镁合金的生物性能
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镁合金的优势在哪?镁材料的应用在哪?镁合金的优势在哪?镁材料的应用在哪呢?什么是镁合金?镁合金的优势在哪?镁材料的应用在哪?接下来,就带你了解一下吧!镁合金由于其比强度高、弹性模量大、散热好、消震性好、承受冲击载荷能力比铝合金大、耐有机物和碱的腐蚀性能好等特点,现已广泛应用于航空、航天、运输、化工、火箭等领域。
除此之外,镁合金在医疗器械上的应用潜力很大;如果金属镁企业能在加工性能和产品价格上取得突破,那么镁合金也将在LED产业得到广泛应用。
院士说左铁镛院士在今年新材料发展趋势高层论坛中说到:“就镁材料来说,近20年来,我国的镁材料已取得了三个“第一”的好成绩,分别是镁产量第一,镁储量第一和镁出口量第一。
现在我国在上海交通大学和重庆大学分别建立了镁材料研究中心,在山西、陕西等省份形成产业一体化的布局,大大促进了我国镁合金的研究应用。
目前,镁金属与铝金属相比,价格只高出20%,相较之前有大幅度降低,这也能极大的促进镁合金的研究发展和应用。
”那么,镁合金的优势在哪?镁材料的应用在哪呢?1镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一,镁的比重是1.74g/cm3,只有铝的2/3、钛的2/5、钢的1/4;镁合金比铝合金轻36%、比锌合金轻73%、比钢轻77%。
镁具有比强度、比刚度高,导热导电性能好,并具有很好的电磁屏蔽、阻尼性、减振性、切削加工性以及加工成本低、加工能量仅为铝合金的70%和易于回收等优点。
镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。
镁合金的比强度高于铝合金和钢,略低于比强度最高的纤维增强塑料;比刚度与铝合金和钢相当,远高于纤维增强塑料;耐磨性能比低碳钢好得多,已超过压铸铝合金A380;减振性能、磁屏蔽性能远优于铝合金。
镁合金是制造工业中可使用的最轻金属结构材料之一,其性能特点决定了众多的应用优势:一是减轻资源压力,镁合金产品的应用可以缓解铁矿和铝矿资源短缺的压力;二是减轻能源和环境压力,以汽车为例,镁合金大规模应用可降低10%—15%的油耗和排放;三是镁合金产品减震性能优越;四是镁合金能源特性好,在某种程度上可以说有镁就有电;五是镁合金产品可屏蔽电子辐射,可广泛用于手机和电脑外壳……中国有丰富的镁资源(占世界70%以上)和巨大的应用市场,为制造业减重的同时必将提升中国制造业的竞争力。
骨科新型医用可降解植入材料JDBM镁合金的生物毒性、髓内针及植入物感染细菌生物膜的基础研究一、概述随着医疗技术的不断进步,骨科植入材料在修复和重建人体骨骼系统方面发挥着日益重要的作用。
新型医用可降解植入材料的研究备受关注,其中JDBM镁合金因其良好的生物相容性、强度与塑韧性的平衡以及均匀的腐蚀行为,成为了骨科植入领域的研究热点。
本文旨在深入探讨JDBM镁合金在骨科应用中的生物毒性、髓内针及植入物感染细菌生物膜的基础研究,为其在临床中的安全有效应用提供理论依据。
JDBM镁合金是由上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心设计开发的一种新型高性能生物医用材料。
该合金系列通过添加少量细胞毒性轻微的轻稀土元素Nd,实现了良好的时效析出强化和固溶强化效果,同时提高了合金的耐均匀腐蚀性能。
Zn和Zr元素的微量加入进一步增强了合金的强度、塑性加工能力以及强韧性和耐蚀性。
这些特性使得JDBM镁合金在骨科植入材料领域具有广阔的应用前景。
作为一种新型植入材料,JDBM镁合金的生物毒性问题一直是研究者关注的焦点。
本文首先通过体外实验研究了JDBM镁合金及其中稀土元素Nd对小鼠胚胎成骨细胞株MC3T3E1的毒性作用,分析了其对成骨细胞生长和分化的影响。
体内实验部分则通过观察Nd对小鼠骨及周围组织的生理病理影响,以及在各器官组织中的分布情况,来评估其生物安全性。
髓内针及植入物感染细菌生物膜的形成是骨科植入手术后的常见并发症之一。
本文还针对这一问题展开了研究,通过构建细菌生物膜模型,探究JDBM镁合金在植入后对细菌生物膜形成和发展的影响,以及其对细菌感染的抵抗能力。
本文从多个角度对JDBM镁合金在骨科应用中的生物毒性、髓内针及植入物感染细菌生物膜问题进行了深入研究。
这些研究结果将为JDBM镁合金在临床中的安全有效应用提供重要的理论依据和实践指导,有望为骨科植入材料的发展开辟新的道路。
1. 骨科植入材料的研究背景及现状随着人口老龄化的加剧以及人们对生活质量要求的提高,骨科疾病的治疗和康复日益受到重视。
