表面改性技术在可降解镁合金骨科植入材料中的应用

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1、表面改性技术在可降解镁合金骨科植入材料中的应用滕莹雪谭丽丽张炳春（通讯作者）杨柯（中国科学院金属研究所辽宁沈阳110016）镁合金因具有可降解性及较高的适宜机械性能和抗疲劳性能而使得其作为骨科植入材料的应用在近几年越来越受到人们的关注。但是由于人体内环境引起材料腐蚀等原因限制了金属材料在医疗领域应用的发展。然而利用表面改性处理技术，能够使镁合金逐层降解，使得降解速度可控的镁合金器件更易于在骨科植入材料中的应用。木文总结了镁合金表面改性技术的不同工艺及其优缺点，并介绍了其在医疗领域的研究应用进展。【关键词】镁合金表面

2、改性降解医用材料R319A2095-1752（2012）06-0101-021引言不锈钢、钛基和钴基合金作为骨科植入材料己经广泛应用于临床。但是由于人体内环境引起材料腐蚀而导致毒性物质的释放，因而降低了其生物相容性。此外，这些金属材料的弹性模量与人骨组织相差过大，不利于新骨的生长和重塑，易导致二次骨折［1］。与上述材料相比，镁合金具有和人骨最接近的力学性能（见下表）［2］,从而避免应力遮挡效应。对于工业用镁合金，增强其耐蚀性能的途径一般包括开发高纯镁合金或新合金、快速凝固处理和表面改性等［3］。高纯镁合金在20世纪

3、80年代中期研制成功，该方法将Fe、Ni、Cu杂质的含量降到了最低程度，使镁合金的纯净度和耐蚀性大幅度提高，虽然可以从根木上提高镁合金的耐蚀性，但同时成木也大大增加。通过快速凝固处理可以改善镁合金的性能，由于快速凝固镁合金的研宄刚刚起步，要使其投入实际的应用，还有许多理论和技术问题有待解决，特别是在不明显增加合金密度的条件下通过合金化进一步提高合金的室温和高温下的强度、耐疲劳性能和耐腐蚀性能［4】。2镁合金的表面改性技术对于医用镁合金，要求植入人体后超过服役期自然降解，因此不能利用传统方式单纯提高镁合金整体的耐蚀性

4、能。利用表面改性处理方法，使镁合金逐层降解，最终为制备降解速度可控的镁合金植入器件提供了重要的依据。冋吋对于大规模工业化生产，采用表面改性是最为简单经济的方法。因此表面改性技术受到越来越多研宄人员的关注。常用的镁合金表面处理方法有：化学转化、气相沉积、电镀、离子注入、激光表面改性、阳极氧化、微弧氧化。2.1化学转化处理技术化学转化处理是镁合金防腐蚀的有效方法，因K操作简单，成本低廉而被广泛应用。它是通过电化学或化学方法在基体金属表面形成一层由氧化物、铬化物、磷化物和其它一些化合物组成的一种表面处理技术。对于镁合金，

5、转化处理所制得的转化膜具有一定的防护装饰性，冋吋也可作为苏它处理方法的前处理工序。化学转化膜很薄，对化学转化膜的耐蚀性研究表明，化学转化膜虽然不能有效防止腐蚀，但是可以减缓腐蚀速度。0前，有许多不同类型的转化膜，包括铬酸盐转化膜、磷酸盐-高锰酸钾转化膜、氟锆酸盐转化膜、锡酸盐转化膜、稀土转化膜、钴酸盐转化膜等。转化膜的主要缺点就是处理液含奋奋毒的化学物质。传统的转化膜处理液都是基于铬的各种化合物，铬冇很强的致癌性［5］。随着环保意识的增强，开发环保型处理液己成为必然。2.2气相沉积处理技术气相沉积包括物理沉积和化学

6、沉积两种主要方式。物理气相沉积：一定真空条件下，在镁合金表面蒸发、溅射、离子镀上单层或多层的金属或者陶瓷膜。该方法制备的膜层有良好的膜基结合力和耐磨性，但是表面的防腐能力较差，原因是产生的膜层具有较多的孔洞。由于采用的沉积技术、沉积设备以及沉积参数的不同，即使是同种膜层材料，沉积后膜层的性能也差异较大，因此镁合金表面沉积PVD膜层的工艺还需不断改进和更新。在耐蚀性研究方面，膜层失效的主要原因还是膜层存在孔洞和膜基结合力不足。化学气相沉积：通常来说，化学气相沉积制得的膜层具奋较高的膜基结合力，但是由于化学反砬一般都在

7、高温下进行，因此对基体性能的影响较大，尤其是镁合金这种低熔点的材料。另外对于几何形状复杂且精度要求较高的工件,由于无法控制所得膜层的变形也限制了化学气相沉积技术的应用。将CVD技术应用于镁合金存在较大的难度，但0前已有部分研究者成功制备了镁合金CVD膜层。2.3电镀处理技术电镀：镁由于电位非常负，不容易直接镀上耐蚀金属，一般采用化学转化镀锌，然后镀铜。当镁合金表面镀上一层铜后，就可按普通电镀方法在铜镀层上镀上需要的金属了。比较常用的方法是镀铜后化学镀镍，再镀所需的金属，这样镀层结合力好。在镁合金上镀铜-镍-铬层，当

8、划破吋具有很好的保护效果。即使当镀层上被划破吋，做盐雾测试发现只冇极少的向下腐蚀痕迹。2.4离子注入处理技术离子注入：离子高温注入是利用大束流密度的离子轰击或辅助外热源加热，在基体温度升高条件下实现的离子注入过程。等离子体注入沉积是利用在工件上施加负偏压来实现高能离子对材料表面的轰击沉积。此技术属于清洁工艺,能够处理不规则形状的构件。2.5激光表面改性技术激