外科钕铁硼永磁材料表面处理与生物安全性探讨

刘仕琪，吕 毅，骆瑞雪

（1.西安市儿童医院新生儿外科，西安 710003；2.西安交通大学第一附属医院肝胆外科，西安 710061；3.西北有色金属研究院防腐研究所，西安 710016）

0 引言

近20a来，磁外科学的兴起对外科技术的创新发展起到一定的推动作用，1983年钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁材料的研发成功更加促进了磁外科学的进步[1-5]。Nd-Fe-B永磁材料具有物理性能优良、易于加工成复杂形状、生产成本低等优点，是一种可安全应用于人体的磁性材料，因此可替代铁氧体、钐钴合金等磁性材料应用于影像检查[6]、物理治疗、冠状动脉搭桥[7]、消化道闭锁或狭窄[8-10]及胆道梗阻微创治疗[5，11]等。目前，应用于临床的Nd-Fe-B永磁材料表面处理与防护技术等生物安全性问题尚未形成统一标准，成为限制其临床进一步推广应用的技术瓶颈。本文通过对Nd-Fe-B永磁材料的理化特性与表面处理方法进行系统论述，以期为临床应用植入性Nd-Fe-B永磁材料的表面处理提供规范化意见。

1 Nd-Fe-B永磁材料物理特征与化学稳定性

第三代稀土Nd-Fe-B永磁材料是目前世界上磁能积最强的永磁体，与铁氧体等磁性材料相比，Nd-Fe-B永磁材料的磁能积和矫顽力等物理性能更好，且不存在电磁辐射的问题。除了电化学反应外，Nd-Fe-B各元素本身对机体组织无害，生物相容性也更好。参考美国斯坦福直线加速中心和美国能源部提出的职业接触磁场持续暴露限量≤1 000 mT的要求，用于人体组织器官吻合的Nd-Fe-B永磁材料表面磁通密度峰值低于400 mT，且磁场强度随距离增加而迅速降低，因此医用Nd-Fe-B永磁材料产生的局部磁场是安全的[12-13]。

Nd-Fe-B永磁材料以Nd2-Fe14-B金属间化合物为基体构成，原子间呈复杂的四方晶系结构，具有高饱和磁化强度。Nd-Fe-B永磁材料中含有化学活性非常高的稀土Nd元素，易氧化，其标准电势为E0（Nd3+/Nd）=－2.431 V，原子与微晶体结构间空隙存在较大的化学电位差，在暖湿环境中必然发生电化学反应导致晶间腐蚀。因此，如何改善Nd-Fe-B永磁材料抗腐蚀性能并做好表面防护技术已成为制约Nd-Fe-B永磁材料临床植入型器械安全应用的关键因素，但目前Nd-Fe-B永磁材料表面处理与临床应用尚缺乏统一的方法和标准。

2 Nd-Fe-B永磁材料在生物体内的腐蚀机制

Nd-Fe-B永磁材料在生物体内腐蚀主要以电化学腐蚀为主[14]。在植入生物体内过程中，Nd-Fe-B永磁材料与机体组织和器官密切接触，受到组织液或消化液侵蚀，必然会影响组织与细胞的正常生理功能。永磁材料表层富Nd相先与体液电解质环境中的H2O发生反应，反应产生的H+渗透到Nd2-Fe14-B晶系结构中继续发生吸氢反应。Nd2-Fe14-B晶系结构中3种元素的电化学电位各不相同，在体内电解质环境中永磁材料内部构成了许多微小的原电池，电势差使晶界迅速腐蚀。晶系结构的腐蚀很大程度上削弱了主相晶粒之间的结合能力，致使永磁材料粉化失效。进行Nd-Fe-B永磁材料大动物体内植入试验，观察永磁材料在体内存留不同时间的反应情况发现，一周后永磁材料表面出现锈蚀现象，随着时间延长逐渐分解成碎片并失去磁力作用，最终导致晶界严重腐蚀致使永磁材料粉化，相邻组织器官亦受到腐蚀损伤，如图1所示。