镁合金在生物医用材料上的发展随着时代的发展和人们对健康的重视,生物医学领域成为了一个备受关注的领域,很多新型材料被应用于医用领域,其中镁合金就是其中一种。
镁合金因其优良的生物相容性、生物降解性及良好的机械性能,在医学上越来越受到人们的重视。
近年来,镁合金应用于医学领域的研究逐渐加强,研究人员将其应用于支架、骨切削、螺钉和植入物等方面,优越的性能得到了广泛的认可。
在骨科领域,镁合金被应用于人工关节、骨折治疗等方面,可以大大改善手术后患者的生活质量。
在生物医用材料的研究中,医学领域对于生物相容性的要求较高,而镁合金材料在这方面表现的尤为出色。
镁合金具有高度的生物相容性,能够在体内逐渐降解并转化为人体所需的有机物质。
这一特点可以一定程度上减少炎症反应的发生,并且在植入体内后不会成为一种额外的负担。
在减少内源性物质和异物反应方面,镁合金相对于其他物质具有更优的性能。
除了生物相容性方面,镁合金在机械性能方面也非常优秀。
它具有轻质、高强度、耐腐蚀性和良好的塑性,能够满足骨部受力的要求,并且保证了植入体在生物环境下的稳定性。
相对于其他材料,在生物医用材料方面,镁合金具有良好的可加工性能。
尽管在生物医用材料领域,镁合金具有良好的性能,但仍然存在一些问题需要解决。
通过合适的合金设计和合金元素的添加,可以使得镁合金在力学性能上和耐腐蚀性能上有所提高,然而,在制备过程中,仍然存在一些技术难点需要克服,例如,在制备过程中易受到空气中的氧化和金属离子溶出的影响。
此外,镁合金在降解过程中会产生氫氧化物,而这一物质会对周围的组织造成刺激,从而导致炎症的发生。
不过,这并不妨碍镁合金的发展,为了解决这些问题,许多科学家都在通过不断研究提高镁合金在生物医用材料领域的性能。
在生物医用材料领域,镁合金材料具有广泛的应用前景,将会成为医用骨科和牙科材料中的一种重要替代品,未来在生物医学领域,镁合金的应用前景也相当可观。
总之,镁合金因其优良的生物相容性、生物降解性和良好的机械性能等优点,已经成为生物医用材料中的一种新材料,并且在应用中得到了广泛的认可。
可溶镁合金材料
可溶镁合金材料是一种具有广泛应用前景的新型材料,具有优异的性能和多样的用途。
本文将从可溶镁合金材料的基本特性、制备方法、应用领域等方面进行介绍,以便读者对这一材料有一个全面的了解。
可溶镁合金是一种由镁为基础的合金材料,其特点是在特定条件下可以被水或湿气溶解。
这种特殊的性质使得可溶镁合金在一些特殊领域有着独特的应用。
可溶镁合金材料不仅具有较好的生物相容性,还具有低密度、高强度、良好的加工性和耐腐蚀性等优点,因此在医疗器械、航空航天、汽车制造等领域有着广泛的应用前景。
制备可溶镁合金材料的方法主要包括熔融法、机械合金化法、溶液浸渍法等。
其中,熔融法是目前应用最广泛的一种方法,通过将不同比例的金属混合在一起,经过一系列的熔炼、铸造、挤压等工艺,最终得到理想的可溶镁合金材料。
此外,还可以通过机械合金化法将粉末状的金属原料在高能球磨机中进行混合,然后进行烧结得到所需的合金材料。
可溶镁合金材料在医疗器械领域有着广泛的应用。
由于其良好的生物相容性和可溶性,可溶镁合金可以作为植入体材料用于骨折固定、骨修复等手术中。
在航空航天领域,可溶镁合金可以用于制造飞机零部件,减轻飞机的重量,提高飞行性能。
在汽车制造领域,可溶镁合金可以用于制造汽车发动机零部件,提高汽车的燃油经济性。
总的来说,可溶镁合金材料是一种具有广泛应用前景的新型材料,具有优异的性能和多样的用途。
随着科技的不断发展和进步,相信可溶镁合金材料在未来会有更广阔的发展空间,为人类生活带来更多的便利和创新。
希望本文的介绍能够让读者对可溶镁合金材料有一个更深入的了解,进一步推动其在各个领域的应用和发展。
可降解镁合⾦优点与其它常⽤⾦属基⽣物材料相⽐,镁及镁合⾦具有以下优势⼝]:具有⽐强度和⽐刚度较⾼、⽣物相容性和可降解性良好等特点(1)镁在⼈体内的正常含量为25g,半数存在于⾻骼中。
镁及镁合⾦的密度远低于钛合⾦,与⼈⾻密度接近。
(2)镁是⼈体细胞内的阳离⼦,其含量仅次于钾,镁参与蛋⽩质的合成,能激活体内多种酶,调节神经肌⾁和中枢神经系统的活动,保障⼼肌正常收缩及体温调节。
(3)镁的标准电极电位低,在含有氯离⼦的⼈体⽣理环境中可腐蚀降解,在植⼊⼈体后随着⼈体的⾃愈合⽽被吸收降解,⽆需⼆次⼿术。
(4)镁及镁合⾦有⾼的⽐强度和⽐刚度,杨⽒模量为41~45GPa,可有效缓解应⼒遮挡效应由于不锈钢、钴铬钼合⾦、钛合⾦等在⼈体组织中很容易磨损与腐蚀,产⽣对⼈体有害磨屑和⾦属阳离⼦(如Cr、Ni、V、Al等),导致毒性或者器件失效。
