淺談：鈦鎂復(fù)合材料的降解行為及其對(duì)性能的影響

戰(zhàn)德松

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，沈陽(yáng) 110000）

隨著人們壽命的不斷增長(zhǎng)，由于炎癥、腫瘤和外傷所引起的骨缺損性疾病越來越多。為了修復(fù)組織缺損，人們對(duì)骨替代材料的研究越來越多。其中，鈦及其合金由于良好的生物相容性、較高的耐腐蝕性及優(yōu)異的力學(xué)性能受到臨床醫(yī)生的青睞。但是在臨床應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了鈦及其合金存在的缺點(diǎn)：較高的彈性模量及生物惰性。近年來，生物活性元素鎂引起了學(xué)者們的注意。金屬鎂的彈性模量與皮質(zhì)骨接近，并且具有生物活性，可以促進(jìn)骨替代物與周圍骨的結(jié)合。由于以上鈦和鎂各自的優(yōu)缺點(diǎn)，制備具有鈦鎂雙相的復(fù)合材料似乎是一個(gè)很好的選擇[1]。然而，鎂與液體環(huán)境接觸時(shí)會(huì)發(fā)生降解且降解速率難以控制。降解產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物對(duì)復(fù)合材料的性能也產(chǎn)生了影響。因此，本文對(duì)鈦鎂復(fù)合材料的降解行為及其對(duì)性能的影響進(jìn)行了初步分析。

1 鈦鎂復(fù)合材料的降解行為及其影響因素

1.1 鈦鎂復(fù)合材料的降解行為

鎂作為可降解金屬，其化學(xué)性質(zhì)非常活潑，在與液體進(jìn)行接觸時(shí)會(huì)通過以下反應(yīng)生成氫氧離子（OH-）、氫氣（H2）和Mg2+[2]。

純金屬材料的腐蝕通常從晶界開始。然而，當(dāng)具有不同電化學(xué)電位的金屬在電解液中發(fā)生接觸時(shí)會(huì)組成原電池，從而引起電偶腐蝕。金屬之間的電極電勢(shì)差異越大，腐蝕速度就越快。在電偶腐蝕過程中，具有相對(duì)較低電位的金屬充當(dāng)陽(yáng)極被腐蝕，電位較高的金屬充當(dāng)陰極被保護(hù)。在鈦鎂復(fù)合材料中，鈦（-1.630 V）作為陰極被保護(hù)，鎂（-2.363 V）作為陽(yáng)極被選擇性腐蝕，從而進(jìn)一步加快了鎂的在液體環(huán)境中的腐蝕速率。由于電偶腐蝕的存在，鈦鎂復(fù)合材料中的腐蝕優(yōu)先發(fā)生在鈦鎂交界處或靠近鈦的鎂區(qū)。在靠近鈦的鎂區(qū)優(yōu)先腐蝕之后，腐蝕向著鎂的中心區(qū)域逐漸擴(kuò)展，并蔓延到整個(gè)復(fù)合材料。最終復(fù)合材料中的鎂被完全腐蝕之后，鎂區(qū)被氣孔所取代。在歐陽(yáng)等人[3]的研究中，使用放電等離子燒結(jié)的方法制備出了鈦鎂復(fù)合材料。SEM 觀察發(fā)現(xiàn)，雖然鎂在鈦基體之間分布較為均勻。但是鎂區(qū)直徑不一，且呈獨(dú)立分布，彼此之間無相互連接。為了對(duì)材料的降解行為進(jìn)行研究，他們采用1∶20 cm2/mL 的浸泡比例將材料放入模擬體液之中進(jìn)行3 周的腐蝕試驗(yàn)。結(jié)果顯示，降解在兩周時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，鎂區(qū)由于電偶腐蝕完全降解，留有氣孔在材料表面。Balog 等人[4]通過粉末冶金制備出了擠壓態(tài)Ti-Mg復(fù)合材料。微觀結(jié)構(gòu)觀察顯示界面無明顯的缺陷出現(xiàn)，鎂以絲狀結(jié)構(gòu)沿?cái)D壓方向鑲嵌于鈦基體之間。但是鎂絲的分布并不均勻，在低含量的情況下，鎂絲之間彼此獨(dú)立存在。在降解實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于鎂成分的互不聯(lián)通，使得降解局限于材料的表層，無法長(zhǎng)時(shí)間維持鎂離子的釋放。

