医用镁合金表面改性对ha仿生沉积的影响
镁及镁合金由于具有良好的力学性能和生物相容性，已经成为一种发展潜力很大的医用骨科植入材料。但是，镁合金化学性质活泼，在复杂生理环境下耐腐蚀性能差，并且不能有效促进骨细胞生长。本文以ZM61镁合金作为研究对象，采用仿生沉积法在镁合金表面构建羟基磷灰石（HA）涂层，从而提高其耐生理腐蚀性能和生物相容性。衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）及扫描电镜（SEM）的检测结果表明，镁合金表面成功地覆盖了钙磷涂层，XRD结果进一步证实了涂层主要为羟基磷灰石。水接触角的实验结果表明，沉积的钙磷涂层显著提高了材料的亲水性。与未沉积涂层材料相比，钙磷涂层显著提高了镁合金的耐蚀性能，并且沉积的涂层可以明显促进成骨细胞粘附和生长，具有良好的生物相容性。关键词 镁合金，羟基磷灰石，涂层，生物相容性
目 录
1.绪论 1
1.1问题的提出 1
1.2医用镁合金的性质和应用 1
1.3镁合金在骨替代材料中的应用 1
1.4镁合金的耐蚀性 2
1.5医用镁合金的生物相容性 3
1.6镁合金表面羟基磷灰石涂层的制备方法 4
1.7 医用镁合金面临的问题 6
1.8本课题的目的和意义 7
1.9本课题的主要研究内容与技术路线 7
2实验 8
2.1样品、试剂及仪器 8
2.2实验过程 10
2.3表面结构的表征 10
2.4极化曲线 12
2.5成骨细胞的粘附与增殖 13
3实验结果与分析 13
3.1 ATRFTIR分析 13
3.2 XRD分析 14
3.3 SEM检测 15
3.4表面水接触角 16
3.5成骨细胞实验 16
3.6 极化曲线 17
结论 19
致谢 20
参考文献 21
1 绪论
1.1 问题的提出
镁合金生物材料的弹性模量以及密度与人体自然骨接近，非常适合作为可降解骨替代生物材料，然而其体内降解速度很快以及表面较差的生物相容性限制了其应用。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
羟基磷灰石具有良好的化学稳定性、生物相容性[1]，常用于骨植入材料的表面改性，用于提高其骨整合性和骨诱导性。因此，在镁合金表面制备羟基磷灰石涂层可以克服其降解快和较差的生物相容性的缺点。本文就针对这一问题展开研究，采用了仿生沉积法在镁合金表面沉积羟基磷灰石涂层，使其具有更好的生物相容性，并提高耐蚀性能。
1.2 医用镁合金的性质和应用
医用镁合金是一种潜在的可降解植入医用材料。相比于其他的植入材料，镁合金的优点在于它的降解性好，优异的力学性能和生物相容性[2]。镁合金在生理环境中能够发生降解，从而在植入人体后不需要再次手术将其取出，这有效地减轻了患者的疼痛，其降解产物对于人体来说毒副作用很小，同时镁合金的力学特性决定了其不仅能够为患处供给足够的力学支持，并且拥有良好的力学特性，镁合金压缩屈服强度和弹性模量与人骨差不多，也就是说镁合金的力学性能与人的骨头更为接近，这样就很好地避免了镁合金植入人体带来的问题。
镁合金在医疗方面能够作为固定骨材料、多孔骨修复材料、牙齿填充材料、口腔修复材料以及心血管支架等。
1.3 镁合金在骨替代材料中的应用
骨替代材料可分为自体骨，异体骨和人工骨材料[3]。镁合金材料属于人工骨材料，其优点是强度高，耐疲劳，并且延展性和重塑性好，更重要的是其生物可降解性是其他金属材料所不具备的，因此成为常用的骨替代材料。镁合金的密度接近人骨，弹性模量更是接近天然骨骼，可以有效地避免植入物弹性模量与人骨不匹配引起的应力遮挡效应。镁合金作为骨替代材料可应用于骨填充材料，颅骨的修复，骨折的固定支架，骨缺损填充支架等。随着科技的发展，将会得到更广泛的应用。
