镁基生物材料的表面改性和生物相容性研究-材料科学与工程专业论文.docx

摘要生物材料与人类身体健康水平和生活质量息息相关，已成为各国经济发展新 的增长点。镁基材料有着优越的生物相容性和力学相容性，并具可腐蚀降解，有 望成为可降解的金属硬组织替代材料，成为了生物材料领域新的研究热点。本研究以镁基材料为对象，对 99.99%的纯镁（4N-Mg）以及 Mg-Ca 系合金在 仿生体液中腐蚀降解过程和机制进行了研究。为改善其腐蚀行为和生物活性，对 其进行了硬脂酸自组装膜改性处理，并对改性工艺机理和改性后的腐蚀行为进行 探讨。为评价镁基材料的生物相容性和成骨行为，对镁基材料进行了溶血率、细 胞毒性等体外相容性评价以及全身急性毒性和骨植入试验的体内相容性评价。方法：①使用模拟人体生理环境的仿生体液（SBF），对铸态 4N-Mg 和自行熔炼的铸 态 Mg-Ca 系合金进行体外浸泡研究。 利用 XRD、SEM、EDS、FTIR、原子吸收 光谱、电化学分析系统等设备和手段，分析讨论其腐蚀过程、速度和机制。② 使用硬脂酸自组装膜（SAM）改性方法对 4N-Mg 以及 Mg-0.88Ca 进行改 性处理研究。首先通过正交试验筛选了包括试样的前处理方法、硬脂酸浓度和在 硬脂酸乙醇溶液中的浸泡时间等工艺参数并进行验证；然后对所选用的高浓度短 时间浸泡的方法与传统的低浓度长时间浸泡方法进行对比研究，并比较了 SAM 改 性后再进行超声清洗的改性层的抗腐蚀性能。以最优工艺对 4N-Mg 以及 Mg-0.88Ca 进行改性处理，对改性后试样的腐蚀过程进行研究。③ 对 SAM 改性前后的 4N-Mg 和 Mg-0.88Ca 材料的浸提液以及未处理 4N-Mg 浸提液的稀释液，依照 ISO 10993.4 的标准进行溶血率测试，并分析 pH 值、溶液 中的镁离子浓度与溶血率关系。④ 以 L929 成纤维细胞和 MC-3T3E1 成骨细胞与 4N-Mg 和 Mg-0.88Ca 材料的 浸提液和未处理 4N-Mg 浸提液的稀释液，进行 MTT 细胞毒性测试，并测定稀释 浸提液中的镁离子浓度。再以成骨细胞与 SAM 改性前后的 4N-Mg 和 Mg-0.88Ca 材料共培养，讨论材料对细胞增殖和活性状态的影响。⑤ 对 SAM 改性前后 4N-Mg 浸提液作全身急性毒性试验，以纯种小白鼠为对 象施以腹腔注射，给药后 7d 内观察小鼠的症状和活动状况以及体重变化。⑥ 将 SAM 改性前后的 4N-Mg 和 Mg-0.88Ca 材料以及 Ti6Al4V 对照样植入白 兔股骨，植入后各组 2 周、6 周、12 周时任取 1 只处死。进行 X 线片检查，血镁 浓度测试，并对标本进行扫描电镜（SEM）观察、能谱分析（EDS）以及组织切 片光镜观察。结果：① 未处理 4N-Mg 和 Mg-Ca 系合金研究1 ） Mg-0.88Ca 、 Mg-1.42Ca 、 Mg-2.0Ca 三 种 镁 钙 合 金 中 ， 钙 含 量 最 低 的 Mg-0.88Ca 在 SBF 中显示较好的耐腐蚀性，4N-Mg 显示更强的腐蚀抗力； 4N-Mg 及 Mg-0.88Ca 损伤形式主要是腐蚀坑和网状裂纹，后者在个别处有颗粒腐蚀脱落 的局部不均匀腐蚀现象；试样表面被 Mg(OH)2、HA、CaMg(CO3)2 等白色颗粒和微 小的半球状的沉积物覆盖。2）E-pH 图分析表明，当 pH 值超过 11.38 后纯镁才进入到钝化区。SBF 中 HCO3-、 HPO42-等阴离子也可以与镁发生反应导致其腐蚀。4N-Mg 及 Mg-0.88Ca 材料细胞 毒性满足要求，没有引起全身急性毒性反应，但溶血率不合要求。② 在 0.5 mol/L 硬脂酸乙醇溶液中浸泡 1.5h 所得自组装膜经过超声清洗后， 对 4N-Mg 及 Mg-0.88Ca 的抗腐蚀行为有明显提高。其耐蚀性要优于在稀溶液中长 时间浸泡所得膜层，并显示出更好的生物活性。其细胞毒性和溶血率均满足对生 物材料的要求。对成骨细胞增殖的促进作用超过未处理试样，没有引起全身急性 毒性反应。③ 在本实验条件下，当 pH 值不超过 10.61，Mg2+浓度不超过 42mg/L 时，溶 液的溶血率不超过 5%。Mg2+浓度小于 202.5mg/L 满足细胞毒性要求，而 Mg2+为 不超过 156.2mg/L 的稀释浸提液对成骨细胞增殖显示出促进作用。④ 骨内植入试验中，动物血镁浓度均在正常值范围之内。镁基植入材料显示 出较好的骨结合性和骨诱导性，新生骨组织矿化明显，新生骨层上有排列整齐的 骨细胞。未改性材料降解快于改性材料，成骨活性上未见明显差别。结果表明镁 基材料初步显示了较好的骨诱导性能，证实了 SAM 对镁基材料腐蚀降解的调控作 用。关键词：镁及镁合金，生物材料，表面改性，生物相容性ABSTRACTBiomaterials not