图1 未经表面镀膜处理的Nd-Fe-B磁环家犬体内试验观察结果

3 Nd-Fe-B永磁材料防护处理技术

人体复杂的体液环境对留置在体内的医用材料提出了更高的表面改性要求，而Nd-Fe-B永磁材料作为植入性材料，其腐蚀防护技术受到了国内外医用材料研究人员的广泛重视。Nd-Fe-B永磁材料主要有3种防腐蚀方法：（1）采用热压工艺获得高致密磁体微观结构，从而改善耐腐蚀性能。该工艺受成型技术工艺的限制只能做成环形，这使得Nd-Fe-B永磁材料的应用范围受到一定限制。（2）在Nd-Fe-B永磁材料的合成过程中添加其他合金元素以增强其耐腐蚀性能。但可导致磁能积下降，还会增加生产成本，从而使Nd-Fe-B永磁材料的应用受限。（3）在永磁材料表面增加防护涂层，包括金属涂层、有机涂层与复合涂层，可以在不损害磁性能的前提下大大提高磁性材料的抗腐蚀能力。本方法简单且成本较低，是目前Nd-Fe-B永磁材料表面处理的主要防腐蚀方法。

3.1 金属涂层

3.1.1 化学镀层方法

化学镀层是指在无外加电流的条件下，利用氧化－还原反应使化学镀液中的惰性金属离子沉积到基质材料表面，形成具有抗腐蚀功能镀层的方法。Nd-Fe-B永磁材料表面镀层主要有镍磷（Ni-P）、镍铜磷（Ni-Cu-P）和镍钨磷（Ni-W-P）等。化学镀液分为酸性和碱性2种。将Nd-Fe-B永磁材料浸入酸性镀液中表面可生成高磷非磁性涂层，但因吸氢作用会严重影响Nd-Fe-B永磁材料表面质量，因此不适用于临床应用。在碱性环境中，Nd-Fe-B永磁材料表面可生成低磷磁性涂层，但该涂层具有一定的磁屏蔽性，会使磁力减弱，因此亦不利于临床应用。张万里等[15]采用化学镀Ni-Cu-P合金技术，通过制作高分子材料隔离层对Nd-Fe-B永磁材料进行表面处理，实现了低温条件下在Nd-Fe-B永磁材料表面快速制备均匀致密的防护镀层，经性能测试可满足防腐蚀要求，且对基体磁性能无不良影响。

3.1.2 电镀层方法

电镀层是利用氧化－还原反应使电镀液中的金属离子阴极富集还原形成金属涂层的方法。目前，工业加工Nd-Fe-B永磁材料电镀层主要包括镀锌（Zn）、镍（Ni）、镉（Cd）、铬（Cr）、钴（Co）、镍锌（Ni-Zn）合金以及其他Ni合金镀层。相关动物体内试验证实了这些金属离子析出超过了机体的生理耐受量，还会通过氧化应激反应产生细胞毒性[16]。Permenter等[17]将鼠的肝细胞暴露于Ni、Cd和Cr 3种金属的氯化物中，结果发现三者都具有遗传毒性，都能引起氧化应激反应造成细胞损伤。因此，工业生产的电镀金属涂层Nd-Fe-B永磁材料并不符合生物安全性标准。

3.1.3 真空离子镀膜技术

真空离子镀膜技术是在真空室内采用真空弧光放电技术使阴极材料蒸发，气态原材料在电场作用下轰击工件表面，并与真空室内注入的反应气体相互作用，从而在靶件材料表面得到性能优异的含氮合金功能镀膜的技术。真空离子氮化镀膜技术是工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料、金属和合金材料。目前，在临床上使用的主要是氮化钛（TiN）和氮化锆（ZrN）2种氮化离子涂层。

（1）TiN涂层。

临床用于短暂植入生物体内的Nd-Fe-B永磁材料表面可采用真空离子镀膜技术进行TiN涂层处理，短期内可以起到较好的抗腐蚀作用[8，10，18]。在大动物体内的长期试验中，Nd-Fe-B永磁材料在植入3～6个月后，厚度4～5 μm的TiN涂层会出现斑片状脱落使永磁材料裸露的情况，如图2所示。而厚度10 μm的TiN涂层可持续至少10个月保持完整覆膜，可见增加TiN涂层的厚度可延长体内留置时间，但目前尚缺乏更长时间的样本观察。西安交通大学第一附属医院科研小组利用模拟测试平台对TiAlN/ZrN多层结构体系涂层进行了耐真实体液腐蚀的性能研究，分别评价了该体系涂层在胆汁和胃液内浸泡30 d的耐腐蚀效果和差异，发现永磁材料质量丢失率分别为0.34%和0.26%，存在轻微腐蚀现象[19-20]。因此，除了部分在体内短暂留置的磁吻合器械完成吻合作用后即排出体外的情况可以采用TiN涂层外，不建议将TiN涂层作为长期滞留生物体内的Nd-Fe-B永磁材料表面处理方法。

