Mg-Nd-Ca-Zr合金表面沉积抑菌层的创新实验探索
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作者:熊少聪 毛雨旭 冯静豪 高进 宋述鹏
摘 要：生物镁合金具有与天然骨骼相似的机械性能，但其表面人体生理环境中不均匀腐蚀影响了其应用。本文基于创新实验过程，对含Ca生物镁合金材料表面沉积抑菌层的实验制备结果进行了阐述。对于含不同Ca含量的Mg-Nd-Ca-Zr合金进行表面电泳沉积的研究，并制备了缓释放抑菌层，讨论了生物镁合金表面缓释放抑菌层的制备方法及作用。
关键词：生物镁合金 表面沉积 创新实验
中图分类号：TG13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（a）-0082-02
1 生物镁合金的研究背景
生物镁合金是轻质金属材料，具有很好的生物相容性，并具有与天然骨骼相似的机械性能，因此可以称为新一代生物可降解医用材料，生物镁合金因具有可控的腐蚀速率，在心血管植入和骨修复上有很好的应用前景。
Mg的密度为1.74g/cm3，在所有的金属结构材料中密度最小，与人的骨密度相近。镁的断裂韧性比陶瓷生物材料羟基磷灰石要高，且其弹性模量约为41～45GPa，更接近人骨的弹性模量，可有效缓解应力遮挡效应，促进骨的生长和愈合并防止发生二次骨折。早在1907年，人们就使用镁合金来固定骨折的小腿。金属植入物通常机械强度和断裂韧性较好，承载力也较高，综合力学性能优于陶瓷和聚合物复合材料。但是，镁合金应用的主要问题在于在医学植入后，如何控制其体内腐蚀行为。一般的镁合金在体内的生物降解过程比较快，而且存在局部快速腐蚀的问题，因此镁合金的不均匀腐蚀阻止了其广泛应用。另一个问题是在腐蚀过程中有H2形成：如果H2释放太快，则无法吸收并发生聚集效应。除此以外，在医学应用方面生物镁合金表面的成分的抑菌性也是非常关键的因素。
2 生物镁合金的应用优势
首先，生物镁合金可以作为骨固定材料，大量研究表明，镁离子有诱导新骨生成的作用，且生物相容性较高，可以加快骨组织的愈合生长能力。其次，也可以作为心血管支架材料，与其他传统支架材料相比，由于良好的组织相容性，其植入后血管内皮化速度快，致血栓性低，可以减少血管内增生、晚期血栓等问题。再次，该材料可以用做生物支架，通过在生物支架上种植细胞，在体内或体外培养活体组织，再植入体内用以修复病变组织。
3 生物镁合金表面涂层的研究进展
目前有多种方法在镁合金表面沉积涂层，其中包括阳极氧化法、电沉积法、水热法等方法。一方面，为了生物镁合金表面有更好的生物相容性，可以通过转化涂层的方法来对材料表面进行修饰，这通常是由不同的磷酸钙化合物组成磷酸钙表面涂层，这类涂层的存在能有效地降低生物镁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]，一种在生物医学应用中能起到显著作用的化合物。在骨替代品表面负载HAP的有不少好处，主要是在具有良好的生物相容性和生物活性的同时，其原位生物降解能力较慢，从而骨骼组织会不断地进行重塑，成骨细胞和破骨细胞能够有效地被替换和移除。另一方面，为了在在形状复杂的材料上制备出较好的涂层，具有非线性沉积特点的电化学沉积被应用到生物镁合金。此方法是指在电场的作用下，通常是含Ca、P化合物电解液中的水溶金属离子还原并在镁合金表面上沉积无机物涂层（例如Ca-P涂层）。涂层厚度和成分与电解液各组分含量和沉积工艺参数有关。
4 表面具抑菌效果生物镁合金的创新实验探索