1.2 鈦鎂相對(duì)含量對(duì)降解速率的影響

鈦鎂復(fù)合材料的降解速率除了受電偶腐蝕的影響，其快慢還與復(fù)合材料中鈦和鎂的相對(duì)含量的大小有關(guān)，鈦和鎂的相對(duì)表面積或體積比是決定復(fù)合材料腐蝕響應(yīng)的重要參數(shù)。當(dāng)鎂的表面積比鈦的表面積小時(shí)，由電偶腐蝕所引起的腐蝕速率增加的程度會(huì)更大[5]。在Esen 等人的研究中[6]，采用熱旋鍛工藝制備了兼具生物惰性和生物降解性的鈦鎂復(fù)合材料。在林格氏溶液浸泡實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)：由于鈦鎂復(fù)合材料中鎂區(qū)表面積比鈦更大，與純鎂材料相比，鎂在復(fù)合材料中的腐蝕速率僅略有增加。這種現(xiàn)象可能是由于相對(duì)較小的陰極面積或較少的鈦含量導(dǎo)致氧化還原較少，從而產(chǎn)生了較小的電流所引起的。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)在所制備的復(fù)合材料中，界面區(qū)域被薄層的氧化鎂相隔開，Ti-Mg 和Mg-Mg 區(qū)域沒有直接接觸，電流在電偶腐蝕過程中被氧化鎂薄膜隔斷也可能是另一個(gè)導(dǎo)致腐蝕速率低于預(yù)期的原因。這些氧化鎂相可能來自于起始的鎂粉，也可能是在加工過程中形成的。Ti-Mg 和Mg-Mg 界面上氧化層的存在有效地減緩了復(fù)合材料的腐蝕響應(yīng)，使陰極還原反應(yīng)變慢，從而降低了復(fù)合材料的腐蝕速率。

1.3 鈦鎂雙相的元素組成對(duì)降解速率的影響

鎂鈦雙相的元素組成是影響鈦鎂復(fù)合材料降解速率的又一重要因素。理想的鈦鎂復(fù)合材料應(yīng)保持足夠的機(jī)械完整性，以便在鎂相降解后的骨缺損修復(fù)過程中為植入物提供強(qiáng)度。然而，由于氫氣作為降解產(chǎn)物在陰極位置（鈦基體）周圍的積累會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不利影響。根據(jù)復(fù)合材料腐蝕速率的不同，會(huì)釋放不同量的氫氣，并在腐蝕過程中對(duì)鈦基體產(chǎn)生應(yīng)力。同時(shí)，瞬間的氫氣釋放還會(huì)導(dǎo)致鈦骨架中微裂紋的產(chǎn)生，從而引起災(zāi)難性的破壞。Esen 等[7]還通過粉末冶金法制備了Ti6Al4V-Mg/WE41/AZ27 復(fù)合材料。浸泡1 天后，Ti6Al4V-Mg 復(fù)合材料樣品不能保持其機(jī)械完整性。機(jī)械完整性的喪失主要是由于氫氣產(chǎn)生的高壓克服了Ti6Al4V 合金骨架燒結(jié)頸部的局部強(qiáng)度。然而，在將純鎂替換為鎂合金（WE43 和AZ91）后，電偶腐蝕被減輕，從而降低了腐蝕速率，材料在7 天的降解之后，仍能保持機(jī)械完整性。這是由于腐蝕和產(chǎn)氫速度較慢而產(chǎn)生的較低的氣體壓力所致。有趣的是，不僅改變鎂基體的元素結(jié)構(gòu)可以降低腐蝕速率，在改變鈦基體的元素構(gòu)成時(shí)同樣可以引起相同的結(jié)果。之前有研究報(bào)道[8]，與Ti6Al4V-Mg 復(fù)合材料相比，Ti-Mg 樣品中鎂的降解速率更快，從而在相同的時(shí)間內(nèi)析出了更多的氫氣，留下了更多的多孔結(jié)構(gòu)。由于降解速率較快，過快的氫氣生成速率產(chǎn)生的應(yīng)力更大，使得鈦鎂復(fù)合材料的頸區(qū)嚴(yán)重開裂。同時(shí)，在降解過程中有部分材料與主體發(fā)生分離進(jìn)一步加快了材料的腐蝕。而Ti6Al4V-Mg 合金由于具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較慢的腐蝕速率，在25 天的腐蝕中未觀察到開裂和分離。

