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生物医用金属材料的腐蚀与防护
2013-06-01 00:00:00 作者:高瑾 来源:《腐蚀防护之友》


  不锈钢低碳含量可减少晶界碳化物的形成,使其在模拟生理环境下对盐和氯具有更好的抗腐蚀能力。若不锈钢晶界处有碳化物形成时,晶界临近的区域就会缺铬,表面钝化性能会受到影响,将会有选择性的发生晶间腐蚀,并且一旦引发腐蚀,就会快速发生,而且可能彻底导致植入物的破裂和大量的腐蚀产物向组织扩散。因此尽管奥氏体不锈钢耐腐蚀性能优良,耐磨损性能却很差。


  为了提高不锈钢耐磨损腐蚀复合性能,目前国内外主要采取两种方法。


  一是开发新型不锈钢材料,但不锈钢的稳定组织结构的要求,限制了合金元素成分变化的范围,从而使得不锈钢的磨损腐蚀性能难以发生本质的改变。


  二是等离子处理、离子注入等表面改性方法;但是离子注入、渗氮等改性工艺在提高耐磨损性能的同时,多以牺牲材料的耐腐蚀性能为代价,而且离子注入获得的改性层较薄,承载能力有限,难以满足较大负荷下的耐摩擦磨损要求;在奥氏体不锈钢表面沉积薄膜或涂层,由于改性层自身结构的不均匀,以及改性层与基体间的应力不匹配,均可造成在生物体环境中改性层与基层的结合失败。


  目前尚缺乏适宜的医用奥氏体不锈钢耐磨损腐蚀复合改性技术。


  不锈钢腐蚀磨蚀会释放出金属离子(Fe、Cr、Ni离子),其中镍被认为是潜在的致敏因子,镍离子在植入物附近组织富集可诱发毒性效应,引发细胞破坏和发炎,对生物体有致畸、致癌等危害。


  研究表明,由不锈钢支架中的镍、铬、钼等元素离子的溶出而引起的过敏反应与冠脉再狭窄有一定的关系。为了排除镍过敏等毒素问题,应当使不锈钢材料无镍或低镍,减少植入不锈钢在体内的组织反应,提高材料的生物相容性。


  生物医用钛合金


  医用钛合金由于其高耐蚀性,现今得到普遍认可与应用,是目前最引人注目的生物医学用金属材料。在医学中钛合金可用作植入装置以替代损坏的硬组织,例如人工髋关节、人工膝关节、骨板、骨折固定螺钉、心瓣膜修补物、起搏器以及人造心脏等,一直是一种主要的医疗合金。


  然而对于永久植入应用来讲,这种钛合金因为释放钒和铝而可能具有毒性。因此,基于Ti一6Al一4V植入物的无钒和无铝钛合金己经引入植入应用领域,这些新合金包括Ti-6AI-7Nb(ASTM F1295),Ti-13Nb-13Zr(ASTM F1713)和Ti-12MO-6Zr6Zr(ASTM F1813)。


  商业纯钛(Cp Ti)被认为是最好的生物兼容金属材料,这是由于其表面性质导致其会自发形成一层稳定的惰性氧化物。钛是一种安全性较高的材料,在正常条件下,钛合金表面会生成一种十分稳定而连续的、结合牢固的氧化物钝化膜,因此通常具有良好的耐蚀性能。但由于人体环境的复杂性,在外力和体液的侵蚀下,表面钝化膜有可能被剥离、溶解,因此,在使用过程中会有物质释放到组织中,在生物体内产生毒性、炎症、血栓等反应。


  Fad1· Allah发现在硫酸中,钛表面的阳极氧化膜为两层结构,内层为致密层,外层为多孔层。恒电流方法形成的氧化膜的生长动力学取决于致密层的生长速度,而恒电位形成的氧化膜生长动力学受到两层膜生长的共同影响。


  低浓度的H202会使氧化膜形成多孔结构,其浓度的增加会导致氧化膜溶解和击穿。虽然目前Ti26Al24V EL I合金是国内外广泛使用的生物医学钛合金,但是β2钛合金兼具比强度高、弹性模量低、断裂韧性高、优异的耐腐蚀和耐磨性以及平滑的疲劳强度这些无可比拟的性能,使β2钛合金替代Ti26Al24V EL I合金的趋势成为必然。


  生物医用镁合金


  镁作为生物医用植入材料,具有良好的生物相容性和力学相容性、不但不用考虑释放的微量镁离子对细胞的毒性,而且植入材料中的镁离子在人体内的微量释放还是有益的。


  与不锈钢、钛及钛合金的力学性能比较,镁基合金的压缩强度、弹性模量及密度与骨和牙齿更为接近。另外,镁合金还具有第三代医用材料所需的可降解性和生物活性等特征,是其他金属基生物材料和可降解高分子材料所不具各的性能。


  但镁基合金在人体体液环境下长时间承力产生的摩擦磨损、应力腐蚀及腐蚀疲劳等破坏现象会影响和缩短植入体的使用寿命。

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