浅议医用镁合金微弧氧化表面改性

2016-09-03张恒西南交通大学材料科学与工程学院

科学中国人 2016年23期

张恒西南交通大学材料科学与工程学院

浅议医用镁合金微弧氧化表面改性

张恒
西南交通大学材料科学与工程学院

镁及其合金作为一种重要的生物医用材料，在生理环境下较差的耐腐蚀性能已成为限制其发展与应用的重要因素。而微弧氧化技术作为一种重要的镁合金表面改性手段被广泛研究和应用。本文结合实验结果分析与论证，对医用镁合金微弧氧化表面改性技术进行探索与评价，以期拓展其在生物医学领域的发展和应用。

生物材料；镁合金；微弧氧化；表面改性

1、引言

镁及其合金是一种重要生物医用材料，对于修复和替代人体的一些肌体组织起着至关重要的作用。镁及其合金和其他材料相比较而言，更加适合负重区域的应用。然而，因为镁合金的化学电位低、化学性质比较活泼，使得镁合金表面的氧化物膜容易被腐蚀而丧失其结构性能或导致其功能化失效，因此必须采取适当措施，对镁合金表面进行改性处理，以增强其耐腐蚀性能从而延长其使用寿命。本文对有关医用镁合金微弧氧化表面改性工艺进行研究和探讨，以得出科学合理的实验结论。

2、试验研究

2.1原料

试验材料：AZ31B医用镁合金，化学成分包括Al、Zn、Mn、Si等，镁合金板的尺寸是15mmx15mmx0.6mm。试验所用化学试剂包括氢氧化钠、硅酸钠、磷酸钠、氯化钾等。

2.2设备

（1）微弧氧化设备。微弧氧化设备图参考图一，其组成包括微弧氧化电源系统、电解槽以及搅拌器等，其中电解槽的材质是不锈钢，和电源负极进行连接，作为阴极。微弧氧化时搅拌器持续搅拌，从而起到加速电解液流动的作用，确保电解质稳定，此时外界冷却水处于循环中，保证电解液温度在30℃左右。

（2）微弧氧化电源系统。本试验中选择的是WIlD-30型微弧氧化电源系统，此电源系统的控制方式和输出方式均可以调节，系统还能够起到单双极性可选的功能。电源系统能够稳定持续的输出正负向0～45A的直流电流。系统输出的电源频率处于50～2000Hz的范围，占空比为5%～95%，脉冲个数1～30间可调。电压稳定精度与电流稳定的精度均不会超过l%。

此外，还有一些设备，比如，超声波清洗器、电子分析天平、恒温振荡槽、真空干燥箱、PH计、甘泵电极等，这里不再多做介绍。

图一　微弧氧化设备图

2.3方法

（1）首先，进行微弧氧化陶瓷膜的制备，用水磨砂纸对原料进行打磨，将其清洗后置于干燥器中。此时需要注意，可以采用200#、400#、600#、1000#、2000#的砂纸进行对比。具体参考图一，如果电压大于起弧电压，则试样表面出现微弧放电的情况，也就是出现微弧氧化，利用循环水冷却，确保电解液温度在20～40℃范围内。（2）封孔涂层的制作，分为三个步骤，依次是沸水封孔、溶胶-凝胶封孔，最后获得经过明胶-HA有机封孔的试样。（3）模拟体液的制作，其中涉及到的试剂与操作次序为：洗涤、溶解、调节PH，最后保存。（4）制作带有缓蚀剂的酸性腐蚀液。（5）试验技术路线：镁合金丝→新增陶瓷相成分→封孔技术→微弧氧化技术制备陶瓷层→通过SEM、EDS、XRD等方法表征膜层的微结构→膜层微观结构成分特点→膜层耐蚀性研究→工艺优化。

3、微弧氧化表面改性镁合金体外浸泡实验研究

为对以上制备试样的生物性能进行研究，选择体外循环模拟体液浸泡表征植入物的方法，以模拟生物体内的腐蚀行为。实际情况来看，模拟体液浸泡实验一方面能够研究试样在模拟体液环境中发生的腐蚀行为，另一方面还能够反映此材料表面沉积羟基磷灰石以及提升骨结合性能的程度。此外，还能给镁合金医学临床腐蚀速率提供一定的数据支持。

实验选择表面改性之后的五种丝材试样以及原始镁合金丝材试样进行分析，将试样放置在具有新鲜的模拟体液的试样瓶中开展浸泡腐蚀。在实验里为充分模拟体内环境，选择恒温振荡槽确保试样瓶中的模拟体液温度始终保持在(37.5±0.5)℃，并进行持续振荡。此外，需要注意的是，试样瓶中的模拟体液要每两天进行更换。在不同时间节点取样观测，做好成分物相分析。

其次，进行成分分析。试样处于模拟体液中长时间浸泡，有可能诱导类骨磷灰石形成于试样表面。类骨磷灰石是成骨一个重要组成元素，类骨磷灰石的含量越多，则表示试样诱导骨生长的能力就越强，而且生物相容性也表现的比较突出，所以必须要利用EDAX分析手段，对膜层内Ca/P比例进行分析，表征膜层中类骨磷灰石中是如何形成的。最后结果表明，在模拟体液腐蚀浸泡时各试样表面的Ca/P原子比处于持续变化中，伴随浸泡时间逐渐延长，表面沉积物质也在增多，对于类骨磷灰石的成长有所帮助。

采用该方法对镁合金试样进行微弧氧化表面处理，通过六十天循环模拟体液浸泡后，产生不同程度的腐蚀。镁合金试样在浸泡4天之内，出现较严重的破坏，并且碎断成很多小碎片，此时，试样丧失其使用价值。微弧氧化试样在经过浸泡4天后，几乎没有什么太大的变化，然而在7天后，开始产生局部裂纹，后来裂纹逐渐扩展到整个试样，且有变大变深的趋势。

最后，实验中对于浸泡结果比较好的几组试样进行XRD物相分析。选择的工艺参数一致，在型号为15x15mm的镁合金板片上制备相应的膜层，利用SBF浸泡28天，XRD对前后物相进行分析，目前情况是发现试样在模拟体液浸泡之后的物相变化规律。