医用钕铁硼磁环的发展及应用现状
文章出处：深圳市蒙兴隆科技有限公司 作者：Admin 浏览次数：1 2016-12-15 00:13:15
永磁材料应用于口腔医学领域已有四十多年的历史， 最早是利用永磁体增加修复体的固位力。20世纪70 年代后期，有学者(Kawata，1977)将磁力引入正畸学领域，利用磁体间同极相斥、异极相吸的原理，将磁体制成托槽，利用磁力再辅以传统正畸力达到快速移动牙齿，矫治错、畸形的目的[4]。自磁力首次用于正畸，经过二十几年的研究，永磁体在正畸学领域的应用已经有了很大发展， 应用的方法已经多种多样， 应用的范围已经很广泛。但磁力在固定正畸中有明显的局限性： 大多数的磁体由于力量有限不适合固定正畸，磁力正畸多应用于活动矫治装置；磁力会随着磁体间的距离加大而减小， 不足以移动较大距离的牙齿， 因此学者们近年的研究主要集中在磁场的组织学反应、生物学效应及磁力功能矫治器设计等方面的研究[5]。
1 医用钕铁硼磁体的发展 在稀土永磁材料被应用之前, 口腔常用的磁性材料主要有铁氧体(Ferrite)、铝镍钴(AlNiCo) 永磁体，他们磁力不大，需要加大体积才能增加磁力，因而使用于口腔受限。铂钴(Pt-Co)永磁体耐磨性和抗腐蚀性强，磁性也好，但价值昂贵，还不完善，只限于实验应用[6]。20 世纪60 年代末第一代稀土永磁材料研制成功。1979 年Tsutsui 对第一代稀土钴永磁体作为牙科应用材料， 进行了物理性能， 抗腐蚀性及毒理学研究， 认为该材料较以往的几种有明显的优点。第二代稀土永磁体为20 世纪70 年代出现的钐钴2∶17 型(SmCo2∶7)永磁体。第三代是日本率先研制成功的磁性更强的钕铁硼永磁体。该材料的物理性能好，磁力大、体积小、受口腔物理化学及热影响小，是目前为止磁能积和矫顽力最高的永磁材料[7-10]。 近期有研究选用与托槽大小相近的N48 新型钕铁硼永磁体(大小为2mm× 3mm× 4mm)[11]，对该磁体的磁性能和力学特点进行了测试：N48 钕铁硼的剩余磁通密度为13.73kGs， 矫顽力为13.00kOe，最大磁能积为46.13MGsOeO，其性能明显的优于以往的磁体(铂钴、钐钴、镍钴等)，尤其是最大磁能积。磁体表面磁场强度为3.38T(3380Gs)，周围磁场强度距离7mm 时降为0.01T，距离20mm 时降为零，这说明2mm×3mm×4mm 大小的N48 钕铁硼磁体产生的磁场较强，作用范围大。在磁体周围7mm 内，磁场可以对牙周组织的改建产生影响。2mm×3mm× 4mm 大小的N48 钕铁硼磁力的有效作用范围达到5mm， 远远的大于以往学者研究所使用体积较大的磁体0.7～3.0mm 的有效作用范围。而且在0～5mm 内，排斥力为288～36 g，吸引力为456～40 g，这一力值完全能满足临床移动牙齿的需要，并且是所有学者使用的磁体中体积最小而磁力是最大的。以上的有关研究结果说明，N48 钕铁硼永磁体的优良性能完全可满足临床固定正畸的需要， 制作成磁性托槽可完全或基本取代机械矫治力， 达到促进牙齿移动，降低矫治成本的目的。
2 医用磁环的制备 通常医用磁环制备方法主要有两种： 第一种是采用磁铁拼块粘接成整体环， 这种方法将圆环分成几部分，对每一部分分别导入取向磁场进行取向。这种方法所产生的磁环取向度不均匀， 严重影响磁环的整体磁性能而且由于不同取向度部位在烧结过程中的收缩率不同而会导致磁环开裂[12-13]。第二种是采用各向同性的磁粉粘接成磁环， 这种磁环因为磁体密度低，所以磁性能也很低，磁能积在6～8MGOe，这样就使磁环在使用时受到限制。并且由于医用磁环使用环境的特殊性， 使得其易腐蚀性又限制了它的运用。特别在制备内径较小的磁环时，磁粉取向不完全， 严重制约了磁性材料在生物医用方面的发展[14-15]。 目前， 最新制备医用磁环所采用的技术是辐射取向技术， 使用该技术制作磁环不仅可使磁粉得到均匀取向而且在制作内径较小磁环时也能获得较大的取向场， 使磁环的磁性能和一致性得到较大提高[16-17]。因为该磁环有此优越性，所以得到广泛研究和使用，是现在制备医用磁环的主要技术之一。
