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1、 毕业论文文献综述 院（系）名称工学院机械系 专业名称材料成型及控制工程 学生姓名 指导教师2015年 04 月 10 日第 7 页黄河科技学院毕业论文(文献综述)医用Mg-Zn-Ca合金前言生物医用材料是指能够植入生物体或与生物组织相结合的材料，可用于诊断、治疗，以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。目前用于临床的生物医用材料主要生物医用金属材料、生物医用有机材料(主要指有机高分子材料)、生物医用无机非金属材料(主要指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料)以及生物医用复合材料等。与生物陶瓷及生物高分子材料相比，生物医用金属材料，如不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵金属等具有高强度、良好的韧性及
2、抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其他医用材料不可替代的优良性能。生物医用金属材料在应用中面临的主要问题，是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者可能导致植入失效。因此研究和开发性能更优、生物相容性更好的新型生物医用金属材料是材料工作者和医务工作者共同关心的课题。1医用金属材料1.1生物医学对材料的要求医用金属材料严格满足如下的生物学要求：(1)良好的组织相容性，包括无毒性、无热源反应、不致畸、不致癌、不引起过敏反应或干扰机体的免疫机理、不破坏临近组织，也不发生材料表面的钙化沉着等。(2)物理和化学稳定性好，包括强度、弹性、尺寸
3、稳定性、耐腐蚀性、耐磨性以及界面稳定性等。(3)易于加工成型，材料易于制造，价格适当。(4)对于植入心血管系统或与血液接触的材料，除能满足以上条件外，还须具有良好的血液相容性，即不凝血(抗凝血陛好)、不破坏红细胞(不溶血)、不破坏血小板、不改变血中蛋白(特别是脂蛋白)、不扰乱电解质平衡等。2镁基生物医用金属材料的研究现状镁在地壳中的储藏量极其丰富（如图2.1所示），其储藏量达到百分之2.8，位居第6位。我国是镁资源大国，储藏量居世界首位;产量也居十世界首位，占全球2/3;但是我国并非镁工业强国，镁工业还处十起步阶段，原镁生产规模小而分散，技术比较落后，品质不够稳定，出口的产品大部分是初级的廉价
4、的原料产品。国家政府部门已经投入大量的资金进行相关问题的研究和开发。随着国际国内镁产品开发空间的增大，镁资源将发挥更为重要的作用，镁有可能继铜、铝后的下一代热门行业。从近几十年来的研究报告不难发现，镁合金作为生物医用金属材料与现在已经临床使用的其它生物医用金属材料相比具有明显优势:1资源丰富，价格低廉;2优异的生物相容性和生物可降解性;3镁离子是人体必不可缺的金属阳离子，几乎参与所有的能量代谢;4良好的力学相容性，以镁为基体的合金的弹性模量和密度最接近人体骨骼弹性模量和密。更为重要的是，镁合金本身在生物体中可以逐渐降解，由新生骨组织逐渐代替原先的植入体，是理想的生物支架材料。Wittea等人通
5、过研究不同类型的镁合金在生物体内的腐蚀降解情况，发现镁合金更能促进周围骨组织的生长。也有研究表明添加稀土元素能以高镁合金的生物相容性，如在镁中加入CeCI3可以抑制肿瘤的产生，加Y203的轻基磷灰石能更好的与骨组织结合。根据人骨组织是多孔结构的特点，还开发出了多孔铁合金，新骨可以在多于合金的孔洞中生长，镁合金与新骨的结合强度明显提高图2.1地壳中各元素的含量3镁基生物医用金属材料的优势与存在问题3.1医用镁合金生物相容性近年来，开发出来的许多金属基生物材料或多或少存在一定的问题。如NiTi形状记忆合金会释放对人体有害的镍离子钦合金植入人体后产生过敏和应力遮挡效应镁元素是新陈代谢和骨组织中的基本