另外,不锈钢、钛合⾦弹性模量⼤,与⾻不能良好地匹配⽽造成“应⼒遮蔽”效应,使⾻的⽣长和发育得不到应有的刺激和强化,导致⾻损伤部位⾻质疏松和⾃体⾻退化,甚⾄引发“⼆次⾻折”。
⽬前常⽤的⾦属植⼊物是⽣物惰性材料,长期固定并留在⼈体组织中,有引发炎症的隐患,⽽且,治愈后如需拆除则要进⾏第⼆次⼿术,增加了治疗费⽤和患者的痛苦。
⽬前研究开发的⽣物可降解材料主要是聚合物材料和某些陶瓷,但是,聚合物材料的⼒学性能通常较低,⽽陶瓷材料的韧性较差。
镁合⾦缺点镁合⾦降解过快时有⼀定弊端,如组织愈合需要⼀定的时间,若镁合⾦降解较快,不能充分发挥其⽣物学作⽤,导致组织愈合不良,甚⾄治疗失败;⽽且,镁合⾦降解过程中的产物在组织周围⼤量聚集,不能较快被吸收,也会影响组织功能恢复。
提⾼镁合⾦耐体液腐蚀性能的途径主要有采⽤⾼纯镁合⾦、合⾦化、合⾦表⾯涂层和快速凝固⼯艺等。
可降解镁合⾦材料的研究⽬前处于起步阶段。
镁合⾦能否成为医⽤可降解材料,材料的安全性和降解速率的控制是2个基本条件:⼀⽅⾯,可降解材料⽣物相容性的系统评价是其成为医⽤材料的基础;另⼀⽅⾯,可降解⽣物材料要求材料降解速度与组织新⽣或者愈合速度之间匹配。
生物降解镁合金一、引言近年来,随着环境保护意识的提高和可持续发展理念的兴起,生物降解材料成为了研究热点之一。
生物降解镁合金作为一种新型材料,在减轻环境负担、推动可持续发展方面具有重要意义。
本文将对生物降解镁合金的特性、制备方法、应用领域以及未来发展方向进行探讨。
二、生物降解镁合金的特性生物降解镁合金是一种由镁及其合金构成的材料,具有以下特性:1. 可生物降解:生物降解镁合金在特定环境下能够被微生物分解为无害的物质,不会对环境造成污染;2. 轻质高强:镁合金是一种轻质金属,具有较高的比强度和比刚度,适用于制造轻量化产品;3. 耐腐蚀性好:镁合金具有良好的耐腐蚀性能,能够在一定程度上抵御外界环境的侵蚀;4. 生物相容性强:生物降解镁合金在体内具有良好的生物相容性,可以用于医疗领域。
三、生物降解镁合金的制备方法生物降解镁合金的制备方法主要包括传统熔融法、粉末冶金法和表面改性法等。
1. 传统熔融法:将不同比例的镁和其他金属元素加热熔融,通过冷却形成合金坯料,再进行热处理得到生物降解镁合金;2. 粉末冶金法:将镁和其他金属元素粉末混合均匀,通过冷压成型、烧结等工艺制备生物降解镁合金;3. 表面改性法:通过在镁合金表面涂覆生物降解材料,形成一层保护层,延缓镁合金的溶解速度。
四、生物降解镁合金的应用领域生物降解镁合金具有广泛的应用前景,主要应用于以下领域:1. 医疗领域:生物降解镁合金可用于制造可降解的内部固定器、缝线和骨修复材料等,促进骨折愈合和组织再生;2. 环境领域:生物降解镁合金可用于制造环境友好型包装材料、一次性餐具等,减少塑料污染;3. 轻工业领域:生物降解镁合金可用于制造汽车零部件、航空航天器件等,实现轻量化和节能减排;4. 农业领域:生物降解镁合金可用于制造农膜、农药包装等,减少农业塑料垃圾对土壤的污染。
五、生物降解镁合金的未来发展方向生物降解镁合金作为一种新兴材料,仍然存在一些挑战和待解决的问题,未来的发展方向主要包括:1. 提高降解速度:目前生物降解镁合金的降解速度较慢,需要进一步研究如何加快降解过程;2. 改善力学性能:生物降解镁合金的力学性能相对较低,需要通过合金设计和制备工艺改善其力学性能;3. 拓宽应用领域:生物降解镁合金可以在更多领域得到应用,需要进一步研究其在电子、建筑等领域的应用潜力。
镁合金在生物医学上的应用与发展镁合金由于其在生物医学领域的一系列独特性能,正在逐渐成为一种有潜力的新型生物医学材料。
本文将对镁合金在生物医学上的应用与发展进行详细介绍。
首先,镁合金具有优异的生物相容性。
镁是人体中的一种必需元素,具有良好的生物相容性和生物活性。
与传统的金属材料(如不锈钢、钛合金)相比,镁合金可以更好地适应人体环境,减轻组织炎症反应,促进人体自愈。
此外,镁合金还能够释放镁离子,镁离子对于骨骼生长和修复非常重要,有利于骨组织再生和愈合。
其次,镁合金具有轻质优势。
镁合金的密度只有铝和钛的两三分之一,使得它成为制造骨科和牙科植入物的理想材料。
由于轻质性质,镁合金可以显著减轻患者的负担,降低手术风险,并增加人工关节和牙齿等植入物的生物相容性和使用舒适性。
第三,镁合金具有良好的机械性能。
镁合金具有较高的抗拉强度和弹性模量,可以有效承受在人体内持久的机械负荷。
这使得它成为制造骨钉、骨板和牙种植体等植入物的理想材料,提高了治疗效果和患者的生活质量。
此外,镁合金还具有可降解性。
镁合金在体内能够逐渐降解,并逐步被人体新生组织所代替,最终完全被吸收。
