于起弧電壓，則試樣表面出現(xiàn)微弧放電的情況，也就是出現(xiàn)微弧氧化，利用循環(huán)水冷卻，確保電解液溫度在20～40℃范圍內(nèi)。（2）封孔涂層的制作，分為三個(gè)步驟，依次是沸水封孔、溶膠-凝膠封孔，最后獲得經(jīng)過明膠-HA有機(jī)封孔的試樣。（3）模擬體液的制作，其中涉及到的試劑與操作次序?yàn)椋合礈臁⑷芙?、調(diào)節(jié)PH，最后保存。（4）制作帶有緩蝕劑的酸性腐蝕液。（5）試驗(yàn)技術(shù)路線：鎂合金絲→新增陶瓷相成分→封孔技術(shù)→微弧氧化技術(shù)制備陶瓷層→通過SEM、EDS、XRD等方法表征膜層的微結(jié)構(gòu)→膜層微觀結(jié)構(gòu)成分特點(diǎn)→膜層耐蝕性研究→工藝優(yōu)化。

3、微弧氧化表面改性鎂合金體外浸泡實(shí)驗(yàn)研究

為對(duì)以上制備試樣的生物性能進(jìn)行研究，選擇體外循環(huán)模擬體液浸泡表征植入物的方法，以模擬生物體內(nèi)的腐蝕行為。實(shí)際情況來看，模擬體液浸泡實(shí)驗(yàn)一方面能夠研究試樣在模擬體液環(huán)境中發(fā)生的腐蝕行為，另一方面還能夠反映此材料表面沉積羥基磷灰石以及提升骨結(jié)合性能的程度。此外，還能給鎂合金醫(yī)學(xué)臨床腐蝕速率提供一定的數(shù)據(jù)支持。

實(shí)驗(yàn)選擇表面改性之后的五種絲材試樣以及原始鎂合金絲材試樣進(jìn)行分析，將試樣放置在具有新鮮的模擬體液的試樣瓶中開展浸泡腐蝕。在實(shí)驗(yàn)里為充分模擬體內(nèi)環(huán)境，選擇恒溫振蕩槽確保試樣瓶中的模擬體液溫度始終保持在(37.5±0.5)℃，并進(jìn)行持續(xù)振蕩。此外，需要注意的是，試樣瓶中的模擬體液要每?jī)商爝M(jìn)行更換。在不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)取樣觀測(cè)，做好成分物相分析。

其次，進(jìn)行成分分析。試樣處于模擬體液中長(zhǎng)時(shí)間浸泡，有可能誘導(dǎo)類骨磷灰石形成于試樣表面。類骨磷灰石是成骨一個(gè)重要組成元素，類骨磷灰石的含量越多，則表示試樣誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)的能力就越強(qiáng)，而且生物相容性也表現(xiàn)的比較突出，所以必須要利用EDAX分析手段，對(duì)膜層內(nèi)Ca/P比例進(jìn)行分析，表征膜層中類骨磷灰石中是如何形成的。最后結(jié)果表明，在模擬體液腐蝕浸泡時(shí)各試樣表面的Ca/P原子比處于持續(xù)變化中，伴隨浸泡時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，表面沉積物質(zhì)也在增多，對(duì)于類骨磷灰石的成長(zhǎng)有所幫助。

采用該方法對(duì)鎂合金試樣進(jìn)行微弧氧化表面處理，通過六十天循環(huán)模擬體液浸泡后，產(chǎn)生不同程度的腐蝕。鎂合金試樣在浸泡4天之內(nèi)，出現(xiàn)較嚴(yán)重的破壞，并且碎斷成很多小碎片，此時(shí)，試樣喪失其使用價(jià)值。微弧氧化試樣在經(jīng)過浸泡4天后，幾乎沒有什么太大的變化，然而在7天后，開始產(chǎn)生局部裂紋，后來裂紋逐漸擴(kuò)展到整個(gè)試樣，且有變大變深的趨勢(shì)。

最后，實(shí)驗(yàn)中對(duì)于浸泡結(jié)果比較好的幾組試樣進(jìn)行XRD物相分析。選擇的工藝參數(shù)一致，在型號(hào)為15x15mm的鎂合金板片上制備相應(yīng)的膜層，利用SBF浸泡28天，XRD對(duì)前后物相進(jìn)行分析，目前情況是發(fā)現(xiàn)試樣在模擬體液浸泡之后的物相變化規(guī)律。

4、結(jié)語

總而言之，本文利用電化學(xué)、模擬體液浸泡腐蝕以及酸性環(huán)境模擬腸液腐蝕等方法對(duì)所獲得的試樣在模擬體液及酸性環(huán)境中的腐蝕特性進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)證明醫(yī)用鎂及合金表面改性能夠在一定程度上提升鎂合金的耐蝕性能，降低人體內(nèi)降解速度，可以在醫(yī)學(xué)及其他領(lǐng)域進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

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