3 医用钕铁硼磁体的表面改性 口腔是复杂的生化环境， 磁体在口腔中会受到较强的腐蚀，轻者引起磁性下降，重者游离出的金属离子将导致局部粘膜色素沉着、口腔粘膜纤维细胞增殖速度显著降低。磁体的腐蚀不但与磁体本身元素特性有关， 也与口腔内环境如唾液、细菌有关。Wilson 等[18]发现溶血性链球菌作用21d 后，钕铁硼磁块质量减少3.2%。腐蚀与合金的生物相容性密切相关，合金的全身或局部毒性、致敏及致癌作用均由腐蚀时释放出的元素引起， 牙科合金在口腔内可能导致的毒性生物学反应几乎都以合金的腐蚀为前提。因此，磁体必须与唾液完全隔离，提高磁体的耐腐蚀性是其在口腔中长期安全应用的重要保证。Hai等[19]提出在不锈钢表面镀氮化钛，可显著提高磁性不锈钢的耐腐蚀性。解保生等[20]在钕铁硼表面镀氮化钛，经研究认为防腐蚀效果好。氮化钛属非金属氧化陶瓷，金黄色，耐酸耐碱，具有优良的导电性和超导性。镀氮化钛膜可增强金属合金的耐磨损性能，镀氮化钛膜可以增强金属合金抗腐蚀性能、减慢金属离子释放， 降低金属材料对周围介质的毒性，镀氮化钛膜不改变磁合金的整体物理结构， 不会影响磁力[21-22]。 由于氮化钛膜优良的理化性能、抗腐蚀性能，所以钕铁硼磁环外表面镀氮化钛膜。采用脉冲直流PCVD 技术施镀， 能成功解决医用钕铁硼磁环的易腐蚀问题，使得磁环具有良好的细胞相容性。从能够满足磁环在医学领域的性能要求， 使其在生物医用领域的运用有了更广阔的前景。
4 结语 钕铁硼永磁体的优良性能及氮化钛的良好生物相容性使镀氮化钛膜的钕铁硼磁体在生物医用领域有着更广阔的应用前景。
参考文献:
[1] 苗迺金，危师让．超临界火电技术及其发展[J]．热力发电，2002，(5)：2-5．
[2] DL/T439-2006，火力发电厂高温紧固件技术导则[S]．
[3] GB/T 17934-1998，金属里氏硬度试验方法[S]．
[4] DL/T694-1999，高温紧固螺栓超声波检验技术导则[S]．
[5] GB/T20410-2006，涡轮机高温螺栓用钢[S]．
[8] Bourauel C， Koklu S O， Vardimon A D， et a1．Integrated magnetic and elastic force systems [J]．Am J Orthod Dentofacial Orthop，2002，122(2)：155-163．
[9] Vardimon A D， KolKu S， Iseri H， et a1．An assessment of skeletal and dental responses to the functional magnetic system (FMS) [J]．Am J Orthod Dentofacial Orthop，2001，120 (4)： 416-426．
[10] 闫文龙，颜世宏，于敦波．烧结钕铁硼的发展及其应用现状[J]． 金属功能材料，2008，15(6)：33-37．
[11] 候志明，薛明，代听，等．N48 型正畸钕铁硼永磁体磁体性能 测试[J]．实用口腔医学杂志，2005，21(3)：406-408．
[12] Hinz D， Kirchner A， Brown D N， et al．Near net shape production of radially oriented NdFeB ring magnet s by backward extrusion [J]．Journal of Materials Processing Technology，2003， 135：358-365．
[13] 李丽娅，易健宏，彭元东，等．辐射取向环形磁体在磁场中所 受磁场力的计算[J]．粉末冶金材料科学与工程，2005，10(6)： 336-339．
[14] Herbert A L， Eatontown N J．Radially periodic magnetization of permanent magnet rings [P]．US6087915，2000．
[15] 姚燕，姚云甫．取向电磁铁在钕铁硼磁体成型中的应用[J]． 磁性材料及器件，2001，32(2)：50-52．
[16] 史源，蒋安，张勇，等． 一种犬肝移植大血管快速重建的新方 法[J]．中国修复重建外科杂志，2007，21(4)：420-423．
[17] 侯郑生，刘京山，赵期康，等．磁铁压迫吻合术治疗肠梗阻动 物实验研究[J]．中国现代普通外科进展，2008，12(8)：649-652.