1.4 腐蝕產(chǎn)物對(duì)降解速率的影響

對(duì)于鎂基材料，腐蝕產(chǎn)物的形成通常伴隨著降解過程。鎂及其合金表面生成的氫氧化鎂是主要的腐蝕產(chǎn)物。在鈦鎂復(fù)合材料中，由于電偶腐蝕的原因，鎂離子與氫氧根在局部大量累積，促進(jìn)了氫氧化鎂的形成。同時(shí)鎂離子周圍水的迅速減少可導(dǎo)致局部pH 升高，還能形成Ca/Mg-碳酸鹽/磷酸鹽[9]。材料表面的氫氧化鎂膜可以在堿性環(huán)境中鈍化鎂，起到保護(hù)層的作用，防止下方鎂的進(jìn)一步腐蝕。然而，該層不能在水環(huán)境中保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，溴化物、氯酸鹽、硫酸鹽和氯化物的存在會(huì)導(dǎo)致鈍化膜破裂[10]。氫氧化鎂可以轉(zhuǎn)化為更易溶的氯化鎂，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為磷酸鎂，最終轉(zhuǎn)化為磷灰石后穩(wěn)定存在。這可能是鈦鎂復(fù)合材料在一定時(shí)間后降解速率保持穩(wěn)定的原因。同時(shí)，由于磷酸鈣被認(rèn)為是形成羥基磷灰石的前體，在人工材料表面形成羥基磷灰石通常被認(rèn)為是與活骨結(jié)合的基本要求。在鈦鎂復(fù)合材料表面形成的鈣磷腐蝕產(chǎn)物在一方面證明了鎂的加入增強(qiáng)了復(fù)合材料的生物活性。

2 降解速率對(duì)力學(xué)性能的影響

2.1 傳統(tǒng)方式制備鈦鎂復(fù)合材料

在骨科或牙科的植入中，優(yōu)異的力學(xué)性能是植入物的重要要求之一。理想的植入物不但要求材料具有良好的力學(xué)性能可以行使支持作用，還要求其與周圍骨組織的性能相匹配。由于鈦和鎂本身性能的差異，純鎂揮發(fā)溫度（1 090 ℃）遠(yuǎn)低于鈦的熔點(diǎn)（1 668 ℃），使得通過傳統(tǒng)的制備方法很難得到符合人們要求中的鈦鎂復(fù)合材料。人們對(duì)于鈦鎂復(fù)合材料的制備進(jìn)行了不同方法的嘗試，包括粉末冶金、放電等離子燒結(jié)、熱旋鍛制備、高壓固態(tài)燒結(jié)及滲透法等[11]，但是均未制備出性能較為優(yōu)異的鈦鎂復(fù)合材料。在歐陽(yáng)等人[3]的研究中，通過粉末冶金制備出的復(fù)合材料具有634.2 MPa 的屈服應(yīng)力和1 156.8 MPa 的極限拉伸強(qiáng)度，同時(shí)還保持著20%左右的斷裂伸長(zhǎng)率。但是鎂在鈦基體之間分布并不均勻，且相互之間獨(dú)立存在，導(dǎo)致部分鎂形成了無效孔隙，進(jìn)一步惡化了材料的性能。在Balog 等人的研究中[4]，不同含量的鎂元素的加入，使得鈦鎂復(fù)合材料具有不同的力學(xué)性能。通過改變鈦粉的粒度，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦鎂復(fù)合材料的力學(xué)性能的調(diào)控。由于鎂絲在鈦基體之間的存在，使得材料具有（511±1） MPa 的屈服強(qiáng)度和（598±3） MPa 的極限拉伸強(qiáng)度的同時(shí)，還擁有（31.3±1.8） %的伸長(zhǎng)率。研究了鎂在降解之后對(duì)于材料力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在達(dá)到穩(wěn)定之后鎂的降解深度只達(dá)到了材料表面50 ～ 100 μm 小范圍內(nèi)。這可能是由于鎂在低濃度下彼此互不聯(lián)通所致。人們需要新興技術(shù)的出現(xiàn)來為鈦鎂復(fù)合材料的制備提供新方法。