这种可降解性能使得镁合金成为制造支架、螺钉和导管等临时植入物的理想材料,避免了二次手术的需要,减轻了患者的痛苦。
然而,镁合金在生物医学上的应用也存在一些挑战。
首先,镁合金在生物体内的腐蚀速度仍然需要进一步控制。
过快的腐蚀速度会导致过多的金属离子释放,可能对周围组织产生毒性影响。
其次,镁合金的力学性能尚不如传统的金属材料。
需要进一步改进镁合金的力学性能,以满足临床实际应用的需要。
尽管面临挑战,镁合金在生物医学领域的应用前景仍然广阔。
未来的发展方向包括优化镁合金的成分和制备工艺,增强其力学性能和可降解性能,控制其腐蚀速度,并进一步探索其在骨组织工程、心血管介入、神经修复和药物传递等方面的应用。
总结起来,镁合金在生物医学上的应用与发展具有巨大潜力。
它的优异生物相容性、轻质性能、良好机械性能和可降解性能,使其成为制造植入物的理想材料。
生物降解镁合金成分镁合金是一种轻质高强度的金属材料,具有良好的机械性能和导热性能,因此广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
然而,传统的镁合金在环境中难以降解,对环境造成一定的污染。
为了解决这一问题,研究人员开始探索生物降解镁合金,即通过添加生物降解成分来改善镁合金的降解性能。
生物降解镁合金是在传统的镁合金中添加一定比例的生物降解成分,使得合金在特定条件下能够被微生物分解并最终降解为无害物质。
生物降解成分通常是一些天然的有机物质,比如淀粉、纤维素、蛋白质等。
这些成分具有良好的生物降解性能,能够在自然环境中被微生物迅速分解。
添加生物降解成分的方式多种多样,可以通过合金熔炼、喷涂、电沉积等工艺将生物降解成分与镁合金相结合。
其中,合金熔炼是最常用的方法,通过将生物降解成分与镁合金一同熔炼,使得两者充分混合并形成均匀的合金结构。
这种方法简单易行,成本较低,因此被广泛应用于生物降解镁合金的制备过程中。
生物降解镁合金具有许多优点。
首先,生物降解成分的添加不会改变镁合金的基本性能,如强度、硬度、导热性等。
其次,生物降解镁合金在环境中具有良好的降解性能,可以有效减少对环境的污染。
此外,生物降解镁合金还具有良好的生物相容性,可以在人体内得到良好的生物组织相容性和生物降解性。
生物降解镁合金的应用前景广阔。
在医疗领域,生物降解镁合金可以用于制造生物可降解的植入物,如骨钉、螺钉等,可以在人体内逐渐降解,减少二次手术的风险和痛苦。
在环境保护领域,生物降解镁合金可以用于制造可降解的零件和设备,减少对环境的污染,提高资源利用效率。
在电子设备领域,生物降解镁合金可以用于制造可降解的外壳、支架等,减少废弃电子设备对环境的影响。
然而,生物降解镁合金也面临一些挑战。
首先,生物降解成分的添加量需要控制在一定范围内,过多或过少都会影响合金的性能。
其次,生物降解镁合金的降解速度需要在合适的范围内控制,过快的降解速度可能导致材料在使用过程中失去稳定性。
镁合金的危害及防护模版镁合金是一种轻质、高强度的金属材料,广泛应用于汽车、航空航天、电子等领域。
然而,与其特殊的性质和应用领域相比,镁合金也存在一些潜在的危害性,并需要采取一些防护措施来降低其风险。
在本文中,我们将详细探讨镁合金的危害性,并提供相关的防护模版。
一、镁合金的危害性:1. 火灾风险:镁合金具有很强的可燃性和易燃性,一旦发生火灾,燃烧温度可高达3000℃以上,释放大量的热量和有毒气体,严重危及生命和财产安全。
2. 高温燃烧产物:镁合金燃烧时会产生大量的有毒气体,如镁的氧化物、氮氧化物和镁的氯化物等。
这些气体对人体呼吸系统、眼睛和皮肤有刺激性和腐蚀性。
3. 镁尘爆炸:在加工和加工镁合金时,产生的镁尘与空气中的氧气和水分接触,会引发爆炸性反应,造成人员伤亡和设备损坏。
4. 生物毒性:镁合金中的镁离子对人体具有一定的生物毒性,可能对人体的血液、心血管和中枢神经系统产生不同程度的影响。
二、镁合金的防护模版:1. 安全生产培训:对使用镁合金的工作人员进行专业的安全培训,包括镁合金的危害性、火灾风险和紧急处理方法等内容。
员工应了解镁合金的特性和安全操作规程。
2. 灭火设备:提供适当的灭火设备,包括火灾报警器、消防栓和泡沫灭火器等,确保在火灾发生时能迅速采取措施进行灭火和救援。
3. 防护装备:使用镁合金的工作场所应配备特殊的防护装备,如耐热服装、防护眼镜、防护手套和防毒面具等,以降低镁合金火灾和燃烧产物对人体的危害。
4. 防尘措施:在加工和加工镁合金过程中,采取有效的防尘措施,如加强通风系统、使用湿式切削和排风装置等,防止镁尘积聚和发生爆炸。
5. 废料处理:合理处理产生的镁合金废料和废气,遵守相关的环境保护法规,防止对环境和人体健康造成污染。