[18] 曹晓明． 镀氮化钛膜N48 钕铁硼永磁体细胞毒性的实[D]． 武汉：华中科技大学，2004．77-78．
[19] Hai K， Sawase T， Matsura H， et a1．Corrosion resistance of a magnetic stainless steelion-plated with titanium nitride [J]．J. Oral Rehabil，2000，27(4)：361-366．
[20] 解保生，朱惠兰，李爱霞，等．口腔正畸用磁块镀氮化钛膜后 抗人工唾液腐蚀研究[J]． 实用口腔医学杂志，2003，9(3)： 257-259．
[21] 侯志明，代昕，薛明，等．不同镀膜磁体对牙龈成纤维细胞活 性及mTOR 表达的影响[J]． 解剖科学进展，2005，11(2)： 108-110．
[22] 陈溪，吴建勇．氮化钛镀膜钕铁硼磁体的生物机械性能[J]． 实用临床医学，2009，10(11)：134-135． 转自“钕铁硼产业网”
1 医用钕铁硼磁体的发展 在稀土永磁材料被应用之前, 口腔常用的磁性材料主要有铁氧体(Ferrite)、铝镍钴(AlNiCo) 永磁体，他们磁力不大，需要加大体积才能增加磁力，因而使用于口腔受限。铂钴(Pt-Co)永磁体耐磨性和抗腐蚀性强，磁性也好，但价值昂贵，还不完善，只限于实验应用[6]。20 世纪60 年代末第一代稀土永磁材料研制成功。1979 年Tsutsui 对第一代稀土钴永磁体作为牙科应用材料， 进行了物理性能， 抗腐蚀性及毒理学研究， 认为该材料较以往的几种有明显的优点。第二代稀土永磁体为20 世纪70 年代出现的钐钴2∶17 型(SmCo2∶7)永磁体。第三代是日本率先研制成功的磁性更强的钕铁硼永磁体。该材料的物理性能好，磁力大、体积小、受口腔物理化学及热影响小，是目前为止磁能积和矫顽力最高的永磁材料[7-10]。 近期有研究选用与托槽大小相近的N48 新型钕铁硼永磁体(大小为2mm× 3mm× 4mm)[11]，对该磁体的磁性能和力学特点进行了测试：N48 钕铁硼的剩余磁通密度为13.73kGs， 矫顽力为13.00kOe，最大磁能积为46.13MGsOeO，其性能明显的优于以往的磁体(铂钴、钐钴、镍钴等)，尤其是最大磁能积。磁体表面磁场强度为3.38T(3380Gs)，周围磁场强度距离7mm 时降为0.01T，距离20mm 时降为零，这说明2mm×3mm×4mm 大小的N48 钕铁硼磁体产生的磁场较强，作用范围大。在磁体周围7mm 内，磁场可以对牙周组织的改建产生影响。2mm×3mm× 4mm 大小的N48 钕铁硼磁力的有效作用范围达到5mm， 远远的大于以往学者研究所使用体积较大的磁体0.7～3.0mm 的有效作用范围。而且在0～5mm 内，排斥力为288～36 g，吸引力为456～40 g，这一力值完全能满足临床移动牙齿的需要，并且是所有学者使用的磁体中体积最小而磁力是最大的。以上的有关研究结果说明，N48 钕铁硼永磁体的优良性能完全可满足临床固定正畸的需要， 制作成磁性托槽可完全或基本取代机械矫治力， 达到促进牙齿移动，降低矫治成本的目的。
