生物可降解金属材料体外腐蚀测试体系综述

生物可降解金属材料体外腐蚀测试体系综述甄珍、奚廷斐、郑玉峰1. 北京大学前沿交叉学科研究院，生物材料与组织工程中心，北京 100871；2. 温州医学院信息工程学院，温州 325035；3. 北京大学工学院，材料科学与工程系，北京 100871摘要：随着生物可降解金属材料日益受到关注，大量的体外腐蚀测试体系被用来模拟其体内腐蚀行为。

不同的测试体系具有其独特的优点和缺点。

为建立一个合理的并且更接近体内真实情况的测试体系，对可降解金属材料的腐蚀机理和体外腐蚀测试体系进行总结。

从电解质溶液的选择、样品表面粗糙度的影响、测试方法以及腐蚀速度的评价方法等几个方面进行阐述，得到以下初步结论：电解质溶液应该选择与体液成分接近的含有蛋白的缓冲模拟体液，样品表面粗糙度和溶液体积与样品表面积之比应该接近植入部位的实际要求，并且采用动态腐蚀测试方法，同时多种腐蚀速度评价方法应当相互参照。

关键词：生物可降解、金属材料、体外测试、镁、铁1、引言生物可降解的金属材料已经收到近年来越来越多的关注。

由于生物降解性金属材料，所带来的负面效应的永久在体内存在的植入物的减少，如炎症引起的心血管支架，再狭窄和应力遮挡引起的骨科植入物。

镁合金和铁合金两种生物降解这是研究人员所关注的金属。

动物实验[1-7]和临床试验的[8-11]已经证明的安全性和可行性生物可降解金属作为植入物，但同时有些缺点也暴露无遗。

尽管巨大的这两种合金，快速降解率的潜力镁为基础的生物医学植入物和缓慢降解在铁基生物医学植入率生理环境中施加严格的限制许多临床应用。

为了开发新种合金和评估的生物腐蚀特性材料，有一定的体外腐蚀系统应建立了可以模拟的降解过程金属植入物在体内。

体外腐蚀试验模拟并评估在体内通过一系列的体外方法，可降解过程如电化学测试，失重试验和氢进化试验。

研究人员在体外构建不同各种电解质溶液和模拟系统样品表面的不同比例，以溶液的体积，这会导致数据的不可比性。

因此，除了主观处理的材料，如元件的选择，表面涂层，并且处理技术，客观条件应尽可能一致可能和接近体内条件。

为了建立一个更合适的体外试验系统中，四个方面进行了讨论如下：1）电解质溶液选择; 2）表面粗糙度的影响力;3）测试方法：电化学测试和浸泡试验;4）评价腐蚀速率的方法.2、可生物降解合金的腐蚀机理2.1镁合金镁的溶解在水环境中一般通过电化学与水反应所得产生的Mg（OH）2和H2 [ 13 ]。

全面腐蚀镁合金的反应还没有被研究系统。

然而，这是合理的预期镁合金的腐蚀反应是类似的纯镁。

李等人[ 14 ]报道的主要腐蚀产品的镁合金在体内和体外Mg（OH）2。

在体外培养体系中，腐蚀过程主要包括化学反应如下：Mg→Mg2+ + 2e (1)2H2O+2e→H2↑+2OH− (2) Mg2++2OH−→Mg(OH)2↓ (3)Li等[14]揭示了腐蚀过程并且在随后的羟基磷灰石的形成镁钙的在合金/水溶液生物腐蚀模型接口，如图1所示。

也可以用该模型描述其它镁合金的腐蚀过程。

2.2 Fe合金从析氢反应不同镁合金，Fe合金出现氧化吸收腐蚀在水性环境中。

基于该浸泡在汉克的解决方案中的Fe的测试结果，该降解的作用机理是通过moravej等人的建议[ 15 ]如下。

当铁浸渍在溶液中或暴露于该溶液流，它被氧化成Fe2 +的基础上反应式如下：Fe → Fe2+ + 2e− (4) 一些Fe2 +的可以下转化为Fe3+碱性pH和氧的环境条件Hank溶液和Fe（OH）3的制备： 1/2O2 + H2O + 2e−→ 2OH− (5)Fe2+ + 2OH−→ Fe(OH)2 (6)Fe2+ → Fe3+ + e− (7)Fe3+ + 3OH−→ Fe(OH)3 (8) 当溶液被充气并且在存在氯离子，铁（OH）3的水解和针铁矿（α-FeO的（OH））沉淀。

