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圖1 生物可降解鎂合金實(shí)際/可能的應(yīng)用

(Chen Y J, Xu Z G, Smith C, et al. Recent advances on the development of magnesium alloys for biodegradable implants[J]. Acta biomaterialia, 2014, 10(11): 4561-4573.)

為什么鎂合金可以作為生物材料？

Mg的密度為1.74 g/cm3，在所有的金屬結(jié)構(gòu)材料中密度最小，與人的骨密度相近。鎂的斷裂韌性比陶瓷生物材料羥基磷灰石要高，且其彈性模量約為41~45 GPa，更接近人骨的彈性模量，可有效緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng)，促進(jìn)骨的生長和愈合并防止發(fā)生二次骨折。早在1907年，人們就使用鎂合金來固定骨折的小腿。金屬植入物通常機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌性較好，承載力也較高，綜合力學(xué)性能優(yōu)于陶瓷和聚合物復(fù)合材料。生物鎂合金是輕質(zhì)金屬材料，具有很好的生物相容性，并具有與天然骨骼相似的力學(xué)性能，因此可以稱為新一代生物可降解醫(yī)用材料，生物鎂合金因具有可控的腐蝕速率，在心血管植入和骨修復(fù)上有很好的應(yīng)用前景。

生物鎂合金有哪些好的性能？

（1）生物鎂合金表面涂層性能

表面涂覆技術(shù)包括微弧氧化、化學(xué)轉(zhuǎn)換和電泳沉積涂覆等，涂層能很好的調(diào)控基體鎂合金在植入初期較快的腐蝕速率，并最終達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定范圍的降解速率。而且還可以加強(qiáng)鎂合金在體內(nèi)的生物活性等，使植入體特別是在開始植入階段，能與周圍骨組織有機(jī)結(jié)合在一起，從而加快骨組織的愈合。Liu等研究了ZrO2涂層在WE43鎂合金基體上的生物活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)涂覆ZrO2涂層的鎂合金（CPE）表面有助于成骨細(xì)胞的吸附和增殖，增加了鎂合金對(duì)成骨細(xì)胞的活性，如圖2所示。

圖2 成骨細(xì)胞在鎂合金上吸附的熒光圖和MMT比色

(Liu C J, Zhao Y C, Chen Y S, et al. Surface modification of magnesium alloy via cathodic plasma electrolysis and its influence on corrosion resistance and cytocompatibility[J]. Materials Letters, 2014, 132: 15-18.)

（2）生物鎂合金力學(xué)性能

選取特定的合金化元素和最佳的熱處理工藝，有望制備具有低腐蝕速率，高強(qiáng)韌性等力學(xué)性能統(tǒng)一的生物材料，并開發(fā)出更具有應(yīng)用前景的生物材料。好的力學(xué)性能使可降解鎂合金在植入初期有很好的承載能力，并在長期服役期間，保持力學(xué)性能完整性，促進(jìn)血管重構(gòu)、骨的生長和愈合。Xu等開發(fā)的新型Mg-Li基合金，經(jīng)過熱擠壓、固溶處理、水淬（WQ）、低溫時(shí)效（<100 ℃；WQA）和冷軋（WQAR）后，與常用的商用鎂合金相比，具有最佳的強(qiáng)度、伸長率和耐腐蝕性，見圖3。因此，對(duì)工藝和合金成分的調(diào)控后，生物鎂合金力學(xué)性能會(huì)有極大改善，更好地應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)。

圖3 Mg-Li基合金的力學(xué)性能和腐蝕性能

(Xu W Q, Birbilis N, Sha G, et al. A high-specific-strength and corrosion-resistant magnesium alloy[J]. Nature materials, 2015, 14: 1229-1235.)

（3）生物鎂合金可持續(xù)降解

由于鎂的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，于是鎂合金器械在人體的長期植入過程中，會(huì)自動(dòng)溶解，并釋放無毒金屬離子，促進(jìn)傷患處愈合，因而，具有可降解性。且通過調(diào)控一系列關(guān)于鎂合金的雜質(zhì)元素、成分及工藝，可以達(dá)到生物體內(nèi)穩(wěn)定可持續(xù)降解的目的。這種生物鎂合金的可持續(xù)降解性可以減少患者二次手術(shù)所引起的傷痛、額外費(fèi)用及感染風(fēng)險(xiǎn)，且避免目前常用的鈦合金等醫(yī)用金屬植入物在體內(nèi)釋放有毒離子造成的炎癥反應(yīng)等隱患。