6. 催化剂控制:对镁合金生产过程中使用的催化剂进行严格管理和控制,避免催化剂引发火灾和有毒气体的产生。
7. 应急预案:制定完善的应急预案,包括火灾报警、疏散和救援等程序,确保在紧急情况下能及时有效地应对。
医用镁合金的临床应用
医用镁合金的临床应用指的是将镁合金作为医用材料,用于治疗和修复人体损伤或疾病的过程。
医用镁合金作为一种可降解的生物医用材料,具有许多优点,如良好的生物相容性和可吸收性,以及与骨相近的密度和弹性模量等。
这使得医用镁合金在某些特定的医学领域具有一定的应用价值。
一些常见的医用镁合金临床应用包括:
1.骨科植入物:医用镁合金可以用于制造人工关节、骨折固定器等骨科植入
物。
由于其与骨相近的密度和弹性模量,镁合金植入物可以与骨骼形成良好的生物固定,减少排异反应和并发症的发生。
2.心血管支架:医用镁合金可以制成支架,用于治疗冠心病和心肌梗死等疾
病。
镁合金支架具有良好的生物相容性和耐腐蚀性,可以在人体内安全降解,避免了传统金属支架可能引起的排异反应和并发症。
3.药物载体:医用镁合金可以作为药物载体,用于局部药物输送和治疗。
通
过将药物与镁合金材料结合,可以实现在病变部位的精准释放,提高药物治疗效果,减少副作用。
需要注意的是,医用镁合金的临床应用仍处于探索和发展阶段,对于其应用范围和治疗效果仍需进一步研究和验证。
同时,医用镁合金的生产和质量控制也需要符合相关标准和规范,以确保其安全性和有效性。
生物医用镁合金的制备及性能表征生物医用镁合金是一种新型材料,具有轻量、高强度、良好的机械性能和生物相容性等优良特性,能够广泛应用于人体植入物和修复手术中。
本文将介绍生物医用镁合金的制备及性能表征,以期进一步推动其在生物医学领域的应用。
一、制备方法目前,生物医用镁合金的制备主要有两种方法:传统熔铸法和粉末冶金法。
传统熔铸法主要是通过高温熔融、浇铸的方式制备材料。
该方法操作简单,成本相对较低,但是易出现气孔、缺陷等问题,降低了材料的性能和生物相容性。
粉末冶金法则是将镁合金粉末通过压制、烧结等工艺形成原始坯料,再通过热压、热挤压等加工制备成型产品。
该方法能够有效改善材料的机械性能和生物相容性,但是制备工艺复杂,成本较高。
二、性能表征为了了解生物医用镁合金的性能和生物相容性,需要进行一系列的表征和测试。
1. 机械性能机械性能是指材料在外界力的作用下发生的变形和破坏情况。
常见的测试方法包括拉伸试验、压缩试验、硬度测试等。
在拉伸试验中,生物医用镁合金的强度和延伸率会随着合金成分、热处理和加工工艺等因素的不同而有所变化。
通常来说,镁合金的强度和延伸率呈负相关,强度越高,延伸率越低。
2. 腐蚀性能腐蚀性能是指材料在生物体内或外界环境中的稳定性和耐蚀性能。
在生物体内,生物医用镁合金会与体液接触,受到腐蚀的影响,产生氢气和碱性物质,影响材料的生物相容性和机械性能。
因此,在设计生物医用镁合金时需要考虑其耐腐蚀性能,常用的测试方法包括电化学测试和离子溶解度测试等。
3. 生物相容性生物相容性是指材料与生物体接触后所产生的生物学反应,包括毒性、炎症等反应。
生物医用镁合金具有良好的生物相容性,能够被生物体吸收和代谢。
在实际使用中,生物医用镁合金会随着时间的推移逐渐被生物体吸收代谢,最终被排出体外,从而避免了二次手术的风险。
三、应用前景随着人们对健康的关注度不断提高,生物医用材料的需求量日益增加。
生物医用镁合金因其优良的性能和生物相容性,能够广泛应用于人体植入物和修复手术中,例如内固定钢板、人工骨等。
镁合金在生物医用材料上的发展
随着科学技术的不断发展,镁合金作为一种新型材料,其在生物医用领域中的应用逐渐受到重视。
相比于传统的金属材料,镁合金具有生物相容性好、生物吸收性强等优点,因此被广泛应用于生物医用材料的制备中。
在医疗器械方面,镁合金已经开始被用于制造支架、植入物等。
镁合金支架可以通过调整合金成分和热处理工艺来降低其生物腐蚀性,同时也可以减少支架塑性变形等问题。
镁合金植入物则可以通过其生物吸收性来减少对人体的损伤,减少二次手术的风险。
此外,在口腔修复材料、骨修复材料等方面,镁合金也有着广泛的应用前景。
研究表明,镁合金可以促进骨细胞的生长、增强骨折修复等,因此被认为是一种非常有潜力的骨修复材料。
在口腔修复方面,镁合金合成的口腔修复材料可以更好地模拟天然牙齿的形态和性能,因此具有非常广阔的市场前景。
总之,镁合金作为一种新型生物医用材料,其在医疗器械、骨修复、口腔修复等方面的应用前景十分广阔。
相信随着技术的不断发展,镁合金将会在生物医用领域中扮演越来越重要的角色。
