文献综述

TCP/Mg-Zn-Ca生物复合材料的体外降解特性研究

姓名：邓凯倩学号：20100892

摘要从2l世纪初开始，以生物可降解镁合金为主要代表的具有生物可降解特性的新一代医用金属材料的研发展迅速，受到了人们的特别关注。这类新型医用金属材料改变人们通常将金属植入材料作为生物惰性材料使用的传统思想，巧妙地利用镁基金属材料在人体环境中易发生腐蚀(降解)的特性，来实现金属植入物在体内逐渐降解直至最终消失的医学临床目的。

关键词：镁合金力学性能生物相容性可降解性可降解支架耐腐蚀性

正文：

一、Mg合金生物医用材料的概述：

镁是人体必需的宏量元素之一,在机体所含众多金属离子中镁的含量居第四位,在细胞内居第一位,是仅次于钾的细胞内正离子。镁催化或激活机体300多种酶系,参与体内所有能量代谢。通常永久性金属材料植入体内,由于材料的腐蚀或磨损而导致有毒性金属离子或粒子的释放,从而引发炎症反应,降低材料的生物相容性。用镁及镁合金作植入材料,在一定镁离子释放量的范围内,不但不用考虑微量金属离子对细胞的毒性，而且植入材料中的镁离子对人体的微量释放还是有益的。此外，由于镁与镁合金的密度为117g/ cm3 左右,在所有结构材料中密度最小,与人体密质骨的密度( 1175 g/ cm3 ) 相近, 而且其弹性模量(45GP) 与人体骨组织极为接近,从而有效缓解了应力遮挡效应对骨生长的负面影响。因此镁合金作为血管支架及骨钉骨板材料具有不可比拟的优越性。

下图分别为骨钉骨板和血管支架：

Mg合金作为可降解支架的材料满足下列要求：①具有足够的强度，在足够的径向力作用下能够完全扩张以达到成功植入及防止血管弹性回缩的作用；②合适的降解速度（过快的降解可能伴发炎症反应）及维持时间；③具有较好的组织、血液相容性；④材料本身及其降解产物无毒。

二、Mg在人体中的降解方式

⑴电池作用腐蚀

电池作用腐蚀通常被看做是镁合金靠近阴极区域的严重腐蚀，阴极可能是内部的，即第二相或者杂质相；也可能是外部的，与镁接触的其它金属，具有低氢过点位的金属组成镁的阴极，引起严重的电池作用腐蚀。将活性腐蚀电位与高氢过电位的金属如Zn结合起来，如果这种合金与其它合金耦合，高纯度不能保证Mg 合金抵抗电池作用腐蚀。

合金抵抗电池作用腐蚀，加剧腐蚀的原因有以下几点：①介质导电性高；②阴极与阳极间的电位差大；③阴极与阳极间的极化性低；④阴极到阳极的面积比

比较大；⑤阳极到阴极的距离小。

⑵晶间腐蚀

Mg合金的腐蚀不会沿着晶界，由晶间腐蚀深入到内部，因为在通常条件下晶界相会从阴极到晶粒内部，腐蚀较倾向于晶界处，直到晶粒被腐蚀掉。

⑶应力腐蚀断裂

在碱性介质﹙PH≥10. 2﹚中，在氯化物溶液中，Mg合金能抗应力腐蚀断裂，在中性溶液及蒸馏水中，Mg合金对应力腐蚀作用敏感。

Mg合金在水溶液中发生穿晶断裂的应力腐蚀断裂，铸造镁合金中很少发生应力腐蚀断裂，但在铸造合金中，应力腐蚀断裂沿孪生面发生，添加了锌元素更促进应力腐蚀断裂的发生。

⑷区域性腐蚀

Mg在自由腐蚀电位下易发生点蚀，它是一种自然钝化金属，在碱性或者中性盐溶液以及在非氯化介质中，或者暴露于氯离子存在的环境中，镁合金的只要腐蚀形式是点蚀，重金属的污染会促进点蚀，在镁合金中，晶粒产生基蚀和选择性脱落的腐蚀，形成点蚀