6、元素，是人体内合成卵磷脂酶的激活剂。在成人体内，镁含量约为20-30g，其中70%以上以磷酸盐形式参与骨骼与牙齿的组成，其余分布在软组织和体液中，成人一般镁的口需求量为200-300mg。由于人体很容易通过新陈代谢把镁离子排出体外，所以没对人体几乎没有毒害作用。3.2医用镁合金可降解性钴镁的电极电位比较低，化学性质活泼，尤其是在含有氯离子的在人体体液中可以以一定速率降解，降解以后的镁参与人体内所有新陈代谢过程。杨柯指出:经过热处理后的AZ31镁合金在植入体内5周后就发生了降解，降解过程中表面生成具有优异生物活性的Ca-P沉积物。张广道等通过对动物体内植入镁合金的早期实验研究中发现，与目前临床常
7、用的Ti-6A1-4V钦合金相比，镁合金更容易诱导新骨生长，降解后的产物一部分被组织吸收，另一部分通过代谢排出体外。3.3医用镁合金力学相容性镁是一种轻质金属，具有密排六方晶体结构，与人体骨具有相近的密度和弹性模量等优点，可有效避免应力遮挡效应表3.1镁合金与临床上常用的医用金属材料力学性能比较表3.1是镁合金与临床上应用最广的不锈钢、钻基合金和钦及钦合金相比较。可以看出镁及镁合金的密度、弹性模量、屈服强度及断裂韧性更接近人体骨。其它金属材料与人骨的弹性模量相差过大。不利于新骨的生长，容易导致二次骨折3.4医用镁合金在人体内植入时存在的问题及解决方案但是镁合金作为医用植入材料还是存在一定的不足
8、。镁及镁合金表面极易腐蚀形成疏松多孔的氧化镁，耐蚀性较差，制约了镁合金的应用。镁的标准电极电位仅为-2.34V，化学性质极为活泼，在降解过程中降解速度太快，成骨细胞还没有生长完全时，已经就降解完了，不能起到良好的支撑作用。影响镁合金的耐蚀性的因素很多，镁合金铸锭或铸件中的氯化物火杂可导致镁合金的耐腐蚀性能大大降低。合金中的杂质兀素Fe, Ni, Cu及Co等对镁合金的耐蚀性的影响也很大。除此之外还有镁合金的加工工艺、组织状态等因素。尤其是在富含氯离子的人体体液中极其容易发生腐蚀，导致植入物失败提高耐蚀性一直是对镁及镁合金的研究和应用的关键和瓶颈。3.5镁合金作为生物医用植入材料的优缺点 近几十
9、年来，国内外对镁合金各方面的研究发现，镁合金作为硬组织植入材料，与现已投入临床使用的各种金属植入材料相比，具有许多突出的优点：镁元素属于人体必需的微量元素之一，几乎参与人体内所有的新陈代谢过程，包括骨细胞的形成，加速骨愈合能力，镁还与神经、肌肉及心脏功能密切相关，并参与蛋白质的合成，是细胞新陈代谢过程中各种酶系统的重要活化剂。镁合金具有与人骨最为接近的密度和机械性能，并具有所有金属中最高的比强度。镁合金的密度约为1.7 g/cm3，与人骨密度(1.75 g/cm3左右)极为相近，植入人体后不至于增加患者的负重感和不适感，对其康复极为有利；镁合金的杨氏弹性模量约为45 GPa，与人体骨骼的(10
10、40 GPa)最为接近，能有效地缓解甚至避免“应力遮挡效应”，从而促进骨的生长和愈合。镁及镁基合金具有良好的生物相容性，可以在体内自动降解，无需再次手术取出；并且，镁具有很低的标准电极电位，在人体体液中生成的镁离子可被周围机体组织吸收，然后通过体液排出体外。镁资源丰富，价格低廉，适合大量开发生产。虽然，镁及其合金具有很多优于其他金属生物材料的性能，但也存在一些缺陷，使其作为生物医用植入材料受到限制。常规条件下得到的镁合金纯度较低，目前金属镁的生产主要采用硅热法和电解法，合金中Si，Fe，及氯离子等杂质元素的含量较高，限制了镁合金的利用，但随着镁合金制造加工条件的改善和工艺设备的改进，目前99.