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2018•08技术应用与研究当代化工研究Chenmical I ntermediate ^^可降解生物医用镆合金材料的研究进展*刘茗贺(郑州外国语中学河南450001)摘要:生物医用材料因其在现代医学领域的许多重要应用而引起了越来越多的学者的兴趣。
其中,镁合金由于具有优异的生物相容性和 力学性能而在众多材料中脱颖而出,成为潜力非凡的可降解金属骨移植材料。
但是其在生物体内降解速率过快,严重限制了其实际应用。
针对这一问题,本文概述了镁合金的合金化、表面处理、非晶化和复合材料等四类减缓其降解速度的研究现状,并提出展望,以期对生物 医用镇合金的实际应用提供参考•关鍵词:可降解镁合金;合金化;表面处理;非晶化;复合材料中图分类T文献标识码:AResearch Progress of Degradable Biomedical Magnesium Alloy MaterialsLiu Minghe(Zhengzhou Foreign Language Middle School,He’nan,450001)Abstract: Biomedical m aterials have a ttracted m ore and m ore s cholars' i nterest d ue to their m any important a pplications in thefield o f m odem medicine. Among them, magnesium alloy s tands out among many materials due to its excellent biocompatibility and m echanical p roperties, becoming a degradable metal bone graft material with extraordinary p otential. However, its degradation rate in organisms is too f ast, which severely limits its practical application. In view of t his p roblem, this p aper summarizes the status of f our types of r esearch which can slow down the degradation rate of m agnesium alloy, including alloying, surface treatment, amorphous and composite materials, and p uts f orward the p rospect, hoping to p rovide a reference f or the p ractical application o f b iomedical magnesium alloy.Key wordsi degradable magnesium alloys alloying% surface treatment-, amorphous;composite material1■引言生物医用材料是一类具有特殊性能、多种功能,常用在 人造器官、外科手术、康复理疗、疾病的诊断和治疗,并对人体无毒副作用的材料。
1,为什么镁合金可以作为生物可降解材料? (1)2,镁合金的实验数据与人体测试的差别? (1)3,镁合金不适用于做可降解材料的原因? (3)4,最适合的材料? (4)5,镁合金发展的瓶颈?降解速度过快 (5)6,各种元素对镁的作用?(论文5) (5)7,镁合金的发展史? (6)1,为什么镁合金可以作为生物可降解材料?生物力学性能:密度与人体骨骼最接近。
弹性模量为人体骨骼的两倍,不及钛合金的50%,能有效缓解应力遮挡效应(镁的弹性模量和压缩屈服强度和人骨相近,可避免材料弹性模量较高时因应力屏蔽效应造成骨质吸收,而弹性模量过低则不能起到刺激骨生长的作用[5])。
生理作用及代谢:镁是人体必需的营养元素,与钠、钾、钙元素一起构成人体细胞内外最重要的4种阳离子。
镁是多种酶的激活剂和辅助因子。
镁是骨骼和牙齿的重要组成部分,对预防骨质疏松有一定作用。
就人体循环系统而言,镁可引起血管扩张,同时有防止动脉粥样硬化的作用。
镁参与体内三大产热营养素代谢、神经冲动产生与传递、肌肉收缩等[4,5]。
肾脏是镁代谢调节的中心,肾小球对血镁进行过滤,95%~98%由肾小管再吸收。
肾的调节作用可在一定范围内保持血镁正常。