2.2 3D 打印鈦鎂復(fù)合材料

隨著3D 打印技術(shù)（3D printing）在近年來的不斷發(fā)展，為鈦鎂復(fù)合材料的制備提供了新思路。3D 打印技術(shù)不僅可以根據(jù)患者骨缺損的形態(tài)來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的控制，還可以實(shí)現(xiàn)各種材料的加工并進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)的制備。將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于鈦鎂復(fù)合材料的制備之中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鎂基體的大小、分布位置和鈦鎂之間比例的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦鎂復(fù)合材料降解速率和力學(xué)性能的精細(xì)控制。在Ganesh 等人的研究中[12]，通過噴墨3D 打印制備了多孔鈦支架，隨后進(jìn)行熔融態(tài)鎂的無壓滲透，得到了新型的鈦鎂復(fù)合材料。鎂的滲透增強(qiáng)了多孔鈦的壓縮模量，由于鎂基體之間存在3D 互連多孔鈦網(wǎng)絡(luò)，使得鈦鎂復(fù)合材料的極限抗壓強(qiáng)度（UCS）和斷裂應(yīng)變值更加優(yōu)越。同時(shí)復(fù)合材料的楊氏模量與皮質(zhì)骨相當(dāng)，有效地減輕了應(yīng)力屏蔽效應(yīng)。還有研究報(bào)道[13，14]，通過3D 打印多孔鈦支架隨后通過熔融態(tài)鎂的無壓滲透，成功制備出了具有三維互穿結(jié)構(gòu)的新型鈦鎂復(fù)合材料。其雙連續(xù)的互穿相結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了鈦基體對(duì)復(fù)合材料的有效強(qiáng)化，還使得載荷可以在材料的每個(gè)相之間進(jìn)行有效傳遞，進(jìn)而提高了材料的強(qiáng)度和阻尼性能。同時(shí)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以通過兩相之間的聯(lián)鎖和分割來限制損傷的擴(kuò)展。三維互穿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得材料在降解過程中由于氫氣的釋放而產(chǎn)生的應(yīng)力可以沿著雙相結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，提高了材料對(duì)于應(yīng)力的抵抗作用，避免了復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)破壞。

3D 打印技術(shù)的發(fā)展為鈦鎂復(fù)合材料的制備提出了新方法，促進(jìn)了鈦鎂復(fù)合材料的進(jìn)一步發(fā)展。通過對(duì)材料組成元素、孔徑和鈦鎂組分比例的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鈦鎂復(fù)合材料的降解速率及力學(xué)性能的精細(xì)調(diào)控。對(duì)3D 打印技術(shù)的進(jìn)一步研究應(yīng)用將是之后鈦鎂復(fù)合材料研究的熱門方向。

3 降解速率對(duì)生物學(xué)性能的影響

對(duì)于材料生物學(xué)性能的研究是評(píng)價(jià)新型鈦鎂復(fù)合材料的一個(gè)重要方面。在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，許多成骨標(biāo)志物的表達(dá)可以被Mg2+所促進(jìn)，其中包括：堿性磷酸酶（ALP），骨鈣素（OCN），I 型膠原蛋白（COL-I）和整合素-β1（Integrin-β1）等。鎂基材料對(duì)于細(xì)胞生物學(xué)性能的影響主要是受降解過程中生成的Mg2+的作用，其影響程度與Mg2+濃度密切相關(guān)[15]。適宜濃度的Mg2+可以促進(jìn)細(xì)胞的增值、黏附及成骨分化，過高的Mg2+濃度反而對(duì)細(xì)胞有毒性作用。在王等人[16]的研究中發(fā)現(xiàn)，10 mM 以下的鎂離子對(duì)于成骨細(xì)胞（osteoblasts）骨髓間充質(zhì)基質(zhì)細(xì)胞（BMSCs），小鼠成纖維細(xì)胞（L-929）和小鼠顱骨前成骨細(xì)胞（MC3T3-E1）均無毒性。同時(shí)，使用Mg2+濃度為5 mM 和10 mM的培養(yǎng)基對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，在7 天和14 天 時(shí) 發(fā) 現(xiàn)，10 mM 組 的ALP 及COL-1 的mRNA 水平顯著高于5 mM 組，表明Mg2+的加入有助于提高骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化能力。

