文獻(xiàn)綜述講義

1、畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述院（系）名 稱工學(xué)院機(jī)械系專 業(yè) 名稱材料成型及控制工程學(xué) 生 姓名指 導(dǎo) 教師20152015 年 0404 月 1010 日醫(yī)用 Mg-Zn-Ca 合金前言生物醫(yī)用材料是指能夠植入生物體或與生物組織相結(jié)合的材料， 可用于診斷、治療， 以及替換生物機(jī)體中的組織、 器官或增進(jìn)其功能。 目前用于臨床的生物醫(yī)用材料主要生 物醫(yī)用金屬材料、 生物醫(yī)用有機(jī)材料 （ 主要指有機(jī)高分子材料 ） 、生物醫(yī)用無機(jī)非金屬材 料（主要指生物陶瓷、 生物玻璃和碳素材料 ）以及生物醫(yī)用復(fù)合材料等。 與生物陶瓷及生 物高分子材料相比，生物醫(yī)用金屬材料，如不銹鋼、鈷基合金、鈦和鈦合金以及貴金屬 等具有高強(qiáng)

2、度、 良好的韌性及抗彎曲疲勞強(qiáng)度、 優(yōu)異的加工性能等許多其他醫(yī)用材料不 可替代的優(yōu)良性能。 生物醫(yī)用金屬材料在應(yīng)用中面臨的主要問題， 是由于生理環(huán)境的腐 蝕而造成的金屬離子向周圍組織擴(kuò)散以及植入材料自身性質(zhì)的退變， 前者可能導(dǎo)致毒副 作用，后者可能導(dǎo)致植入失效。因此研究和開發(fā)性能更優(yōu)、 生物相容性更好的新型生物 醫(yī)用金屬材料是材料工作者和醫(yī)務(wù)工作者共同關(guān)心的課題。1醫(yī)用金屬材料1.1生物醫(yī)學(xué)對(duì)材料的要求醫(yī)用金屬材料嚴(yán)格滿足如下的生物學(xué)要求：（1）良好的組織相容性，包括無毒性、無熱源反應(yīng)、不致畸、不致癌、不引起過敏 反應(yīng)或干擾機(jī)體的免疫機(jī)理、不破壞臨近組織，也不發(fā)生材料表面的鈣化沉著等。（2）黃

3、河科技學(xué)院畢業(yè)論文（文獻(xiàn)綜述）第1 頁(yè)物理和化學(xué)穩(wěn)定性好，包括強(qiáng)度、彈性、尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐磨性以及 界面穩(wěn)定性等。（3）易于加工成型，材料易于制造， 價(jià)格適當(dāng)。 （4） 對(duì)于植入心血管系統(tǒng)或與血液接 觸的材料，除能滿足以上條件外， 還須具有良好的血液相容性， 即不凝血 （ 抗凝血陛好 ）、 不破壞紅細(xì)胞 （不溶血） 、不破壞血小板、不改變血中蛋白 （ 特別是脂蛋白 ） 、不擾亂電解 質(zhì)平衡等。2鎂基生物醫(yī)用金屬材料的研究現(xiàn)狀黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文（文獻(xiàn)綜述）第2 頁(yè)鎂在地殼中的儲(chǔ)藏量極其豐富（如圖 2.1 所示），其儲(chǔ)藏量達(dá)到百分之 2.8 ，位居 第 6 位。我國(guó)是鎂資源大國(guó)，儲(chǔ)藏量居

4、世界首位 ; 產(chǎn)量也居十世界首位，占全球 2/3; 但 是我國(guó)并非鎂工業(yè)強(qiáng)國(guó)，鎂工業(yè)還處十起步階段，原鎂生產(chǎn)規(guī)模小而分散， 技術(shù)比較落 后，品質(zhì)不夠穩(wěn)定，出口的產(chǎn)品大部分是初級(jí)的廉價(jià)的原料產(chǎn)品。國(guó)家政府部門已經(jīng)投 入大量的資金進(jìn)行相關(guān)問題的研究和開發(fā)。 隨著國(guó)際國(guó)內(nèi)鎂產(chǎn)品開發(fā)空間的增大， 鎂資 源將發(fā)揮更為重要的作用，鎂有可能繼銅、鋁后的下一代熱門行業(yè)。從近幾十年來的研究報(bào)告不難發(fā)現(xiàn)， 鎂合金作為生物醫(yī)用金屬材料與現(xiàn)在已經(jīng)臨床 使用的其它生物醫(yī)用金屬材料相比具有明顯優(yōu)勢(shì) :1 資源豐富，價(jià)格低廉 ;2 優(yōu)異的生物 相容性和生物可降解性 ;3 鎂離子是人體必不可缺的金屬陽(yáng)離子，幾乎參與所有的能量

