表面前处理对镁合金的生物相容性的影响

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1、表面预处理对镁合金的生物相容性的影响卡拉洛伦茨、约翰内斯克布伦纳、菲利普、莱拉加法尔、本法布里表面科学和腐蚀研究所，材料科学与工程系，纽伦堡埃尔兰根大学，91058埃尔兰根大学，德国医学物理与技术中心，物理学系，纽伦堡埃尔兰根大学，埃尔兰根，德国于2009年1月29日收到，修订于2009年3月13日，2009年4月17日接受，2009年5月3日可在线阅读。摘要这项研究报告了，在培养实验中，位于细胞表面的钝化镁对人体HeLa细胞和小鼠成纤维细胞存活率的影响。表面抛光的商业纯镁在细胞培养液中表现出高反应性，导致PH值向碱性方向变化，因此，细胞粘附和生存强烈受阻。镁表面钝化可以

2、加强细胞在1M的NaOH中的存活率。在模拟体液中浸泡培养镁试样可以观察到最好的初始细胞粘附，这导致了一个仿生，非晶Ca∕Mg-P高表面粗糙度层的形成。然而，这表面层仅仅是钝化镁和密封表面。随后，与氢氧化钠钝化物相比，镁的解体将会导致PH值的增加比较明显，防止长期细胞的存活。这些结果表明，表面钝化氢氧化钠和M-SBF一起可以改变镁合金的表面活性，化学和粗糙度，为细胞在非生物相容性的镁合金上存活提供了条件。关键词：镁、腐蚀、细胞培养、钝化1.简介镁及其合金在生物医学应用中越来越重要，特别是作为一种可生物降解心脏或骨科植入物的材料。生物可吸收镁植入物可以用来解决一些与长期所使用

3、的金属植入物相关的问题，如金属的植入导致永久性的物理∕机械性刺激，导致无法适应不断的增长和其它形状在人体内的变化。生物可吸收镁植入物也可以防止与长期释放金属离子和∕或颗粒通过腐蚀或磨损过程相关的问题。为了可靠的预测镁植入物在人体内的行为，在人体内的腐蚀行为，以及与镁表面相互作用的生物需要特点。在典型环境下，已经广泛的研究了商业镁合金的腐蚀行为，合金可以有不同的用途，例如：镁及镁合金在NaCl2溶液中的电化学腐蚀行为的一般资料已在文献中提到12。镁腐蚀时会有氢气析出，并导致周围环境碱化。出现这一现象的原因：一方面，这两个因素可能强烈的损害生物镁，例如，生物的相容性阻止细胞附

4、着在种植体表面；另一方面，镁植入物解体时释放的镁离子不会导致毒性反应，这是因为在体内镁的浓度可以通过自我平衡机制来控制。即使增加了对医药镁的兴趣，然而对细胞在镁合金表面行为的研究还是比较少，这些研究可以在文献中查到。据报道，成骨细胞和人体骨髓细胞在AZ91D镁合金腐蚀的表面上附着，增殖和存活。然而，相对于组织培养处理塑料表面，观察到细胞存活率降低，这是因为PH值增加（+0.39）或离子释放到培养基中。另一研究报告说，存在于细胞培养液中的商业纯镁样品，对小鼠骨髓细胞的增长没有抑制作用。最近的一篇文章报道说，细胞无法生存在未经处理的AZ91镁合金上超过一天，而给样品涂上一层氢

5、化非晶硅涂层，则样品表现出良好的生物相容性。评价所使用的Mg-Ca合金，L型929细胞无明显的毒性作用；反而培养基中提取的合金更有益于细胞的存活。类似的研究得出，二元镁合金有利于纤维细胞和成骨细胞的长大。然而，在这项研究中显示，细胞的存活率依赖于不同的二元合金解体时所产生的腐蚀产物的类型。总而言之，镁腐蚀对细胞行为的影响是矛盾的，因为有报道表明，细胞在镁的腐蚀表面既可以存活也可以死亡，这一结论是可以在文献中找到的。用于该实验中的合金的类型和细胞系有很大的不同，因此不可能得出对镁合金表面细胞行为的影响因素这一关键结论。在目前的工作中，我们研究了人体HeLa细胞和小鼠成纤维细

6、胞在存在纯镁的细胞培养液中的行为，该纯镁要么经过特殊的表面处理，要么没有，这是用来控制镁的反应性，化学成分和∕或表面粗糙度。结果表明，表面处理对细胞在镁表面上的粘附和存活很重要。2.材料和方法所有实验，都是把商业纯镁棒（直径为25.4㎜,99.9%的纯度）切割成2㎜厚的试样。并且用砂纸（600号）打磨，然后用乙醇∕甘油（3:1）混合物作润滑剂，用钻石膏（6um）将其表面抛光。随后，用纯酒精清洗试样3min，并在空气中干燥。为了改变镁的耐蚀性、化学成分和表面形貌，要么将镁试样放在1M氢氧化钠中浸泡24h使其钝化，要么将其放在37℃的模拟体液（SBF）中浸泡5天。表一显示的是

7、在此次实验中所用到的模拟体液的成分。在1M氢氧化钠中浸泡的试样，降低了它的表面活性，这是因为有薄的Mg(OH)2层形成。在模拟体液中浸泡的试样，导致它的表面有混合的Mg∕Ca-P层形成。样品经过表面处理之后，用乙醇清洗，并在空气中干燥。用发射扫描电子显微镜（FE-扫描电镜）和能量色散X射线（能谱）来分析12表征试样的形态和组成。用光测量水滴的接触角来判定试样表面的润湿性。用波长为780nm的激光来确定经过不同表面处理的试样的表面粗糙度。表一在此次研究中用到的模拟体液的成分所有浓度为mmoll-1由于在2ml的基本细胞培养液中培