因此,将可吸收镁合金的降解速度控制在一定范围内,不超过肾脏代谢能力,就能保持较好的安全性[4,6]。
(论文9)镁是人体内含量仅次于钾的细胞内阳离子,在新陈代谢过程中起着重要作用,镁也是组成生物体骨的主要成分,能够促进骨、牙齿及细胞形成并在骨的矿物质代谢中具有重要的调节作用[3]。
此外,由于镁合金所具有的金属材料特性,其塑性、刚度、加工性能等都要远优于现已开始临床应用的聚乳酸等可降解高分子材料[4],因而更适于在骨等硬组织修复和介入治疗方面的临床应用。
更令人欣喜的是,全球现有实验中所选用的镁合金在血液及骨环境下进行短期实验观察时均没有不良后果产生[5]镁具有很好的生物相容性,可以减缓细胞膜表面对植入物的排斥。
镁是300 多种酶的共存因子,能够稳定DNA 和RNA 的结构[5],调节神经肌肉和中枢神经系统的活动,抑制神经的兴奋,保障心肌正常收缩。
人体大约70 kg 体重中包含有35g 镁[3]。
世界卫生组织提出,镁的每日摄入量男性为300mg,女性为280 mg,儿童为250 mg,婴幼儿为80mg。
镁的密度为1.74 g/cm3,而铝和铁的密度分别为镁的1.6 倍和4.5 倍[5]3VormannJ.Magnesium:Nutritionandmetabolism[J].MolAspectsMed,2003,24(1):274StaigerMP,PietakAM,HuadmaiJ,etal.Magnesiumanditsalloysasorthopedicbiomaterials:Areview[J].Biomate-rials,2006,27:17285郑玉峰,顾雪楠,李楠,等.生物可降解镁合金的发展现状与展望[J].中国材料进展,2011,30(4):302,镁合金的实验数据与人体测试的差别?体外实验缺乏统一的标准,加之体外实验常规方法(失重测试、氢气体积监控、pH检测、电化学测试、阻抗分析等)各有利弊,同时模拟体液(Simulatedbodyfluid,SBF)的选择更是各有不同(见表1),这使得研究者的实验结果存在不小差别,甚至大相径庭。
传统的实验数据获得的途径:众多科学家在SBF中进行了测试铸态纯镁在SBF中会在表面形成一层Mg(OH)2膜,但不致密,对降解行为没有多大多大影响。
腐蚀过程宏观上是均匀的,但微观上是局部进行的,其损伤形式主要是网状裂纹和腐蚀坑,随着浸泡时间的延长,试样腐蚀速率降低,溶液pH升高。
AZ31合金在Hanks’平衡盐溶液中主要是在氯离子点蚀作用下的局部腐蚀,pH的升高可以提高镁合金腐蚀反应的自腐蚀电位,降低腐蚀反应的热力学倾向,稳定腐蚀过程中形成的钝化膜,从而降低了腐蚀速率。
人体环境中的各种侵蚀性离子对镁合金的影响也不尽相同。
氯离子能够诱发镁合金表面发生多孔状点蚀;磷酸一氢根离子会对镁合金的降解产生较强的抑制作用;碳酸氢根离子则会大大加速镁合金的降解,但也会诱发剧烈腐蚀部位产生钝化行为,从而对点蚀的扩展具有较强的抑制作用;硫酸根离子会在一定程度上加速镁合金的降解。
由此可见,生理环境中的侵蚀性离子对镁合金腐蚀行为具有重要影响。
镁锌锆钇(Mg-5.6Zn-0.55Zr-0.9Y)在中性介质环境下,镁合金很快被腐蚀;随着介质溶液pH的升高,镁合金表面能够形成厚的Mg(OH)2沉淀膜,阻止腐蚀的深入;镁合金在林格试液中腐蚀后,表面生成ZnO钝化膜,以及使溶液pH升高的Mg(OH)2膜,这2层膜的共同作用使合金的耐腐蚀能力提高;添加Y元素后合金的腐蚀更加均匀。
稀土元素对镁基体的保护效果不如铝元素,但是热处理可以提高WE54镁合金的钝化效果,进而提高其耐蚀性。
但是体外实验与人体环境有何大区别,人体是动态环境,而体外实验多为静态,静态环境中腐蚀产物能在机体表面形成一层相对稳定的保护膜,而在动态环境中则无法形成,故动态环境材料的降解速率会更快。
Song等[9]对铸态纯镁在SBF中的腐蚀降解行为进行了研究分析,结果表明纯镁在SBF中的腐蚀机制与在NaCl溶液中相似,均是在腐蚀降解过程中纯镁表面形成Mg(OH)2膜,该膜并不致密,不能起到良好的保护基体的作用。
王勇等[29]考察了纯镁浸泡在SBF中的降解行为,结果显示,镁在SBF中的腐蚀在宏观上是均匀的,但在微观上是局部进行的,其损伤形式主要是网状裂纹和腐蚀坑,随着浸泡时间的延长,试样腐蚀速率降低,溶液pH升高;浸泡早期,试样表面有较多的Ca、P元素沉积,但是21d以后,只有很少的Ca、P残留下来;整个过程中,试样表面未发现任何磷酸钙陶瓷相,21d后溶液的游离沉淀中形成了HA。
王勇等的研究说明抑制Mg(OH)2层的形成是诱导HA在镁表面结晶的必要条件。
