镁合金作为生物医用材料的潜在优势

镁合金作为生物医用材料的潜在优势、存在的问题及解决思路

材料科学与工程学院 5080519079 李梦露摘要：本文主要介绍了镁合金作为生物医用材料的优缺点，并针对缺点进行了分析，提出了解决方法。

关键词：镁合金力学性能生物相容性可降解性耐腐蚀性

一、潜在优势

镁合金作为生物医用材料，在力学性能，生物相容性和可降解性三方面具有突出的优势。

1.1力学性能

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。

通过比较可以发现，不锈钢的弹性模量与人体骨骼材料弹性模量不匹配，会产生副作用，使骨骼强度降低，愈合迟缓。而镁合金及纯美强度高，弹性模量与人体骨骼匹配，同时生物相容性也较好，是良好的骨固定材料。

1.2 生物相容性

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。

1.3 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。

二、存在问题

镁及镁基合金作为生物医用材料，最大的问题是耐腐蚀性较差、

镁及镁合金的耐蚀性能较差,很容易发生点蚀,在有Cl-存在的腐蚀环境中腐蚀速率更快,且在周围介质的pH值低于11.5时,镁合金在人体内的腐蚀会加快。人体内的pH值约为7.4,在手术后的人体代谢吸收过程中可能会引起人体内二级酸液过多症,使体内环境的pH

值低于7.4,所以镁合金作为植入材料在体内会加速腐蚀。虽然镁是人体的常量元素,但吸收过量镁离子对人体也是有害的。

三、解决思路

为了解决镁合金在生物环境中的腐蚀性问题，主要采用了表面改性的方法。通过表面改性，不仅可以提高每个进的耐腐蚀性能，降低生物降解速率，而且可以进一步提高其力学性能和表面生物活性，加快组织的愈合。表面改性方法有沉积法。等离子电解氧化法、微弧氧化和添加稀土元素法。主要的作用是在镁合金表面形成一层致密的氧化物保护层，从而阻止镁和氯离子反应。

四、参考文献

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