淺議醫用鎂合金微弧氧化表面改性

張恒西南交通大學材料科學與工程學院

淺議醫用鎂合金微弧氧化表面改性

張恒
西南交通大學材料科學與工程學院

鎂及其合金作為一種重要的生物醫用材料，在生理環境下較差的耐腐蝕性能已成為限制其發展與應用的重要因素。而微弧氧化技術作為一種重要的鎂合金表面改性手段被廣泛研究和應用。本文結合實驗結果分析與論證，對醫用鎂合金微弧氧化表面改性技術進行探索與評價，以期拓展其在生物醫學領域的發展和應用。

生物材料；鎂合金；微弧氧化；表面改性

1、引言

鎂及其合金是一種重要生物醫用材料，對于修復和替代人體的一些肌體組織起著至關重要的作用。鎂及其合金和其他材料相比較而言，更加適合負重區域的應用。然而，因為鎂合金的化學電位低、化學性質比較活潑，使得鎂合金表面的氧化物膜容易被腐蝕而喪失其結構性能或導致其功能化失效，因此必須采取適當措施，對鎂合金表面進行改性處理，以增強其耐腐蝕性能從而延長其使用壽命。本文對有關醫用鎂合金微弧氧化表面改性工藝進行研究和探討，以得出科學合理的實驗結論。

2、試驗研究

2.1原料

試驗材料：AZ31B醫用鎂合金，化學成分包括Al、Zn、Mn、Si等，鎂合金板的尺寸是15mmx15mmx0.6mm。試驗所用化學試劑包括氫氧化鈉、硅酸鈉、磷酸鈉、氯化鉀等。

2.2設備

（1）微弧氧化設備。微弧氧化設備圖參考圖一，其組成包括微弧氧化電源系統、電解槽以及攪拌器等，其中電解槽的材質是不銹鋼，和電源負極進行連接，作為陰極。微弧氧化時攪拌器持續攪拌，從而起到加速電解液流動的作用，確保電解質穩定，此時外界冷卻水處于循環中，保證電解液溫度在30℃左右。

（2）微弧氧化電源系統。本試驗中選擇的是WIlD-30型微弧氧化電源系統，此電源系統的控制方式和輸出方式均可以調節，系統還能夠起到單雙極性可選的功能。電源系統能夠穩定持續的輸出正負向0～45A的直流電流。系統輸出的電源頻率處于50～2000Hz的范圍，占空比為5%～95%，脈沖個數1～30間可調。電壓穩定精度與電流穩定的精度均不會超過l%。

此外，還有一些設備，比如，超聲波清洗器、電子分析天平、恒溫振蕩槽、真空干燥箱、PH計、甘泵電極等，這里不再多做介紹。

圖一　微弧氧化設備圖

2.3方法

（1）首先，進行微弧氧化陶瓷膜的制備，用水磨砂紙對原料進行打磨，將其清洗后置于干燥器中。此時需要注意，可以采用200#、400#、600#、1000#、2000#的砂紙進行對比。具體參考圖一，如果電壓大于起弧電壓，則試樣表面出現微弧放電的情況，也就是出現微弧氧化，利用循環水冷卻，確保電解液溫度在20～40℃范圍內。（2）封孔涂層的制作，分為三個步驟，依次是沸水封孔、溶膠-凝膠封孔，最后獲得經過明膠-HA有機封孔的試樣。（3）模擬體液的制作，其中涉及到的試劑與操作次序為：洗滌、溶解、調節PH，最后保存。（4）制作帶有緩蝕劑的酸性腐蝕液。（5）試驗技術路線：鎂合金絲→新增陶瓷相成分→封孔技術→微弧氧化技術制備陶瓷層→通過SEM、EDS、XRD等方法表征膜層的微結構→膜層微觀結構成分特點→膜層耐蝕性研究→工藝優化。

3、微弧氧化表面改性鎂合金體外浸泡實驗研究

為對以上制備試樣的生物性能進行研究，選擇體外循環模擬體液浸泡表征植入物的方法，以模擬生物體內的腐蝕行為。實際情況來看，模擬體液浸泡實驗一方面能夠研究試樣在模擬體液環境中發生的腐蝕行為，另一方面還能夠反映此材料表面沉積羥基磷灰石以及提升骨結合性能的程度。此外，還能給鎂合金醫學臨床腐蝕速率提供一定的數據支持。

實驗選擇表面改性之后的五種絲材試樣以及原始鎂合金絲材試樣進行分析，將試樣放置在具有新鮮的模擬體液的試樣瓶中開展浸泡腐蝕。在實驗里為充分模擬體內環境，選擇恒溫振蕩槽確保試樣瓶中的模擬體液溫度始終保持在(37.5±0.5)℃，并進行持續振蕩。此外，需要注意的是，試樣瓶中的模擬體液要每兩天進行更換。在不同時間節點取樣觀測，做好成分物相分析。

其次，進行成分分析。試樣處于模擬體液中長時間浸泡，有可能誘導類骨磷灰石形成于試樣表面。類骨磷灰石是成骨一個重要組成元素，類骨磷灰石的含量越多，則表示試樣誘導骨生長的能力就越強，而且生物相容性也表現的比較突出，所以必須要利用EDAX分析手段，對膜層內Ca/P比例進行分析，表征膜層中類骨磷灰石中是如何形成的。最后結果表明，在模擬體液腐蝕浸泡時各試樣表面的Ca/P原子比處于持續變化中，伴隨浸泡時間逐漸延長，表面沉積物質也在增多，對于類骨磷灰石的成長有所幫助。

采用該方法對鎂合金試樣進行微弧氧化表面處理，通過六十天循環模擬體液浸泡后，產生不同程度的腐蝕。鎂合金試樣在浸泡4天之內，出現較嚴重的破壞，并且碎斷成很多小碎片，此時，試樣喪失其使用價值。微弧氧化試樣在經過浸泡4天后，幾乎沒有什么太大的變化，然而在7天后，開始產生局部裂紋，后來裂紋逐漸擴展到整個試樣，且有變大變深的趨勢。

最后，實驗中對于浸泡結果比較好的幾組試樣進行XRD物相分析。選擇的工藝參數一致，在型號為15x15mm的鎂合金板片上制備相應的膜層，利用SBF浸泡28天，XRD對前后物相進行分析，目前情況是發現試樣在模擬體液浸泡之后的物相變化規律。

4、結語

總而言之，本文利用電化學、模擬體液浸泡腐蝕以及酸性環境模擬腸液腐蝕等方法對所獲得的試樣在模擬體液及酸性環境中的腐蝕特性進行測試。實驗證明醫用鎂及合金表面改性能夠在一定程度上提升鎂合金的耐蝕性能，降低人體內降解速度，可以在醫學及其他領域進行推廣和應用。

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