11、999%以上纯度的高纯度镁合金已经进入工业化生产阶段。可降解性是镁基合金的一大优势，但也正是它在临床应用中面临的一大瓶颈。医用金属材料植入人体后将长期处于弱酸环境中，材料的腐蚀极易发生。如果腐蚀速度适中，镁基合金释放出的镁离子对人体是有益的，但如果腐蚀速度过快，一方面，降解过程中产生的过量氢气对人体有害，镁离子若超过人体含量的正常范围，将导致肌肉麻痹、血压过低、及呼吸道疾病等；另一方面，在机体完全恢复前，植入体就开始降解，将导致植入失败。4提高镁及镁合金的耐蚀性几种方案(1)提高合金纯度。镁合金中的杂质元素是影响镁合金腐蚀的关键因素。镁合金的电极电位比较低，同杂质元素容易形成微电池，从而增加电
12、化学腐蚀程度。在允许的条件下降低有害元素的含量对提高镁合金的耐蚀性有很大帮助(2)合金化。有些合金元素可以细化合金第二相，对于活泼的镁合金基体体来说，第二相大部分是阴极相，加入可以细化第二相的合金兀素后把大的第二相细化成细小弥散的阴极相，降低了合金局部腐蚀的可能性。还有一些合金兀素可以起到钝化基体作用。尹冬松等指出Zn能延长镁合金的钝化区间，提高合金的点蚀电位。Song Guang-ling 在其研究中也发现Zn在纯镁中显著提高合金耐蚀性。(3)快速凝固。是一种能够有效提高合金耐蚀性的方法，主要是由于快速凝固的合金成分和组织比较均匀，可以抑制局部腐蚀。其次就是快速凝固的过程中把有害杂质固溶到合
13、金基体中，有害相得不到释放，从而减轻了腐蚀的倾向。将这一工艺应用到生物医用金属材料的冶炼的报道还很少。(4)表面处理。表面处理主要包括:金属镀层、离子注入和微弧氧化等。张二林等在纯镁上镀钦，用电化学的方法测得钦涂层腐蚀性能发现，合金的自腐蚀电位正移，自腐蚀电流密度下降。Wang Y Z等指出剂量为0.91017/cm2的Zn离子注入Mg-Ca合金后其耐蚀性能得到提高。土业明等运用微弧氧化的方法在MB6镁合金表面制备了Mg0陶瓷化涂层，在模拟体液中浸泡后发现涂层具有良好的抗氯离子的侵蚀能力。(5)变形处理。任伊宾等通过对纯镁进行加工处理发现轧制的纯镁在生理盐水可以提高腐蚀电位，降低腐蚀速率。Wa
14、ng H等对热轧AZ31镁合金的研究过程中发现相对铸态AZ31镁合金其腐蚀性能得到明显提高。究其原因，这种方法可以抑制组织微观偏析，成分缺陷，提高耐蚀性。纵观几种方法，各有优势。对于生物可降解镁合金而言，提高合金纯度的快速凝固制备合金在实验要求上比较高;表面处理虽然在植入早期可以减缓腐蚀，但是中后期的腐蚀起不到主要作用;合金化是对组织的控制，能从根本上解决腐蚀性能差的同时提高合金力学性能。5总结对镁及镁合金作为医用金属材料进行研究在国外也刚起步，但镁及镁合金作为现有金属生物材料的新一代产品所表现出的优势与潜力，必定会引起越来越多人的关注。我国镁资源丰富，镁产业制品的发展已列入国家重大研究项目。
15、通过对镁及镁合金腐蚀本质的深入了解和对沉积工艺、机理的系统研究，相信在不久的将来，镁及镁合金会以其在金属植入材料领域的广阔应用，对我国生物材料产业和镁制品行业的发展产生巨大的推进作用。医用Mg-Zn-Ca合金的研究与应用在国内也是刚刚兴起，在不久的将来医用Mg-Zn-Ca合金将会被大量的研究以及利用。参考文献1浦素云金属植入材料及其腐蚀M北京：北京航空航天大学出版社，1990.232GranchiD，et a1JM aterSci：MaterinMed1998，9：313李世普，陈晓明生物陶瓷M武汉：武汉工业大学出版杜，1989，1-54阮建明，邹俭鹏，黄伯云生物材料学M北京：科学出版社，20045王安东，戴起勋生物医用材料316I不锈钢的磨损腐蚀特性研究J金属热处理，2005，30(3)：33366Thomann UI，UggowitzerPJWear-corrosion Behavior ofBiocompatible Austenitic StainlessSteelsJWear，2000，239(1)：48-587阎建中等316L不锈钢微动磨蚀过程表面钝化膜自修复行为研究J中国腐蚀与防护学报，2000，20(6)：3548任