⑸高温腐蚀

在高温氧气存在的环境中，锌等大多数合金化元素能加剧镁的腐蚀速率，随着温度的升高，镁的腐蚀速率迅速增加，镁的氧化速率与温度成线性关系。

⑹丝状腐蚀

丝状腐蚀的头部是阳极，尾部是阴极，它是由穿过表面运动的活性腐蚀电池引起的，丝状腐蚀发生在有涂层的纯镁中，在没有氧化层或保护涂层时丝状腐蚀不会发生。

三、Mg合金生物医用材料优势

镁合金作为生物医用材料，与其他医用金属材料相比，镁合金具有如下的优势：

1)可降解性。镁基合金在人体生理环境中可腐蚀降解,但是与其它类型的可降解材料相比,其具有明显高的强韧性和更优的加工性能。由于体液中存在氯离子，同时镁元素在氯离子溶液中降解速率较快，于是镁基合金在生物体内具有可降解性。另外，有实验表明，热处理状态可以改变镁合金在体内的降解速率，一般而言热处理的较铸态和锻态而言降低了点蚀发生倾向,降解速度更慢。

2)生物相容性高。 Mg作为人体必需的营养元素，在人体内含量仅次于Ca、K、Na，排第4位。目前，许多发达国家已将镁列为人体必需元素，补镁的重要性并不亚于补钙。世界卫生组织建议成人每天需要的摄镁量为28¨300 mg，少年儿童为250 mg，婴幼儿为80 mg。Mg的生理功能主要体现在它能催化或激活机体325种酶系，参与体内所有能量代谢。对肌肉收缩、神经运动机能、生理机能及预防循环系统疾病和缺血性心脏病均具有重要作用。镁的排泄主要通过泌尿系统，它在人体内吸收不会导致血清镁含量的明显升高。通常食物中所含镁的30％～50％由肠胃吸收。另外，肾脏是Mg代谢调节的中心，血浆中自由Mg离子和Mg盐每天由肾小球进行过滤，其中，95％--98％由肾小管进行再吸收。由于肾小管的再吸收将影响血浆中Mg的浓度，如果从肠胃吸收的Mg的吸收量增加，则肾小管的再吸收量就会减少，排泄量增加，使得血浆中的Mg浓度保持一定。因此，采用镁合金作为医用可降解生物材料具有良好的医学安全性基础。毒性试验表明,镁合金浸提液无细胞毒性,不会显著降低成纤维细胞和成骨细胞的存活率。与纯镁对比,镁合金溶血率更低,黏附的血小板数量也更少,因此适当添加合金元素,可以将镁基合金应用在骨骼和血管植入物材料方面。此外，体外溶血率和细胞黏附试验结果证实其具有良好的生物相容性,并能加快前成骨细胞在合金表面的黏附。理想的生物可降解吸收材料在体内应完全降解,且其降解产物对周围组织无害。镁基合金毒副作用小且血溶速率大，具有良好的生物相容性。3)力学性能好。

研究表明镁及镁合金有可能作为新的骨固定材料,因为镁及镁合金有高的比强度和比刚度,纯镁的比强度为133GPa/(g/cm3),而超高强度镁合金的比强度已达到480 GPa/(g/cm3),比Ti6Al4V的比强度(260 GPa/(g/cm3))高出近1倍。镁及镁合金的杨氏模量约为45GPa,更接近人骨的弹性模量(20GPa),能有效降低应力遮挡效应。镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3,与人骨密度(1.75g/cm3)接近,远低于Ti6Al4V的密度(4.47 g/cm3),符合理想接骨板的要求。因而用镁及镁合金作为骨固定材料,能够在骨折愈合的初期提供稳定的力学环境,逐渐而不是突然降低其应力遮挡作用,使骨折部位承受逐步增大乃至生理水平的应力刺激,从而加速愈合,防止局部骨质疏松和再骨折。镁合金，不锈钢以及人体骨骼的力学性能参数可以参见表1。