金属生医材料在口腔环境中的腐蚀与防护

2013-06-01 00:00:00 作者：黄何雄来源：《腐蚀防护之友》分享至：

　　摸拟口腔环境中的腐蚀范例

　　虽然医用金属材料均需具有优良的耐蚀性质，但在生物环境中仍然会发生腐蚀现象。不论是贵性或是钝化的材料，所有的金属表面均会有离子释放，金属离子长期释放至人体，或是金属离子与生物分子（例如蛋白质及酵素）结合，便可能产生组织毒性、刺激及过敏。因此，生医用金属材料在生物环境中的耐蚀性质是非常重要。

　　在口腔环境中，当含氟的牙膏或药剂渗进口腔内一些狭小的缝隙中，这些地方通常并不容易清洁，所以局部区域的氟浓度将会增高，这些高浓度的氟离子对钛及钛合金表面所形成的保护氧化层极具破坏性，进而造成腐蚀作用（见图1）。

图1 Ti表面经研磨后状态（a）及受氟离子侵蚀后的腐蚀形态（b）

　　另一方面，在临床应用上，金属生医材料可能是处在受应力状态下。除了在少数特殊的环境中（例如含卤化物的溶液），纯钛通常是不易发生应力腐蚀破裂（SCC）。然而，在酸性环境中时，钛对氢脆的敏感性很高，进而易促成SCC发生过程中裂缝的形成。有学者亦曾发现在酸性含氟环境中钛矫正线会发生氢脆现象；纯钛在酸性含氟水溶液中（固定应变量下）也可能会发生SCC。

　　口腔环境的酸碱值约在6.5~7.0，但因个人体质、饮食或卫生习惯的不同，使得口腔局部区域的酸碱值可能会低于4（例如饮用可乐时的酸碱值可能为2.1左右）。偏酸的环境不但容易造成蛀牙，倘若口腔中有金属装置，该装置亦可能遭受到酸的侵蚀。微酸的口腔环境中，唾液的酵素作用、组织酸及细菌丛在口腔缝隙处提供了腐蚀发生的良好环境。

　　牙科临床实验方面，对使用超弹性镍钛矫正线治疗的病人进行研究，发现在口腔环境中少量的镍离子释放即会引起生物反应。牙科矫正临床个案报告中亦指出，有些人对金属离子（尤其是镍离子）敏感，当这些人使用含镍成份的金属矫正线时，镍离子的释出便可能造成齿龈炎等过敏反应。亦有研究指出，镍是金属中最容易引起过敏反应的元素之一，因此对镍离子易敏感的患者使用这些含镍合金后，便可能陆续出现红肿、过敏甚至发炎反应。

　　另一方面，虽然钛对人体基本上是不具毒性，但是当钛离子释出量增加时，钛基矫正线表面钝化膜的保护性降低，进而导致钛基矫正线内其它金属离子的加速释出，这就表示材料的耐蚀性质变差。此外，口腔环境中酸碱度对镍钛矫正线亦有显着影响。

　　腐蚀性质的评估方法

　　金属生医材料腐蚀性质试验的目的是要根据材料退化的情形来评估金属材料的生物兼容性，也就是了解金属生医材料与周围生物环境的交互作用。腐蚀试验通常需包括：无机环境中的体外（in vitro）腐蚀试验；无机与有机混合环境中的in v itro腐蚀试验；生物组织（包括细胞、组织及器宫）中的in vitro腐蚀试验；动物体内（in vitro）的腐蚀试验。下面就in vitro及in vitro试验进行简要说明。

　　In vitro腐蚀试验

　　在in vitro腐蚀试验中，常会利用电化学技术量测电位一电流曲线（即极化曲线），了解金属生医材料在测试环境中的极化行为，求取腐蚀速率及各项腐蚀参数。配合电化学交流阻抗频谱（EIS）量测、电化学噪声应用等技术，分析金属生医材料的腐蚀机理，进而寻求防蚀的方法。有关评估金属生医材料腐蚀性质的方法，可参考各项标准。若再考虑生医材料在生物环境中的磨耗性质，则需进行在生物环境中的磨耗试验（或称磨耗腐蚀试验）。

　　上述方法的试验结果有时并不能完全让人满意，故近年来许多学者开始尝试结合电化学技术与细胞生物研究法，发展出能够在生物组织环境中量测材料腐蚀的体外试验，此装置可原位（in situ）监控细胞、蛋白质或细菌在金属材料表面的成长过程，并分析材料表面的电化学反应机理，如图2所示。