1.4 镁合金的耐蚀性
1.4.1 镁合金的腐蚀机理
由于镁的化学性质相当活泼，电极电位很低，很容易发生腐蚀行为。镁合金腐蚀的直接原因是引入合金元素和杂质元素导致镁合金中出现第二相，在腐蚀性介质中，化学活性很高的镁基体很容易与合金元素和杂质元素形成腐蚀电池，诱发电偶腐蚀[4]。镁合金的腐蚀和纯镁腐蚀相近，都是析氢反应。其反应式为：
Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
该反应分为阳极反应和阴极反应：
阳极处反应式为：Mg → Mg2+ + 2e
阴极处反应式为：2H2O + 2e → H2 + 2OH
作为生物医用材料，在复杂的人体环境中，存在许多离子和各种盐类离子，Cl、PO43、SO42等阴离子都会加速镁的腐蚀，因为这些离子都能改变镁合金表面层的保护性能。
1.4.2 影响镁合金腐蚀行为的因素
（1）介质元素的影响
介质元素的影响，不同的介质对镁合金腐蚀的影响是不同的[5]。介质的PH 对腐蚀行为影响很大，当PH<3时，镁的电位降低，腐蚀速率加快；当PH>11.5时，镁的电位升高，腐蚀速率缓慢。而在体液腐蚀环境中的PH值一般恒定在7.4，所以镁合金在体外降解实验时一般采用仿生溶液或缓冲溶液来模拟体内降解过程。并且，溶液中不同的离子对镁合金腐蚀的影响不同。
（2）合金元素和杂质元素的影响
合金元素和杂质元素对镁合金的耐蚀性有显著影响。Fe、Ni、Cu等在浓度低的时候加速镁合金的腐蚀，而Al、Sn、Cd、Mn、Si、Na、Pb等离子对镁合金腐蚀基本没影响。
（3）镁的表面产物膜
镁的化学性质较为活泼，在水溶液中会生成稀薄的氧化膜，对基体起到一定的保护作用，是控制腐蚀速率的关键。镁合金的腐蚀产物膜受溶液中离子的种类、浓度的不同而有所变化，如在含有Cl离子的腐蚀液中，表面氧化膜除了Mg(OH)2和MgO外，还有Mg(OH)2Cl3H2O、MgCl22H2O等。
目 录
1.绪论 1
1.1问题的提出 1
1.2医用镁合金的性质和应用 1
1.3镁合金在骨替代材料中的应用 1
1.4镁合金的耐蚀性 2
1.5医用镁合金的生物相容性 3
1.6镁合金表面羟基磷灰石涂层的制备方法 4
1.7 医用镁合金面临的问题 6
1.8本课题的目的和意义 7
1.9本课题的主要研究内容与技术路线 7
2实验 8
2.1样品、试剂及仪器 8
2.2实验过程 10
2.3表面结构的表征 10
2.4极化曲线 12
2.5成骨细胞的粘附与增殖 13
3实验结果与分析 13
3.1 ATRFTIR分析 13
3.2 XRD分析 14
3.3 SEM检测 15
3.4表面水接触角 16
3.5成骨细胞实验 16
3.6 极化曲线 17
结论 19
致谢 20
参考文献 21
1 绪论
1.1 问题的提出
镁合金生物材料的弹性模量以及密度与人体自然骨接近，非常适合作为可降解骨替代生物材料，然而其体内降解速度很快以及表面较差的生物相容性限制了其应用。 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
羟基磷灰石具有良好的化学稳定性、生物相容性[1]，常用于骨植入材料的表面改性，用于提高其骨整合性和骨诱导性。因此，在镁合金表面制备羟基磷灰石涂层可以克服其降解快和较差的生物相容性的缺点。本文就针对这一问题展开研究，采用了仿生沉积法在镁合金表面沉积羟基磷灰石涂层，使其具有更好的生物相容性，并提高耐蚀性能。