5、 代謝 ;4 良好的力學(xué)相容性，以鎂為基體的合金的彈性模量和密度最接近人體骨骼彈性 模量和密。更為重要的是，鎂合金本身在生物體中可以逐漸降解， 由新生骨組織逐漸代 替原先的植入體，是理想的生物支架材料。Wittea 等人通過研究不同類型的鎂合金在生物體內(nèi)的腐蝕降解情況，發(fā)現(xiàn)鎂合金 更能促進(jìn)周圍骨組織的生長(zhǎng)。也有研究表明添加稀土元素能以高鎂合金的生物相容性， 如在鎂中加入 CeCI3 可以抑制腫瘤的產(chǎn)生，加 Y203的輕基磷灰石能更好的與骨組織結(jié) 合。根據(jù)人骨組織是多孔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，還開發(fā)出了多孔鐵合金， 新骨可以在多于合金的 孔洞中生長(zhǎng)，鎂合金與新骨的結(jié)合強(qiáng)度明顯提高圖 2.1 地殼中各元素的含

6、量黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文（文獻(xiàn)綜述）第3 頁(yè)3鎂基生物醫(yī)用金屬材料的優(yōu)勢(shì)與存在問題3.1醫(yī)用鎂合金生物相容性近年來，開發(fā)出來的許多金屬基生物材料或多或少存在一定的問題。如 NiTi 形狀記憶合金會(huì)釋放對(duì)人體有害的鎳離子欽合金植入人體后產(chǎn)生過敏和應(yīng)力遮擋效應(yīng)鎂元 素是新陳代謝和骨組織中的基本元素，是人體內(nèi)合成卵磷脂酶的激活劑。在成人體內(nèi)， 鎂含量約為 20-30g ，其中 70%以上以磷酸鹽形式參與骨骼與牙齒的組成， 其余分布在軟 組織和體液中，成人一般鎂的口需求量為 200-300mg。由于人體很容易通過新陳代謝把 鎂離子排出體外，所以沒對(duì)人體幾乎沒有毒害作用。3.2醫(yī)用鎂合金可降解性鈷鎂的電極

7、電位比較低， 化學(xué)性質(zhì)活潑， 尤其是在含有氯離子的在人體體液中可以 以一定速率降解，降解以后的鎂參與人體內(nèi)所有新陳代謝過程。楊柯指出: 經(jīng)過熱處理后的 AZ31鎂合金在植入體內(nèi) 5 周后就發(fā)生了降解，降解過程中表面生成具有優(yōu)異生物 活性的 Ca-P 沉積物。張廣道等通過對(duì)動(dòng)物體內(nèi)植入鎂合金的早期實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，與 目前臨床常用的 Ti-6A1-4V 欽合金相比， 鎂合金更容易誘導(dǎo)新骨生長(zhǎng)， 降解后的產(chǎn)物一 部分被組織吸收，另一部分通過代謝排出體外。3.3醫(yī)用鎂合金力學(xué)相容性鎂是一種輕質(zhì)金屬， 具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)， 與人體骨具有相近的密度和彈性模量 等優(yōu)點(diǎn)，可有效避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)表 3.1 鎂

8、合金與臨床上常用的醫(yī)用金屬材料力學(xué)性能比較黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文（文獻(xiàn)綜述）第4 頁(yè)表 3.1 是鎂合金與臨床上應(yīng)用最廣的不銹鋼、 鉆基合金和欽及欽合金相比較。 可以看出 鎂及鎂合金的密度、彈性模量、屈服強(qiáng)度及斷裂韌性更接近人體骨。 其它金屬材料與人 骨的彈性模量相差過大。不利于新骨的生長(zhǎng)，容易導(dǎo)致二次骨折3.4醫(yī)用鎂合金在人體內(nèi)植入時(shí)存在的問題及解決方案但是鎂合金作為醫(yī)用植入材料還是存在一定的不足。 鎂及鎂合金表面極易腐蝕形成 疏松多孔的氧化鎂， 耐蝕性較差，制約了鎂合金的應(yīng)用。 鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位僅為 -2.34V ， 化學(xué)性質(zhì)極為活潑，在降解過程中降解速度太快，成骨細(xì)胞還沒有生長(zhǎng)完全時(shí)， 已

