Mg-Nd-Ca-Zr合金表面沉積抑菌層的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探索

熊少聰 毛雨旭 馮靜豪 高進(jìn) 宋述鵬

摘 ? 要：生物鎂合金具有與天然骨骼相似的機(jī)械性能，但其表面人體生理環(huán)境中不均勻腐蝕影響了其應(yīng)用。本文基于創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過程，對含Ca生物鎂合金材料表面沉積抑菌層的實(shí)驗(yàn)制備結(jié)果進(jìn)行了闡述。對于含不同Ca含量的Mg-Nd-Ca-Zr合金進(jìn)行表面電泳沉積的研究，并制備了緩釋放抑菌層，討論了生物鎂合金表面緩釋放抑菌層的制備方法及作用。

關(guān)鍵詞：生物鎂合金 ?表面沉積 ?創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：TG13 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（a）-0082-02

1 ?生物鎂合金的研究背景

生物鎂合金是輕質(zhì)金屬材料，具有很好的生物相容性，并具有與天然骨骼相似的機(jī)械性能，因此可以稱為新一代生物可降解醫(yī)用材料，生物鎂合金因具有可控的腐蝕速率，在心血管植入和骨修復(fù)上有很好的應(yīng)用前景。

Mg的密度為1.74g/cm3，在所有的金屬結(jié)構(gòu)材料中密度最小，與人的骨密度相近。鎂的斷裂韌性比陶瓷生物材料羥基磷灰石要高，且其彈性模量約為41～45GPa，更接近人骨的彈性模量，可有效緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng)，促進(jìn)骨的生長和愈合并防止發(fā)生二次骨折。早在1907年，人們就使用鎂合金來固定骨折的小腿。金屬植入物通常機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌性較好，承載力也較高，綜合力學(xué)性能優(yōu)于陶瓷和聚合物復(fù)合材料。但是，鎂合金應(yīng)用的主要問題在于在醫(yī)學(xué)植入后，如何控制其體內(nèi)腐蝕行為。一般的鎂合金在體內(nèi)的生物降解過程比較快，而且存在局部快速腐蝕的問題，因此鎂合金的不均勻腐蝕阻止了其廣泛應(yīng)用。另一個(gè)問題是在腐蝕過程中有H2形成：如果H2釋放太快，則無法吸收并發(fā)生聚集效應(yīng)。除此以外，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面生物鎂合金表面的成分的抑菌性也是非常關(guān)鍵的因素。

2 ?生物鎂合金的應(yīng)用優(yōu)勢

首先，生物鎂合金可以作為骨固定材料，大量研究表明，鎂離子有誘導(dǎo)新骨生成的作用，且生物相容性較高，可以加快骨組織的愈合生長能力。其次，也可以作為心血管支架材料，與其他傳統(tǒng)支架材料相比，由于良好的組織相容性，其植入后血管內(nèi)皮化速度快，致血栓性低，可以減少血管內(nèi)增生、晚期血栓等問題。再次，該材料可以用做生物支架，通過在生物支架上種植細(xì)胞，在體內(nèi)或體外培養(yǎng)活體組織，再植入體內(nèi)用以修復(fù)病變組織。

3 ?生物鎂合金表面涂層的研究進(jìn)展

目前有多種方法在鎂合金表面沉積涂層，其中包括陽極氧化法、電沉積法、水熱法等方法。一方面，為了生物鎂合金表面有更好的生物相容性，可以通過轉(zhuǎn)化涂層的方法來對材料表面進(jìn)行修飾，這通常是由不同的磷酸鈣化合物組成磷酸鈣表面涂層，這類涂層的存在能有效地降低生物鎂合金外科植入物的生物降解速率。值得一提的是HAP[Ca（PO4）6（OH）[2]，一種在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中能起到顯著作用的化合物。在骨替代品表面負(fù)載HAP的有不少好處，主要是在具有良好的生物相容性和生物活性的同時(shí)，其原位生物降解能力較慢，從而骨骼組織會不斷地進(jìn)行重塑，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞能夠有效地被替換和移除。另一方面，為了在在形狀復(fù)雜的材料上制備出較好的涂層，具有非線性沉積特點(diǎn)的電化學(xué)沉積被應(yīng)用到生物鎂合金。此方法是指在電場的作用下，通常是含Ca、P化合物電解液中的水溶金屬離子還原并在鎂合金表面上沉積無機(jī)物涂層（例如Ca-P涂層）。涂層厚度和成分與電解液各組分含量和沉積工藝參數(shù)有關(guān)。