邓希光等[30]探讨了AZ31镁合金在Hanks’平衡盐溶液(Hanks’balancedsaltsolution,HBSS)中的腐蚀行为,结果显示HBSS对镁合金的腐蚀主要是在氯离子点蚀作用下的局部腐蚀;同时,讨论了pH变化与镁合金降解的关系,研究表明pH的升高可以提高镁合金腐蚀反应的自腐蚀电位,降低腐蚀反应的热力学倾向,稳定腐蚀过程中形成的钝化膜,从而降低了腐蚀速率。
杨柯等[10]研究了AZ31镁合金作为可降解生物医用材料的可行性,体外浸泡实验结果表明,AZ31镁合金的降解行为与其所处环境有关,在HBSS中的降解速率较在0.9%NaCl溶液中低;经过热处理后的AZ31镁合金与铸态和锻态相比点蚀发生倾向降低,降解速率更低。
信运昌[19]在体外模拟生理环境中对AZ91镁合金进行实验,研究了镁合金在降解过程中降解速率、镁离子释放速率和周围环境pH的变化趋势以及腐蚀方式,结果表明:在接触SBF初期,其降解速率和镁离子释放速率极快,并引起局部pH显著升高,经过一定时间后,降解速率和镁离子释放速率基本保持稳定且远远低于初期;镁合金在降解过程中会发生微弱的点蚀,但点蚀具有一定的自我修复能力。
同时,信运昌等[20]还系统研究了生理环境中的侵蚀性离子(Cl-、HPO42-、HCO3-和SO42-)在生理浓度下对镁合金降解行为的影响,结果表明:氯离子能够诱发镁合金表面发生多孔状点蚀;磷酸一氢根离子会对镁合金的降解产生较强的抑制作用;碳酸氢根离子则会大大加速镁合金的降解,但也会诱发剧烈腐蚀部位产生钝化行为,从而对点蚀的扩展具有较强的抑制作用;硫酸根离子会在一定程度上加速镁合金的降解。
由此可见,生理环境中的侵蚀性离子对镁合金腐蚀行为具有重要影响,表1中不同体液的侵蚀性离子浓度各有不同,这必将导致镁合金在SBF中的研究的结果不相同,单纯体液环境下降解结果则有待商榷,统一的体外实验标准的建立似乎势所必然。
高家诚等[24]比较研究了纯镁(99.9%)、镁锌锆(ZK60)、镁锌锆钇(Mg-5.6Zn-0.55Zr-0.9Y)3种合金材料在SBF中的腐蚀行为,分析其是否具有生物临床应用价值,结果显示,随着镁合金在SBF中浸泡时间的延长,溶液pH升高,电势也随其增加而减小,镁及镁合金的腐蚀速率会降低。
高家诚等的研究说明,添加了钇的镁锌系合金用作生物材料是完全可行的,添加Y能够提高其耐蚀性[25]。
余琨等[11]研究了2种镁合金材料(Mg-6%Zn和Mg-6%Zn-2%Y合金)在生理盐水和林格试液(人体模拟体液)中的腐蚀行为,以评价其作为医用植入材料的服役情况,实验结果表明:在中性介质环境下,镁合金很快被腐蚀;随着介质溶液pH的升高,镁合金表面能够形成厚的Mg(OH)2沉淀膜,阻止腐蚀的深入;镁合金在林格试液中腐蚀后,表面生成ZnO钝化膜,以及使溶液pH升高的Mg(OH)2膜,这2层膜的共同作用使合金的耐腐蚀能力提高;添加Y元素后合金的腐蚀更加均匀。
Walter等[31]对比了纯镁及含稀土元素的WE54镁合金在SBF中的降解行为,发现稀土系镁合金的降解相对较快;同时,将WE54与AZ91镁合金进行了比较,结果显示稀土元素对镁基体的保护效果不如铝元素,但是在实验中他们发现热处理可以提高WE54镁合金的钝化效果,进而提高其耐蚀性。
3,镁合金不适用于做可降解材料的原因?目前研究的医用镁合金多集中于商业镁合金,而商业镁合金大都含有Al元素、重稀土元素及相当量的Zr元素,其中Al是神经毒性元素,会损害人体的神经元与成骨细胞,可能造成痴呆或阿兹海默症[38];重稀土元素容易在脑中富集,同时可能会造成肝中毒[39],例如,过量的Y3+会影响小鼠DNA转录因子从而影响其基因的表达[40]等,Zr在镁合金中起到细化晶粒的作用,但其给人体健康带来的困扰同样不可忽视,研究发现肝癌、肺癌、乳腺癌等重大急症的发生与Zr的存在密不可分[41]。
因此,越来越多的生物材料工作者开展了含有无毒或低毒元素的新型生物医用镁合金的研制工作[42]。
铝元素有神经毒性作用,研究发现老年性痴呆或精神异常患者脑内铝含量较正常人高10~30倍;铝对胎儿有致畸致残作用,还能引起骨病理性改变及血液系统疾病[13,14];稀土元素可富集于脑中,产生神经系统毒性及肝毒性[15]。
因此,含铝和稀土元素的镁合金植入物植入人体后的长期效应并非仅经动物实验就能发现,理想的可植入人体的镁合金材料应不含,或在人体代谢可接受范围内尽量少含这些元素。
(论文9)4,最适合的材料?MgZnMn Song[41]同样对比了这四种合金在HBSS中的降解行为,发现Mg2Zn0.2Mn合金在体液中降解速率接近植入材料允许的水准,因而借助阳极氧化等控制腐蚀的手段,可望将其发展成为一种有前景的医用材料。