Fe（OH）2会再与FeO的一部分反应（OH）和磁铁矿形成：Fe(OH)2 + 2FO(OH) → Fe3O4 + H2O (9)从溶液中析出的Ca和P元素随着氢氧化物和氧化物形成的表面铁负责的最初几天之后减少。

图2示出的Fe-Mn的降解机理在修改的降解动态试验过程中合金Hank溶液。

图1.合金/溶液腐蚀的接口原理图：（a）Mg和Mg2Ca相之间的电偶腐蚀；（b）部分保护膜覆盖Mg2Ca 合金表面；（c）将镁吸附的氯离子（OH）2为氯化镁；（d）羟基磷灰石的形成由消耗的Ca2 +和3−PO4；（e）瓦解掉颗粒形状的残留体衬底图2 .Fe-Mn系合金的腐蚀机理：（a）初始腐蚀反应;（b）氢氧化物层的形成;（c）坑的形成;钙/磷层（d）的形成3.体外腐蚀测试系统3.1 电解质溶液的选择通过体外试验获得体内的腐蚀数据，最重要的因素是合适的电解质解决方案系统。

各种溶液的系统已经在过去的十年里用来模拟体液。

该主要类型的解决方案，包括：0.9％NaCl 水溶液解决方案，SBF（模拟体液），汉克的，PBS（磷酸盐缓冲盐水），DMEM培养基等。

表1总结了不同的模拟人体的组成。

材料显示不同的腐蚀行为的不同的解决方案。

表2列出了电化学数据AZ91镁合金在不同模拟人体的解决方案。

服用AZ91D例如，腐蚀电流密度（Jcorr）（22.5μA/cm2）在0.9％NaCl 水溶液解决方案由姚等人测试过[20]小于（297在汉克的Song等人[21]一个测试μA/cm2）数量级。

即使在类似的解决方案，结果可能有很大的差距。

在M-SBF的Jcorr为65.7μA/cm2[17]，而在M-SBF是0.705μA/cm2[22]。

这样的电解质溶液中的某些组合物是必不可少的到测试系统。

表1组成的不同模拟体液表2 AZ91合金在各种电化学数据模拟体解决方案山本和广本[ 25 ]有研究了无机盐，氨基酸的影响与纯镁的体外降解的蛋白质。

六类型的解决方案被用于浸渍试验：血浆，氯化钠，氯化钠+ HEPES ，氯化钠+碳酸氢钠，厄（ + ），E-MEM ，和E - MEM + FBS 。

研究结果表明，蛋白质吸附在镁磁盘表面有显著作用对Mg溶出迟缓。

这可能是由于对蛋白质的吸附，使不溶性的盐一层致密的或更有效的是对一个屏障腐蚀。

但氨基酸和某些有机螯合化合物可形成与金属阳离子，一个复杂的加速金属的溶解。

Zeng等人[ 26 ]所获得的相同的结论是，添加牛血清白蛋白（ BSA）的显著移开路电位向更积极的价值SBF并趋于减缓局部腐蚀。

辛等人[ 23 ]研究了侵蚀性离子对的影响在生物医学镁合金的降解行为生理环境。

他们的结论是OH -CAN提高局部的腐蚀和稳定腐蚀产品的Mg （ OH ） 2 ，而Mg （ OH ） 2层松散，不能提供足够的保护。

此外，氯化表面上的离子能转换形成的Mg（OH）2成可溶性的MgCl2，而 - HCO3-和 - 24HPO可以变换的Mg（OH）2成更稳定的giorgiositeMG5（CO 3）4（OH）25H2O和为Mg3（PO4）2，分别。