生物涂层作为传统硬组织替代和骨固定材料由于抗菌性能差，其表面会吸附细菌等微生物，造成植入初期感染，另外，涂层与基体材料生物相容性差，导致生物涂层强度较低，生物活性差。镁合金表面电泳沉积涂层是通过对镁和镁合金表面进行电泳沉积处理，从而产生一层薄薄的含纳米Ag颗粒的涂层及其化学结合到表面的沉积涂层。含有纳米Ag颗粒涂层作为抑菌保护屏障，使基材与周围环境隔离，不仅能缓释放抑菌Ag粒子，也能减缓表面腐蚀速率。而且整理目前的研究结果分析后发现，医用镁合金表面改性涂层随表面润湿性的变化，材料的表面性能也发生改变。具有疏水性的涂层，可抑制部件在湿润环境下的腐蚀，从而拓展材料的应用领域。目前生物涂层作为传统硬组织替代物由于抗菌性能差，其表面会吸附细菌等微生物，造成植入初期感染，另外，涂层与基体材料生物相容性差，导致生物涂层强度较低，生物活性差。稀土元素是非常好的镁合金化和表面处理添加元素，添加不同的稀土元素可以提高镁合金的强韧性、耐腐蚀性等。比如Zr能非常有效地细化晶粒，在体内也表现出良好的生物相容性和与骨结合能力，多数与镁生成三元或三元以上的合金。Nd能与镁合金中的Mg和其他化学元素形成新相，从而细化组织，提高组织的耐蚀性，Ca是人体骨骼中含量最高的金属元素，它的作用举足轻重。
因此，本次创新实验对含不同Ca含量的Mg-2.4Nd-Cax-0.3Zr（x=0.1，0.3，0.5）生物镁合金进行表面电泳沉积的研究，并在试样的表面制备了含有纳米Ag颗粒的缓释放抑菌层，探索了生物镁合金表面缓释放抑菌层的作用。创新实验的目的是如何在Mg-2.4Nd-Cax-0.3Zr合金表面制备可缓释放纳米银层，并且该表面修饰层厚度合适，与基体的结合性好。
生物镁合金的制备方法是以高纯镁锭、Mg-25wt%Nd中间合金、Mg-20wt%Ca中间合金、Mg-30wt%Zr中间合金为原料，采用高频感应加热炉熔铸，铸造耗损率≤2.0%，高纯镁锭纯度≥99.99%。高洁净度生物镁合金熔炼技术是采用惰性气体氩气保护，采用密封高强石英管熔炼，熔炼温度约900℃左右，高频率熔炼均匀化处理温度为550℃左右，保温时间3min，组织均匀化处理温度为250℃左右，保温时间0.5h，保温后水冷处理。
对于表面缓释放抑菌层的抑菌实验，先将Mg-2.4Nd-Cax-0.3Zr合金试样切成10×10×1mm3的长方体薄片，对其表面进行打磨抛光并进行电泳沉积纳米银表面处理，沉積层中纳米银颗粒直径控制范围20nm左右。每次试验贴放4片实验方形生物镁合金薄片，合金片中心之间相距3cm以上。将培养皿进行高压蒸汽灭菌，取出保温的液体琼脂培养基倒入培养皿内冷却30min待其凝固，琼脂培养基的厚度适中;菌种采用大肠杆菌，使用微量移液器取少量细菌培养液缓慢滴加到琼脂板上，用无菌涂布器涂抹均匀，用无菌镊子轻压薄片并盖好平皿，将所获得的试样放入37℃恒温培养箱中培养24h后，取出样品用数码照相机拍照，用游标卡尺测得抑菌圈直径大小。
参考文献
[1] H. Hornberger， et al. Biomedical coatings on magnesium alloys[J]. Acta Biomaterialia，2012（8）：2442-2455.
[2] Gérrard Eddy Jai Poinern， et al. Biomedical Magnesium Alloys： A Review of Material Properties， Surface Modifications and Potential as a Biodegradable Orthopaedic Implant [J]. American Journal of Biomedical Engineering，2012， 2（6）： 218-240
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