块体非晶合金作为生物医用材料的探索性研究

Abstract

块体非晶合金也称为块体金属玻璃(Bulk Metallic Glasses)，兼具有金属和玻璃的性质，与传统晶态合金材料相比，块体非晶合金材料在多项性能方面都具有十分明显的优势，更为优异的力学性能、良好的加工性能、更为优异的抗腐蚀性能等。这些优异的物理、化学、力学及精密成型性使得其作为结构材料在生物医学领域具有良好的应用前景，因此，本论文从合金组成元素和非晶形成能力两方面考虑，熔炼和制备了四种体系块体非晶合金，在研究各种块体非晶合金的力学性能基础上，集中考察了各种块体非晶合金系的耐腐蚀性能和体外、体内生物相容性。<br> 第一部分：以316L生物医用不锈钢为对照，通过电化学测试技术研究了三种 Fe基块体非晶合金 Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2(BMG1)，(Fe44Cr5Co5Mo13Mn11C16B6)98Y2(BMG2)，Fe48Cr15Mo14C15B6Er2(BMG3)在两种模拟体液(Hank's溶液和模拟唾液)中的耐腐蚀性、离子溶出行为及生物相容性等。研究结果发现，在两种模拟体液中，Fe基块非晶合金均具有比316L生物医用不锈钢更加优异的耐腐蚀性能。OCP曲线表明，Fe基块体非晶合金的表面钝化膜非常稳定；从阳极极化曲线中获得的腐蚀电流密度从低到高依次为：BMG3<BMG1<BMG2<316L SS。EIS分析表明，除BMG2在模拟唾液中的极化阻抗低于316L生物医用不锈钢外，其它所有Fe基块体非晶合金在两种溶液中的极化阻抗值均高于316L生物医用不锈钢。Fe基块体非晶合金具有比316LSS更高的点蚀电位，使得Fe基块体非晶合金仅有极少量的离子释放到电解液中，而在相同条件下，316L生物医用不锈钢有大量的Ni离子和Fe离子释放。间接细胞毒性表明，三种Fe基块体非晶合金浸提液对L929细胞和NIH3T3细胞均无细胞毒性。<br> 第二部分：为评价Zr基块体非晶合金作为潜在生物材料的可行性，以纯Ti和纯Zr为对照，采用电化学测试技术、间接细胞毒性和直接细胞毒性研究了两种含Be块体非晶合金Zr41Ti14Cu12Ni10Be23(LM1)，Zr44Ti11Cu10Ni10Be25(LM1b)和一种无Be块体非晶合金Zr57Nb5Cu15.4Ni12.6Al10(LM106)的耐腐蚀性能、离子溶出行为和体外生物相容性。结果表明，LM1b在两种模拟体液中均表现出比LM106和LM1更加优异的耐腐蚀性能，与纯Ti和纯Zr相当。经一段时间浸泡后，在LM1，LM1b和纯Zr表面形成了双层氧化膜结构，而在LM106和纯Ti表面形成的氧化膜结构为单层结构。LM1b的点蚀电位远远高于LM1，LM106和纯Zr，因而其溶解到模拟体液中的离子溶出量也很少。在37℃，DMEM溶液中浸泡72h后，三种Zr基块体非晶合金组中均未检测到Be离子，但却检测到少量Cu离子的释放。间接细胞毒性实验表明，LM106、LM1和LM1b的浸提液对L929和NIH3T3细胞无细胞毒性。直接细胞毒性实验结果表明，与对照组纯Ti和纯Zr相似，细胞能够在三种Zr基块体非晶合金表面很好地粘附生长。与LM1b相比，LM106和LM1具有较低的细胞增殖率，研究表明这是由Cu离子的释放引起的。<br> 第三部分：以纯Ti为对照材料，研究了三种Ti基块体非晶合金：Ti41.5Zr2.5Hf5Cu37.5Ni7.5Si1Sn5(TZHCNSS)，Ti40Zr25Cu12Ni13Be20(TZCNB)，Ti40Zr10Cu35Pd14Ca1(TZCPC)的耐腐蚀性能、体外和体内生物相容性。结果表明，三种块体非晶合金在pH5.4的模拟体液中表现出比pH7.4模拟体液中更高的点蚀电位值。在各种模拟体液中浸泡2h后，非晶合金表面逐渐实现了热力学稳定，形成了稳定的钝化膜。并且，所有合金样品在模拟唾液中都表现出了比模拟体液中更为优异的耐蚀性。然而，同Zr基块体非晶合金一样，由于表面氧化膜不够致密，导致Cu离子的析出，所以TZHCNSS块体非晶合金表现出了较低的细胞增殖率，但是，L929和NIH3T3细胞都能够粘附在三种块体非晶合金的表面，伸展良好。同时，动物体内植入实验也说明，TZHCNSS块体非晶合金植入物具有良好的生物相容性，能够与骨组织紧密结合，并未形成纤维包囊。<br> 第四部分：对一种低密度、低弹性模量和高强度的Ca基块体非晶合金(Ca65Mg15Zn20BMG)进行了体外离子溶出、细胞毒性和体内植入试验，探讨了其作为新一代可降解的潜在硬组织金属修复材料的可行性。MTT分析结果表明Ca65Mg15Zn20 BMG浸提液在很宽的浓度范围内(不大于40％)对L929、VSMC和ECV304的细胞增殖无毒性作用，而适当浓度的Ca65Mg15Zn20 BMG浸提液能够显著促进MG63细胞的增殖活性。然而，流式细胞仪检测结果表明，高浓度的浸提液(50％)可能会导致显著的细胞凋亡。荧光染色和显微镜观察表明，高浓度的合金浸提液对MG63细胞微丝和细胞核有一定的影响，而在浸提液浓度较低时(小于50％)，细胞的形貌与阴性对照组无明显差异。由Ca65Mg15Zn20 BMG浸提液诱导的Raw264.7细胞的肿瘤坏死因子TNF-α表达显著低于阳性对照组，甚至低于阴性对照组。动物试验结果显示，手术部位没有明显的炎症反应，且Ca65Mg15Zn20 BMG种植体没有导致任何一只试验小鼠的死亡。同时发现，Ca65Mg15Zn20 BMG种植体周围皮质骨的厚度随着植入时间的增加(从1周到4周)而逐渐增加，Micro-CT的结果显示在皮质骨周围发生了骨愈合。