高pH值加速镁磷酸盐的沉淀和碳酸酯，而且也稳定的Mg（OH）2。

这些业绩已经由其他研究验证为好。

该24 - 镁的腐蚀速率HPO-稀缺SBF为两倍于正常SBF[27]，并广本等人[28]研究了pH对腐蚀的影响纯镁的硼酸盐缓冲溶液的性质，这说明pH值会影响稳定性的Mg（OH）2。

综上所述，无机离子对的影响是镁合金的腐蚀机理如下：Mg→Mg2+ + 2e (10)2H2O+2e→H2↑+ 2OH− (11)Mg2+ + 2OH−→Mg(OH)2↓ (12)Mg(OH)2 + Cl−→Mg2+ + Cl− + 2OH− (13)Mg(OH)2+ HCO3→Mg5(CO3)4(OH)2·5H2O (14)Mg2+ + HPO4- →MgHPO4↓ (15) 总而言之，无论是无机离子和有机部件对一个显著影响金属合金的退化过程，因此组合物该解决方案必须谨慎选择。

缓冲区含有类似成分的电解质溶液人血浆应该用来传达在体外降解试验。

3.2 表面粗糙度的影响各种表面处理被施加到改善生物材料的腐蚀特性。

这些治疗方法，如喷砂打磨，涂层或氧化，是有意修改处理的金属材料，但表面粗糙度对腐蚀的影响属性通常被忽略。

磨削工艺不同表格1000目、1200目、2000目、以4000网文，并按照钻石贴上不同粒径的抛光。

但是，表面粗糙度的影响的腐蚀速率材料。

表面处理，如机械抛光，电解抛光和采摘将提高他们的的耐腐蚀性，而粗糙表面会增加腐蚀速率。

同时，表面粗糙度对增殖，分化作用，蛋白质合成人成骨细胞，并且细胞分泌物可能会影响金属的生物降解料相反。

因此，为了模拟植入物的生物降解过程中，在表面处理试验样品应尽可能同诊所的产品。

3.3 电化学测试电化学测试是一个方便和容易方法通过测试来评估腐蚀性的OCP（开路电位），极化曲线和电化学阻抗谱（电化学阻抗谱）通过三电极系统。

以下是一些方面影响腐蚀的结果。

3.3.1 极化曲线扫描速度电位极化测量是对于采用的研究人员最常用的方法其便，但参数选择的差异可以带来区分。

其中最重要的参数之一是扫描率。

随着扫描速度的增加，Jcorr上升和零电流电位转变到更负的值。

该原因在于，当扫描速率低，电极系统处于稳定状态的近似。

的速度电子转移是相等的电子消费在这种状态下，这样一个精确的零电流电位可获得的。

随着扫描速度的增加，稳态系统被扰乱，电子转移的速度比阴极电子消费大反应，这导致了电子的积累电极的表面，并导致负移零电流电位。

另外，较慢的扫描速率是，电流密度的清晰的峰变。

因此，在扫描速率动电位极化测量应足够慢，而且测试时间要短。

0.5毫伏/秒或1 mV / s时，建议。

3.2 EIS3频率在EIS测试，频率范围具有在光谱的重要作用。

如果该电极系统是够稳定，频率应足够低，以使测量时间较长。

另一方面，如果电极系统处于活动状态，其表面具有字符在很长一段时间的测试过程中改变。

该数据几乎没意义在此情况。

这样的频率应更高的保证很短的时间考验。

因此，在选择根据合理的测试频率范围的具体情况是致命的获取对象数据。

为100 kHz-10 MHz范围内，普遍采用。

最低频率被设定在10 MHz为了减少时间和潜在的噪声干扰。

EIS的测量可能受到从高频恒电位仪的相移区域，因此，上限频率设置在100kHz。

3.4浸泡试验浸泡试验也是一种常见的方法评估的可生物降解的腐蚀特性的金属材料。

根据ISO10993-15（医疗设备 - 第15部分生物学评价：降解产物的定性和定量分析从金属和合金），和ASTM G31-72（实验室浸泡腐蚀标准的做法金属测试），测试材料的降解化学溶液，并且腐蚀产物是通过一系列的方法进行分析。

ISO10993 - 15表明，试验室应盖紧，以防蒸发，并维持在37℃7天，然后是分析。