人體體液是一個(gè)復(fù)雜的生物環(huán)境。當(dāng)鎂合金在體液中腐蝕時(shí)，環(huán)境中的氯離子會(huì)加速鎂合金的腐蝕，而磷酸鹽和碳酸鹽卻會(huì)促進(jìn)表面保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物層的生成。此外，人體溫度37 ℃是高于室溫，會(huì)加速腐蝕反應(yīng)，但也會(huì)有助于不同形式磷酸鈣等產(chǎn)物的形成。最后，其他環(huán)境因數(shù)，如血液pH為7.4、體內(nèi)蛋白質(zhì)、細(xì)菌等有機(jī)物也會(huì)進(jìn)一步協(xié)同影響腐蝕反應(yīng)的進(jìn)程，部分化學(xué)反應(yīng)過程見圖4。

圖4 鎂合金在體液環(huán)境中可能發(fā)生的部分化學(xué)反應(yīng)示意圖

(Esmaily M, Svensson J E, Fajardo S, et al. Fundamentals and advances in magnesium alloy corrosion[J]. Progress in Materials Science, 2017, 89: 92-193.)

在長期體內(nèi)植入過程中，一些生物鎂合金在臨床上的可降解過程已被觀測到。Lee等將Mg-Ca-Zn合金螺釘植入29歲女性患者體內(nèi)1年，進(jìn)行橈骨遠(yuǎn)端的固定。經(jīng)過1年的外科固定，橈骨遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)已完全治愈，而且已不能完全區(qū)分鎂合金螺釘和周圍的新生成骨，鎂合金在植入過程中逐步降解，如圖5所示。在整個(gè)臨床試驗(yàn)上，患者沒有任何的不適和疼痛。這表明新一代的生物鎂合金植入材料，由于其可展望的良好的可降解性和生物相容性，目前在臨床上已有一定的研究基礎(chǔ)。

圖5 鎂合金螺釘在1年內(nèi)完全降解和骨愈合的臨床實(shí)驗(yàn)觀察

(Lee J W, Han H S, Han K J, et al. Long-term clinical study and multiscale analysis of in vivo biodegradation mechanism of Mg alloy[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 113(3): 716-721)

（4）生物鎂合金表面抑菌性能

當(dāng)材料植入后，如果成骨細(xì)胞比細(xì)菌吸附得更快，則有利于骨組織增長；反之，則會(huì)引起感染。而鎂可能因?yàn)槠淙芙猱a(chǎn)生的局部堿性環(huán)境，對(duì)細(xì)菌吸附有較好的抑制作用。此外，細(xì)菌主要進(jìn)入骨缺損位置形成生物膜，而這種生物膜是骨科感染的主要因素，使在生物膜內(nèi)的細(xì)菌很難被人體免疫系統(tǒng)殺死。鎂可以抑制生物膜的形成，有很好的抗細(xì)菌感染性。Ma等對(duì)比了添加Mg的多孔復(fù)合支架PT5M、PT10M和PT15M與不含鎂的多孔支架PT的抗菌性能，發(fā)現(xiàn)Mg基多孔復(fù)合支架的抗菌性能遠(yuǎn)好于不含Mg的多孔支架，見圖6。在另一方面，添加一些抑菌的合金化元素，如Ag等，會(huì)使鎂合金具有更加優(yōu)良的抑菌性能。

圖6 含鎂和不含鎂的多孔支架在6h后的細(xì)菌吸附對(duì)比

(Ma R, Lai Y X, Li L, et al. Bacterial inhibition potential of 3D rapid-prototyped magnesium-based porous composite scaffolds–an in vitro efficacy study[J]. Scientific reports, 2015, 5: 13775.)

綜上所述，生物鎂合金相比于傳統(tǒng)植入材料有許多潛在的優(yōu)勢(shì)，在臨床醫(yī)學(xué)上有極大的發(fā)展前景和應(yīng)用革新。然而，在研究成果和實(shí)際應(yīng)用之間仍有一道需跨越的溝渠。需要更多的理論研究，包括通過高純化、合金化、加工工藝改善和表面改性等方法精細(xì)調(diào)控和降低鎂合金服役期間的腐蝕速率，和大量的臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果，來構(gòu)建一架到達(dá)彼岸的橋梁。相信在未來鎂合金作為一種具有巨大潛力的可降解生物材料會(huì)廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)。

原文出處：

生物醫(yī)用鎂合金腐蝕行為的研究進(jìn)展

萬天, 宋述鵬, 王今朝, 周和榮, 毛雨旭, 熊少聰, 李夢(mèng)君

《材料工程》2020, 48 (1): 19-26.

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