9、經(jīng)就 降解完了，不能起到良好的支撐作用。影響鎂合金的耐蝕性的因素很多， 鎂合金鑄錠或鑄件中的氯化物火雜可導(dǎo)致鎂合金 的耐腐蝕性能大大降低。合金中的雜質(zhì)兀素 Fe, Ni, Cu及 Co等對(duì)鎂合金的耐蝕性的影 響也很大。除此之外還有鎂合金的加工工藝、組織狀態(tài)等因素。 尤其是在富含氯離子的 人體體液中極其容易發(fā)生腐蝕， 導(dǎo)致植入物失敗提高耐蝕性一直是對(duì)鎂及鎂合金的研究 和應(yīng)用的關(guān)鍵和瓶頸。3.5鎂合金作為生物醫(yī)用植入材料的優(yōu)缺點(diǎn) 近幾十年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)鎂合金各方面的研究發(fā)現(xiàn)， 鎂合金作為硬組織植入材料， 與 現(xiàn)已投入臨床使用的各種金屬植入材料相比， 具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)： 鎂元素屬于人體 必需的微量元

10、素之一，幾乎參與人體內(nèi)所有的新陳代謝過程，包括骨細(xì)胞的形成， 加速 骨愈合能力，鎂還與神經(jīng)、肌肉及心臟功能密切相關(guān)，并參與蛋白質(zhì)的合成，是細(xì)胞新 陳代謝過程中各種酶系統(tǒng)的重要活化劑。 鎂合金具有與人骨最為接近的密度和機(jī)械性 能，并具有所有金屬中最高的比強(qiáng)度。鎂合金的密度約為 1.7 g/cm3，與人骨密度 （1.75 g/cm3 左右） 極為相近，植入人體后不至于增加患者的負(fù)重感和不適感，對(duì)其康復(fù)極為 有利；鎂合金的楊氏彈性模量約為 45 GPa，與人體骨骼的 （1040 GPa）最為接近，能有 效地緩解甚至避免“應(yīng)力遮擋效應(yīng)” ，從而促進(jìn)骨的生長(zhǎng)和愈合。鎂及鎂基合金具有 良好的生物相容性，可

11、以在體內(nèi)自動(dòng)降解，無需再次手術(shù)取出；并且，鎂具有很低的標(biāo) 準(zhǔn)電極電位， 在人體體液中生成的鎂離子可被周圍機(jī)體組織吸收， 然后通過體液排出體 外。鎂資源豐富，價(jià)格低廉，適合大量開發(fā)生產(chǎn)。黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文(文獻(xiàn)綜述)第5 頁(yè)雖然，鎂及其合金具有很多優(yōu)于其他金屬生物材料的性能， 但也存在一些缺陷， 使 其作為生物醫(yī)用植入材料受到限制。 常規(guī)條件下得到的鎂合金純度較低， 目前金屬鎂 的生產(chǎn)主要采用硅熱法和電解法，合金中 Si ，F(xiàn)e，及氯離子等雜質(zhì)元素的含量較高， 限制了鎂合金的利用，但隨著鎂合金制造加工條件的改善和工藝設(shè)備的改進(jìn)，目前 99.999%以上純度的高純度鎂合金已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段。

12、可降解性是鎂基合金的 一大優(yōu)勢(shì)， 但也正是它在臨床應(yīng)用中面臨的一大瓶頸。 醫(yī)用金屬材料植入人體后將長(zhǎng)期 處于弱酸環(huán)境中，材料的腐蝕極易發(fā)生。如果腐蝕速度適中， 鎂基合金釋放出的鎂離子 對(duì)人體是有益的，但如果腐蝕速度過快，一方面， 降解過程中產(chǎn)生的過量氫氣對(duì)人體有 害，鎂離子若超過人體含量的正常范圍， 將導(dǎo)致肌肉麻痹、 血壓過低、 及呼吸道疾病等； 另一方面，在機(jī)體完全恢復(fù)前，植入體就開始降解，將導(dǎo)致植入失敗。4提高鎂及鎂合金的耐蝕性幾種方案(1)提高合金純度。鎂合金中的雜質(zhì)元素是影響鎂合金腐蝕的關(guān)鍵因素。鎂合金的 電極電位比較低，同雜質(zhì)元素容易形成微電池，從而增加電化學(xué)腐蝕程度。 在允許的條