图2 真空离子镀膜TiN涂层（4～5 μm）Nd-Fe-B永磁材料

（2）ZrN涂层。

采用氮化离子镀膜处理技术可使ZrN涂层在医用金属材料表面形成高度均匀分布结晶的微观结构，可以提高材料的抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀能力[12]。ZrN涂层表面的生物膜通过离子释放杀灭和接触杀灭的机制，可有效杀灭材料表面的病原体，表现出比TiN涂层更好的优越性[21-22]。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室与深圳医疗器械检测中心对Zr系涂层后的Nd-Fe-B永磁材料进行了材料学和生物学全项检测，均通过了GB/T 16886.1—2011/ISO 10993-1：2009《医疗器械生物学评价 第1部分：风险管理过程中的评价与试验》标准规定的生物相容性测试[23]。同时，TiZrN涂层的细胞毒性试验表明，TiZrN涂层不仅对人体单核细胞无影响，还可能降低导致针道感染的细菌的生存能力[24]。

3.2 有机涂层方法

有机涂层是金属防护中应用最广泛的方法之一，用于Nd-Fe-B永磁材料的有机涂层材料主要有环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺等有机高分子材料。其中，环氧树脂因具有更好的防水性、抗化学腐蚀性、粘结性和足够的硬度被广泛应用。体外试验证明，在不同pH值消化液中，环氧树脂镀层的Nd-Fe-B永磁材料抗腐蚀性能明显优于Ni镀层和Ni-TiN复合镀层的Nd-Fe-B永磁材料[20]。

3.3 复合涂层方法

采用几种涂层的组合，形成具有双重保护效果的复合涂层，可以使磁体获得更好的抗腐蚀效果，同时对第一道涂层的缺陷具有修补作用，如化学镀Ni和电泳涂装环氧树脂复合涂层工艺。在电镀Zn、Ni的Nd-Fe-B永磁材料上电泳涂覆环氧树脂涂层可进一步提高涂层的结合力，提高永磁材料表面质量，其防锈性能远优于单一镀 Zn、Ni层[25]。Kumar等[26]试验结果表明，采用多层ZrN/Cu复合涂层的耐腐蚀和耐氧化的性能显著提高，在模拟人体液环境的电解质溶液中具有高惰性，即复合涂层可大大提高永磁材料的抗腐蚀能力。但是复合涂层的成本较高，在实际应用中一般是根据产品抗腐蚀性的要求和防腐蚀成本综合确定。

4 结语

人体复杂的生理环境对留置体内的永磁材料提出了更高的表面改性要求，除了不同器官组织中的电解质及酸碱度有明显差异外，永磁材料滞留在人体内的时间对材料表面处理的要求亦有所差别。目前，植入磁性吻合器械已被应用于人体外科手术[3，5，11，27]，但尚缺乏临床植入性永磁材料表面处理标准和规范。由于部分临床医生对植入性材料可能导致的不良事件认识程度不足，部分市场销售的永磁材料未经严格表面处理即试用于临床，存在一定安全隐患。为了避免植入性材料或器械对人体造成损害，降低并有效控制医疗器械不良事件的发生概率，所有植入性医用材料或器械在临床推广应用前均需进行严格监察与质控，包括一系列体内、体外试验等，以达到GB/T 16886.1—2001/ISO 10993-1：2009标准的要求，确保医疗器械临床试验质量。

工业上常用的电镀Ni、Ni/Cu/Ni等技术不适用于植入性Nd-Fe-B磁性吻合器械表面处理。喷涂聚四氟乙烯（PTFE），镀Ti涂层、TiN涂层等单一方法进行表面处理的永磁材料能否植入人体尚缺乏长期研究。真空离子镀TiN涂层仅能满足短期植入磁性吻合器械的生物安全性要求。真空离子镀ZrN涂层在抗腐蚀性与生物安全性方面明显优于其他表面处理方法，是可在临床推广应用并长期植入体内的较理想磁性材料表面处理技术。