磷酸类分子自组装及生物分子固定对医用镁合金耐蚀性和生物相容性影响
镁合金作为一种新型可降解生物材料，在心血管支架以及骨组织工程方面具有巨大的应用潜力，然而，生理环境下的过快降解以及较差的表面生物相容性限制了其应用。本课题以ZM61镁合金为研究对象，首先通过磷化处理方法在镁合金表面形成一层磷化膜来提高镁合金材料表面及亚表面的耐蚀性能，在此基础上自组装16-膦酰基十六烷酸（16-Pho）引入羧基化学基团，并进一步依次固定聚乙二醇二羧酸（PEG）和纤连蛋白-肝素（Fn/Hep）复合物，从而赋予材料良好的生物相容性并进一步改善材料的耐蚀性能。通过材料表面表征、腐蚀行为研究和生物相容性评价来对镁合金改性前后的耐蚀性能和生物相容性进行分析与对比，结果表明表面磷化处理和自组装固定生物分子均可提高镁合金表面的耐蚀性能。结合生物分子固定技术可在提高镁耐蚀性能的同时进一步提高血液相容性和促进内皮细胞生长。关键词 医用镁合金，磷化处理，生物相容性，耐蚀性
目 录
1.绪论 1
1.1问题的提出 1
1.2医用金属材料的优缺点 1
1.3医用镁合金的腐蚀机理及其影响因素 1
1.4医用镁合金应用面临的主要问题 3
1.5提高医用镁合金耐蚀性能和生物相容性的主要手段 3
1.6医用镁合金在血液接触材料中的应用 4
1.7本课题的目的和意义 5
1.8本课题的主要研究内容与技术路线 5
2. 实验 7
2.1试剂及仪器 7
2.2试样制备 8
2.3镁合金表面改性 9
2.4材料表面化学结构 10
2.5腐蚀行为 11
2.6生物相容性测试 12
3.实验结果与分析 13
3.1 ATRFTIR分析 13
3.2 XPS分析 14
3.3材料表面亲/疏水性分析 15
3.4体外生物腐蚀行为评价 16
3.5材料表面体外生物相容性评价............................................................................21
结 论................. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
...........................................................................................................24
致 谢............................................................................................................................25
参考文献......................................................................................................................26
本科期间发表的相关学术论文..................................................................................28
1 绪论
1.1 问题的提出
近年来，生物材料因能够诊断、治疗、修复生物系统而在医学领域内展现出巨大的市场潜力和发展前景。镁基生物合金作为生物材料的一种，具有可代替损毁组织或改善机体功能的作用，广泛应用于骨固定材料、牙种植材料和心血管支架等。然而，镁化学性质活泼，镁合金在人体复杂血液环境下降解速率过快，使力学性能过早丧失和生物相容性能下降，从而制约着镁基植入材料在临床领域的广泛应用。
本课题主要针对镁合金在人体血液环境下的耐蚀性能和生物相容性能，采用表面化学改性处理提高镁基生物合金在复杂环境下的耐蚀性能，同时结合生物分子固定技术调控其生物相容性，以期达到二者的同步优化。
1.2 医用镁合金的优缺点
医用镁合金相比其它生物医用合金材料有着明显的优势：（1） 镁合金资源庞大、储量丰富，生产成本较低；（2）镁合金具有良好的生物可降解性，镁化学性质活泼，电极电位较低，与Cl反应生成MgCl2，可在人体内快速降解；（3） 良好的生物相容性，镁离子在人体内含量较多，且参与人体新陈代谢过程，对人体无毒无害。同时镁离子可促进骨生长，加速骨骼康复[1]；（4）良好的力学相容性，镁合金的弹性模量和密度基本接近人体骨骼的弹性模量和密度，可有效缓解应力遮挡效应[2]，在骨科替代材料方面具有潜在应用。而且镁基植入材料在人体内能够逐步降解，使得新生骨组织逐渐代替之前植入的金属体，是理想的生物骨科材料和血液接触材料。
但是，镁合金作为生物医用材料，依旧存在着不可忽视的缺陷。（1）镁的标准电极电位很低，易发生腐蚀，且无法自发生成有效的保护性氧化膜，特别是体内血液中的Cl会进一步加快镁合金的降解[3]；（2）镁合金降解速率过快，导致镁合金植入周围pH值升高，对人体的心血管和骨组织生长具有不利影响；（3）镁合金快速腐蚀的同时会生成大量氢气，在镁基材料表面形成气泡，从而可能影响附近组织的生理机能[4]。这些不可忽视的缺陷严重制约了镁基生物合金在临床上的应用。
1.3 医用镁合金的腐蚀机理及其影响因素
1.3.1 医用镁合金的腐蚀机理
镁的化学性质活泼，电极电位较低，在水溶液中极易发生腐蚀反应，其腐蚀机理大致如下：
镁在水溶液中的总反应式为：?
?? Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2 （总反应）?
该反应可表示为下列部分反应的和：?
Mg → Mg2+ + 2e （阳极反应）?
2H2O + 2e → H2 + 2OH （阴极反应）?
目 录
1.绪论 1
1.1问题的提出 1
1.2医用金属材料的优缺点 1
1.3医用镁合金的腐蚀机理及其影响因素 1
1.4医用镁合金应用面临的主要问题 3
1.5提高医用镁合金耐蚀性能和生物相容性的主要手段 3
1.6医用镁合金在血液接触材料中的应用 4
1.7本课题的目的和意义 5
1.8本课题的主要研究内容与技术路线 5
2. 实验 7
2.1试剂及仪器 7
2.2试样制备 8
2.3镁合金表面改性 9
2.4材料表面化学结构 10
2.5腐蚀行为 11
2.6生物相容性测试 12
3.实验结果与分析 13
3.1 ATRFTIR分析 13
3.2 XPS分析 14
3.3材料表面亲/疏水性分析 15
3.4体外生物腐蚀行为评价 16
3.5材料表面体外生物相容性评价............................................................................21
结 论................. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
...........................................................................................................24
致 谢............................................................................................................................25
参考文献......................................................................................................................26
本科期间发表的相关学术论文..................................................................................28
1 绪论
1.1 问题的提出
近年来，生物材料因能够诊断、治疗、修复生物系统而在医学领域内展现出巨大的市场潜力和发展前景。镁基生物合金作为生物材料的一种，具有可代替损毁组织或改善机体功能的作用，广泛应用于骨固定材料、牙种植材料和心血管支架等。然而，镁化学性质活泼，镁合金在人体复杂血液环境下降解速率过快，使力学性能过早丧失和生物相容性能下降，从而制约着镁基植入材料在临床领域的广泛应用。
本课题主要针对镁合金在人体血液环境下的耐蚀性能和生物相容性能，采用表面化学改性处理提高镁基生物合金在复杂环境下的耐蚀性能，同时结合生物分子固定技术调控其生物相容性，以期达到二者的同步优化。
1.2 医用镁合金的优缺点
医用镁合金相比其它生物医用合金材料有着明显的优势：（1） 镁合金资源庞大、储量丰富，生产成本较低；（2）镁合金具有良好的生物可降解性，镁化学性质活泼，电极电位较低，与Cl反应生成MgCl2，可在人体内快速降解；（3） 良好的生物相容性，镁离子在人体内含量较多，且参与人体新陈代谢过程，对人体无毒无害。同时镁离子可促进骨生长，加速骨骼康复[1]；（4）良好的力学相容性，镁合金的弹性模量和密度基本接近人体骨骼的弹性模量和密度，可有效缓解应力遮挡效应[2]，在骨科替代材料方面具有潜在应用。而且镁基植入材料在人体内能够逐步降解，使得新生骨组织逐渐代替之前植入的金属体，是理想的生物骨科材料和血液接触材料。
但是，镁合金作为生物医用材料，依旧存在着不可忽视的缺陷。（1）镁的标准电极电位很低，易发生腐蚀，且无法自发生成有效的保护性氧化膜，特别是体内血液中的Cl会进一步加快镁合金的降解[3]；（2）镁合金降解速率过快，导致镁合金植入周围pH值升高，对人体的心血管和骨组织生长具有不利影响；（3）镁合金快速腐蚀的同时会生成大量氢气，在镁基材料表面形成气泡，从而可能影响附近组织的生理机能[4]。这些不可忽视的缺陷严重制约了镁基生物合金在临床上的应用。
1.3 医用镁合金的腐蚀机理及其影响因素
1.3.1 医用镁合金的腐蚀机理
镁的化学性质活泼，电极电位较低，在水溶液中极易发生腐蚀反应，其腐蚀机理大致如下：
镁在水溶液中的总反应式为：?
?? Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2 （总反应）?
该反应可表示为下列部分反应的和：?
Mg → Mg2+ + 2e （阳极反应）?
2H2O + 2e → H2 + 2OH （阴极反应）?
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