13、件下降低有害元素的含量對(duì)提高鎂合金的耐蝕性有很大幫助(2)合金化。有些合金元素可以細(xì)化合金第二相，對(duì)于活潑的鎂合金基體體來說， 第二相大部分是陰極相， 加入可以細(xì)化第二相的合金兀素后把大的第二相細(xì)化成細(xì)小彌 散的陰極相，降低了合金局部腐蝕的可能性。 還有一些合金兀素可以起到鈍化基體作用。 尹冬松等指出 Zn 能延長(zhǎng)鎂合金的鈍化區(qū)間， 提高合金的點(diǎn)蝕電位。 Song Guang-ling 在 其研究中也發(fā)現(xiàn) Zn 在純鎂中顯著提高合金耐蝕性。(3)快速凝固。是一種能夠有效提高合金耐蝕性的方法，主要是由于快速凝固的合 金成分和組織比較均勻， 可以抑制局部腐蝕。 其次就是快速凝固的過程中把有害雜質(zhì)固

14、 溶到合金基體中，有害相得不到釋放，從而減輕了腐蝕的傾向。將這一工藝應(yīng)用到生物 醫(yī)用金屬材料的冶煉的報(bào)道還很少。(4)表面處理。表面處理主要包括 : 金屬鍍層、離子注入和微弧氧化等。張二林等在 純鎂上鍍欽，用電化學(xué)的方法測(cè)得欽涂層腐蝕性能發(fā)現(xiàn)，合金的自腐蝕電位正移， 自腐 蝕電流密度下降。 Wang Y Z等指出劑量為 0.91017/cm2 的 Zn 離子注入 Mg-Ca合金后其 耐蝕性能得到提高。 土業(yè)明等運(yùn)用微弧氧化的方法在 MB6鎂合金表面制備了 Mg0陶瓷化 涂層，在模擬體液中浸泡后發(fā)現(xiàn)涂層具有良好的抗氯離子的侵蝕能力。黃河科技學(xué)院畢業(yè)論文(文獻(xiàn)綜述)第6 頁(yè)(5)變形處理。任伊賓等

15、通過對(duì)純鎂進(jìn)行加工處理發(fā)現(xiàn)軋制的純鎂在生理鹽水可以 提高腐蝕電位，降低腐蝕速率。 WangH 等對(duì)熱軋 AZ31鎂合金的研究過程中發(fā)現(xiàn)相對(duì)鑄 態(tài) AZ31鎂合金其腐蝕性能得到明顯提高。 究其原因，這種方法可以抑制組織微觀偏析， 成分缺陷，提高耐蝕性?？v觀幾種方法，各有優(yōu)勢(shì)。 對(duì)于生物可降解鎂合金而言，提高合金純度的快速凝固 制備合金在實(shí)驗(yàn)要求上比較高 ; 表面處理雖然在植入早期可以減緩腐蝕，但是中后期的 腐蝕起不到主要作用 ; 合金化是對(duì)組織的控制，能從根本上解決腐蝕性能差的同時(shí)提高 合金力學(xué)性能。5總結(jié)對(duì)鎂及鎂合金作為醫(yī)用金屬材料進(jìn)行研究在國(guó)外也剛起步， 但鎂及鎂合金作為現(xiàn)有 金屬生物材料的

16、新一代產(chǎn)品所表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)與潛力， 必定會(huì)引起越來越多人的關(guān)注。 我 國(guó)鎂資源豐富， 鎂產(chǎn)業(yè)制品的發(fā)展已列入國(guó)家重大研究項(xiàng)目。 通過對(duì)鎂及鎂合金腐蝕本 質(zhì)的深入了解和對(duì)沉積工藝、機(jī)理的系統(tǒng)研究，相信在不久的將來， 鎂及鎂合金會(huì)以其 在金屬植入材料領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用， 對(duì)我國(guó)生物材料產(chǎn)業(yè)和鎂制品行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的 推進(jìn)作用。醫(yī)用 Mg-Zn-Ca 合金的研究與應(yīng)用在國(guó)內(nèi)也是剛剛興起，在不久的將來醫(yī)用 Mg-Zn-Ca合金將會(huì)被大量的研究以及利用。參考文獻(xiàn)1浦素云金屬植入材料及其腐蝕 M 北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1990.23 2 GranchiD ，et a1 JM aterSci ：Mat

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