2 医用磁环的制备 通常医用磁环制备方法主要有两种： 第一种是采用磁铁拼块粘接成整体环， 这种方法将圆环分成几部分，对每一部分分别导入取向磁场进行取向。这种方法所产生的磁环取向度不均匀， 严重影响磁环的整体磁性能而且由于不同取向度部位在烧结过程中的收缩率不同而会导致磁环开裂[12-13]。第二种是采用各向同性的磁粉粘接成磁环， 这种磁环因为磁体密度低，所以磁性能也很低，磁能积在6～8MGOe，这样就使磁环在使用时受到限制。并且由于医用磁环使用环境的特殊性， 使得其易腐蚀性又限制了它的运用。特别在制备内径较小的磁环时，磁粉取向不完全， 严重制约了磁性材料在生物医用方面的发展[14-15]。 目前， 最新制备医用磁环所采用的技术是辐射取向技术， 使用该技术制作磁环不仅可使磁粉得到均匀取向而且在制作内径较小磁环时也能获得较大的取向场， 使磁环的磁性能和一致性得到较大提高[16-17]。因为该磁环有此优越性，所以得到广泛研究和使用，是现在制备医用磁环的主要技术之一。
3 医用钕铁硼磁体的表面改性 口腔是复杂的生化环境， 磁体在口腔中会受到较强的腐蚀，轻者引起磁性下降，重者游离出的金属离子将导致局部粘膜色素沉着、口腔粘膜纤维细胞增殖速度显著降低。磁体的腐蚀不但与磁体本身元素特性有关， 也与口腔内环境如唾液、细菌有关。Wilson 等[18]发现溶血性链球菌作用21d 后，钕铁硼磁块质量减少3.2%。腐蚀与合金的生物相容性密切相关，合金的全身或局部毒性、致敏及致癌作用均由腐蚀时释放出的元素引起， 牙科合金在口腔内可能导致的毒性生物学反应几乎都以合金的腐蚀为前提。因此，磁体必须与唾液完全隔离，提高磁体的耐腐蚀性是其在口腔中长期安全应用的重要保证。Hai等[19]提出在不锈钢表面镀氮化钛，可显著提高磁性不锈钢的耐腐蚀性。解保生等[20]在钕铁硼表面镀氮化钛，经研究认为防腐蚀效果好。氮化钛属非金属氧化陶瓷，金黄色，耐酸耐碱，具有优良的导电性和超导性。镀氮化钛膜可增强金属合金的耐磨损性能，镀氮化钛膜可以增强金属合金抗腐蚀性能、减慢金属离子释放， 降低金属材料对周围介质的毒性，镀氮化钛膜不改变磁合金的整体物理结构， 不会影响磁力[21-22]。 由于氮化钛膜优良的理化性能、抗腐蚀性能，所以钕铁硼磁环外表面镀氮化钛膜。采用脉冲直流PCVD 技术施镀， 能成功解决医用钕铁硼磁环的易腐蚀问题，使得磁环具有良好的细胞相容性。从能够满足磁环在医学领域的性能要求， 使其在生物医用领域的运用有了更广阔的前景。
4 结语 钕铁硼永磁体的优良性能及氮化钛的良好生物相容性使镀氮化钛膜的钕铁硼磁体在生物医用领域有着更广阔的应用前景。
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[16] 史源，蒋安，张勇，等． 一种犬肝移植大血管快速重建的新方 法[J]．中国修复重建外科杂志，2007，21(4)：420-423．
[17] 侯郑生，刘京山，赵期康，等．磁铁压迫吻合术治疗肠梗阻动 物实验研究[J]．中国现代普通外科进展，2008，12(8)：649-652.
[18] 曹晓明． 镀氮化钛膜N48 钕铁硼永磁体细胞毒性的实[D]． 武汉：华中科技大学，2004．77-78．
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[20] 解保生，朱惠兰，李爱霞，等．口腔正畸用磁块镀氮化钛膜后 抗人工唾液腐蚀研究[J]． 实用口腔医学杂志，2003，9(3)： 257-259．
[21] 侯志明，代昕，薛明，等．不同镀膜磁体对牙龈成纤维细胞活 性及mTOR 表达的影响[J]． 解剖科学进展，2005，11(2)： 108-110．
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