而對(duì)于鈦鎂復(fù)合材料來說，材料的降解速率決定了種植體周圍鎂離子的濃度。降解速率越快，局部鎂離子濃度就越高。適宜的降解速率可以在骨組織愈合過程中產(chǎn)生合適的鎂離子濃度，使得復(fù)合材料在植入早期階段可以更好地與周圍骨組織形成骨結(jié)合，提高植入的成功率。在歐陽(yáng)[3]的研究中，通過體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)對(duì)鈦鎂復(fù)合材料的生物學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。體外實(shí)驗(yàn)表明，與純鈦相比，鈦鎂復(fù)合材料促進(jìn)了細(xì)胞增殖，增強(qiáng)了ALP 的活性，進(jìn)而提高了細(xì)胞的成骨能力。體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)表明：在種植3 周之后，鈦鎂復(fù)合材料仍能保持其機(jī)械完整性。Micro-CT 圖像分析顯示鈦鎂種植體表面較鈦種植體更為粗糙，骨界面的平均厚度比鈦組的平均厚度高0.12 mm。還有研究報(bào)道[17]，通過粉末冶金及后續(xù)的放電等離子燒結(jié)制備了不同鎂含量的鈦鎂復(fù)合材料。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Ti-0.625wt% Mg 組在體外實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了最佳的生物學(xué)性能，增強(qiáng)了細(xì)胞的黏附能力、促進(jìn)了細(xì)胞增值并上調(diào)了成骨基因的表達(dá)。體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)顯示：Ti-0.625wt% Mg 組種植體周圍觀察到更多的骨小梁結(jié)構(gòu)，同時(shí)促進(jìn)了骨/種植體界面Col-I和OCN 的表達(dá)，這都表明Ti-0.625wt% Mg 組可促進(jìn)體內(nèi)成骨和骨整合。

以上研究表明，適宜的降解速率不僅影響著鈦鎂復(fù)材料的力學(xué)性能，決定著在鎂降解之后材料的機(jī)械完整性，還對(duì)材料的生物學(xué)性能起著決定性作用。這表明對(duì)于鈦鎂復(fù)合材料的進(jìn)一步研究將會(huì)主要集中于如何控制材料的降解速率在合適的水平。

4 小結(jié)和展望

近年來，鈦鎂復(fù)合材料作為具有應(yīng)用前景的新型生物金屬材料逐漸地引起了人們的關(guān)注。其良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的促成骨能力對(duì)于眾多臨床醫(yī)生及研究學(xué)者具有很強(qiáng)的吸引力。然而，鈦和鎂之間的熔沸點(diǎn)差異，使得傳統(tǒng)制備方式難以獲得符合人們預(yù)期的鈦鎂復(fù)合材料。隨著3D 打印技術(shù)的進(jìn)步，人們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦鎂復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及宏觀形態(tài)的精細(xì)控制。3D 打印將是獲得理想鈦鎂復(fù)合材料的未來方向。其次，難以控制的降解速率限制了鈦鎂復(fù)合材料在臨床的進(jìn)一步應(yīng)用。雖然通過調(diào)整鈦鎂的相對(duì)比例，將鈦相和鎂相進(jìn)行合金化以及在鈦鎂表面進(jìn)行涂層處理等方式在一定程度上降低了復(fù)合材料的降解速率，但是由于體內(nèi)外降解速率的差異，如何制備出在體內(nèi)具有合適降解速率的鈦鎂復(fù)合材料還需要研究學(xué)者的進(jìn)一步努力。