4 ?表面具抑菌效果生物鎂合金的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探索

生物涂層作為傳統(tǒng)硬組織替代和骨固定材料由于抗菌性能差，其表面會吸附細(xì)菌等微生物，造成植入初期感染，另外，涂層與基體材料生物相容性差，導(dǎo)致生物涂層強(qiáng)度較低，生物活性差。鎂合金表面電泳沉積涂層是通過對鎂和鎂合金表面進(jìn)行電泳沉積處理，從而產(chǎn)生一層薄薄的含納米Ag顆粒的涂層及其化學(xué)結(jié)合到表面的沉積涂層。含有納米Ag顆粒涂層作為抑菌保護(hù)屏障，使基材與周圍環(huán)境隔離，不僅能緩釋放抑菌Ag粒子，也能減緩表面腐蝕速率。而且整理目前的研究結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn)，醫(yī)用鎂合金表面改性涂層隨表面潤濕性的變化，材料的表面性能也發(fā)生改變。具有疏水性的涂層，可抑制部件在濕潤環(huán)境下的腐蝕，從而拓展材料的應(yīng)用領(lǐng)域。目前生物涂層作為傳統(tǒng)硬組織替代物由于抗菌性能差，其表面會吸附細(xì)菌等微生物，造成植入初期感染，另外，涂層與基體材料生物相容性差，導(dǎo)致生物涂層強(qiáng)度較低，生物活性差。稀土元素是非常好的鎂合金化和表面處理添加元素，添加不同的稀土元素可以提高鎂合金的強(qiáng)韌性、耐腐蝕性等。比如Zr能非常有效地細(xì)化晶粒，在體內(nèi)也表現(xiàn)出良好的生物相容性和與骨結(jié)合能力，多數(shù)與鎂生成三元或三元以上的合金。Nd能與鎂合金中的Mg和其他化學(xué)元素形成新相，從而細(xì)化組織，提高組織的耐蝕性，Ca是人體骨骼中含量最高的金屬元素，它的作用舉足輕重。

因此，本次創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對含不同Ca含量的Mg-2.4Nd-Cax-0.3Zr（x=0.1，0.3，0.5）生物鎂合金進(jìn)行表面電泳沉積的研究，并在試樣的表面制備了含有納米Ag顆粒的緩釋放抑菌層，探索了生物鎂合金表面緩釋放抑菌層的作用。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的目的是如何在Mg-2.4Nd-Cax-0.3Zr合金表面制備可緩釋放納米銀層，并且該表面修飾層厚度合適，與基體的結(jié)合性好。

生物鎂合金的制備方法是以高純鎂錠、Mg-25wt%Nd中間合金、Mg-20wt%Ca中間合金、Mg-30wt%Zr中間合金為原料，采用高頻感應(yīng)加熱爐熔鑄，鑄造耗損率≤2.0%，高純鎂錠純度≥99.99%。高潔凈度生物鎂合金熔煉技術(shù)是采用惰性氣體氬氣保護(hù)，采用密封高強(qiáng)石英管熔煉，熔煉溫度約900℃左右，高頻率熔煉均勻化處理溫度為550℃左右，保溫時(shí)間3min，組織均勻化處理溫度為250℃左右，保溫時(shí)間0.5h，保溫后水冷處理。

對于表面緩釋放抑菌層的抑菌實(shí)驗(yàn)，先將Mg-2.4Nd-Cax-0.3Zr合金試樣切成10×10×1mm3的長方體薄片，對其表面進(jìn)行打磨拋光并進(jìn)行電泳沉積納米銀表面處理，沉積層中納米銀顆粒直徑控制范圍20nm左右。每次試驗(yàn)貼放4片實(shí)驗(yàn)方形生物鎂合金薄片，合金片中心之間相距3cm以上。將培養(yǎng)皿進(jìn)行高壓蒸汽滅菌，取出保溫的液體瓊脂培養(yǎng)基倒入培養(yǎng)皿內(nèi)冷卻30min待其凝固，瓊脂培養(yǎng)基的厚度適中;菌種采用大腸桿菌，使用微量移液器取少量細(xì)菌培養(yǎng)液緩慢滴加到瓊脂板上，用無菌涂布器涂抹均勻，用無菌鑷子輕壓薄片并蓋好平皿，將所獲得的試樣放入37℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h后，取出樣品用數(shù)碼照相機(jī)拍照，用游標(biāo)卡尺測得抑菌圈直徑大小。

參考文獻(xiàn)

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