1.2 医用镁合金的性质和应用
医用镁合金是一种潜在的可降解植入医用材料。相比于其他的植入材料，镁合金的优点在于它的降解性好，优异的力学性能和生物相容性[2]。镁合金在生理环境中能够发生降解，从而在植入人体后不需要再次手术将其取出，这有效地减轻了患者的疼痛，其降解产物对于人体来说毒副作用很小，同时镁合金的力学特性决定了其不仅能够为患处供给足够的力学支持，并且拥有良好的力学特性，镁合金压缩屈服强度和弹性模量与人骨差不多，也就是说镁合金的力学性能与人的骨头更为接近，这样就很好地避免了镁合金植入人体带来的问题。
镁合金在医疗方面能够作为固定骨材料、多孔骨修复材料、牙齿填充材料、口腔修复材料以及心血管支架等。
1.3 镁合金在骨替代材料中的应用
骨替代材料可分为自体骨，异体骨和人工骨材料[3]。镁合金材料属于人工骨材料，其优点是强度高，耐疲劳，并且延展性和重塑性好，更重要的是其生物可降解性是其他金属材料所不具备的，因此成为常用的骨替代材料。镁合金的密度接近人骨，弹性模量更是接近天然骨骼，可以有效地避免植入物弹性模量与人骨不匹配引起的应力遮挡效应。镁合金作为骨替代材料可应用于骨填充材料，颅骨的修复，骨折的固定支架，骨缺损填充支架等。随着科技的发展，将会得到更广泛的应用。
1.4 镁合金的耐蚀性
1.4.1 镁合金的腐蚀机理
由于镁的化学性质相当活泼，电极电位很低，很容易发生腐蚀行为。镁合金腐蚀的直接原因是引入合金元素和杂质元素导致镁合金中出现第二相，在腐蚀性介质中，化学活性很高的镁基体很容易与合金元素和杂质元素形成腐蚀电池，诱发电偶腐蚀[4]。镁合金的腐蚀和纯镁腐蚀相近，都是析氢反应。其反应式为：
Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
该反应分为阳极反应和阴极反应：
阳极处反应式为：Mg → Mg2+ + 2e
阴极处反应式为：2H2O + 2e → H2 + 2OH
作为生物医用材料，在复杂的人体环境中，存在许多离子和各种盐类离子，Cl、PO43、SO42等阴离子都会加速镁的腐蚀，因为这些离子都能改变镁合金表面层的保护性能。
1.4.2 影响镁合金腐蚀行为的因素
（1）介质元素的影响
介质元素的影响，不同的介质对镁合金腐蚀的影响是不同的[5]。介质的PH 对腐蚀行为影响很大，当PH<3时，镁的电位降低，腐蚀速率加快；当PH>11.5时，镁的电位升高，腐蚀速率缓慢。而在体液腐蚀环境中的PH值一般恒定在7.4，所以镁合金在体外降解实验时一般采用仿生溶液或缓冲溶液来模拟体内降解过程。并且，溶液中不同的离子对镁合金腐蚀的影响不同。
（2）合金元素和杂质元素的影响
合金元素和杂质元素对镁合金的耐蚀性有显著影响。Fe、Ni、Cu等在浓度低的时候加速镁合金的腐蚀，而Al、Sn、Cd、Mn、Si、Na、Pb等离子对镁合金腐蚀基本没影响。
（3）镁的表面产物膜
镁的化学性质较为活泼，在水溶液中会生成稀薄的氧化膜，对基体起到一定的保护作用，是控制腐蚀速率的关键。镁合金的腐蚀产物膜受溶液中离子的种类、浓度的不同而有所变化，如在含有Cl离子的腐蚀液中，表面氧化膜除了Mg(OH)2和MgO外，还有Mg(OH)2Cl3H2O、MgCl22H2O等。
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