生物镁合金中腐蚀降解行为研究检测方案(电化学工作站)

近几十年来，已有多种硬组织植入材料被成功地开发。金属由于具有比陶瓷 或聚合物更高的机械强度及韧性，在修复或替换骨组织的生物材料方面扮演着重要角色。现有的医用金属生物材料主要包括不锈钢，钛合金及镍钴铬合金。而这些合金存在一些弱点，一是经过腐蚀或磨损会释放有毒的金属离子或者粒子，导致生物相容性的降低。二是现有金属材料的弹性模量与骨组织不匹配，导致新骨生长减慢及变形。三是现在广泛使用的金属植入板、螺丝钉等，当组织愈合后需通过第二次手术将其取出。镁合金是一种潜在的人体植入材料。镁的密度、弹性模量等综合力学性能与人体骨骼相近。更重要的是，镁与人体的相容性极好，溶解的镁离子正是人体必需的元素。Ca是人体中最重要的阳离子，是人体硬组织骨的主要组成之一，镁钙合金中富钙相的腐蚀溶解将引起局部钙浓度升高，从而促进羟基磷灰石或可作其前驱物的其它磷酸钙陶瓷的形成，有利于新生硬组织在合金表面沉积。本课题研究一种可降解的硬组织植入材料——MgCa合金，可望在腐蚀降解的同时诱导新骨生长，最终被新骨完全取代，达到彻底治愈硬组织损伤的目的。 本课题研究了纯镁及镁合金在体液浸泡实验中的腐蚀降解情况。通过金相观 察、腐蚀失重分析、pH值分析、X衍射分析、析氢速率测试、扫描电镜形貌分析、电化学腐蚀速率测量，找出了镁合金在仿生溶液中的腐蚀降解规律。最后对试样进行了细胞毒性等生物学性能测试及硬度等力学性能分析。实验结果表明： (1)自行设计、冶炼含0~2.0%Ca的镁合金。通过控制中间合金的加入量，分 别得到Mg-0.7Ca、Mg-2.0Ca、Mg-0.74Ca-0.35Y、Mg-1.9Ca-0.45Y及Mg-2.0Ca-1.2Y五种不同组分的镁基合金。其中，含0~1%Ca的镁基合金在国内是首创。 (2)上述五种合金与99.9%纯镁、Mg-Zn合金对比，在本实验仿生体液中浸泡 后检查分析，结果显示，在以上所有合金中，Mg-0.7Ca合金的平均失重率最低，其值为1.11%/d；pH值变化最为缓慢；电化学腐蚀速率为2.298mA/mm2，仅次于纯镁的2.086 mA/mm2；显微硬度HV为85，较纯镁及其他合金均高；细胞毒性为0~1级，满足细胞毒性的要求。因此，Mg-0.7Ca合金具有最佳的耐蚀性能、生物相容性等综合性能。 (3)最佳组分配比的Mg-0.7Ca合金，在仿生体液浸泡前时显微组织均致密、 细小，XRD分析显示，浸泡前主要为α-Mg及Mg2Ca相，浸泡后其表面主要为α -Mg及TCP[Ca3(PO4)2]相，且随着时间增加，表面物相出现非晶化趋势。同时，宏观可见致密、均匀的白色物质并与基体结合良好。这些特征表明该合金在仿生体液环境下的腐蚀降解行为导致它良好的骨诱导性能，同时，该合金表面出现非晶化趋势白色钝化膜及生物TCP陶瓷，是该Mg-Ca合金耐蚀性能提高对原因之一。 (4)热力学计算证明，由于钙的标准电势低于纯镁，当钙固溶于镁中，或者 以单质形式析出时，合金内部产生微电化学反应，钙成为牺牲阳极，从而加速合金的腐蚀。而铸态的镁合金由于非平衡结晶钙形成了Mg2Ca。因此，铸态的Mg-Ca合金将拥有较好的耐腐蚀性能。