CoCrMo-Cu合金在模拟生物环境中的腐蚀磨损及细胞相容性研究

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生物医用钴基合金以其良好的耐磨性能、耐蚀性能以及优良的生物相容性而被广泛应用于生物医用领域,尤其是髋关节、膝关节等硬质生物体置换物。前期研究发现,铸态CoCrMo合金中加入少量的抗菌铜元素可以降低细菌感染风险。然而金属材料在植入后,服役于复杂的生理环境中,再加上人体行为活动,容易引起金属离子释放及材料磨损损伤等问题造成植入材料性质发生改变,导致植入失效。同时植入材料易与生物体发生反应造成宿主细胞功能损坏或死亡,对材料长期安全使用及人体健康造成严重威胁。本文选择铜元素作为抗菌剂,利用扫描电子显微镜研究了铜含量不同的抗菌CoCrMo-Cu合金的微观组织;利用电化学工作站和摩擦磨损试验机分析了合金在不同模拟体液环境中的耐蚀性能、耐磨性能及其互相作用;通过细胞形态观察及CCK-8检测研究了铜离子浓度以及含铜钴合金对成骨细胞的毒性作用并通过RT-PCR法研究了成骨相关基因(OCN,COL-I)的表达。主要研究结果如下:微观组织观察结果表明,在CoCrMo,CoCrMo-2Cu以及CoCrMo-4Cu三种铸态合金中均存在不规则状的碳化物和金属间化合物两种第二相,在CoCrMo-2Cu合金中,铜元素主要以固溶形式存在于基体中,而CoCrMo-4Cu合金在第二相与基体交界处有明显的富铜相存在。电化学实验结果表明,铜的加入会略微增大材料在模拟体液中的自腐蚀电流密度,降低合金的耐蚀性能,但三种合金间相差不大。耐磨实验结果表明,含铜钴合金的耐磨性能低于CoCrMo合金,在含有胎牛血清的细胞培养基中的三种合金的磨损率均明显降低。通过比较外加不同恒电位情况下合金的磨损体积可以发现,恒电位越大时,合金的总磨损体积越大,但由磨损造成的体积损失仍占主导作用,腐蚀造成的损失占次要作用。通过检测细胞毒性及成骨相关基因表达水平发现,当培养基中铜离子浓度处于1×10-4 mol/L~1×10-6 mol/L范围内,细胞呈菱形、长梭形铺展于培养板中,生长状态良好,当铜离子浓度达到1×10-3 mol/L时,细胞呈圆球状,漂浮于培养基中,细胞全部死亡。低浓度的铜离子对细胞成骨基因表达有促进作用,其中以铜离子浓度为1×10-6 mol/L最为明显。与空白对照组相比,三种钴合金表面的细胞生长状态良好,细胞相对增值率均能达到85%以上,且成骨细胞OCN与COL-I基因表达量均能达到80%以上,表明合金具有良好的细胞相容性。
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