李夢(mèng)君++萬天++謝旭東+++朱雨辰+++吳守鋼++張嬌+宋述鵬

摘 要：隨著科研人員對(duì)具有生物特性材料的研究不斷深入，越來越多的生物材料被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是在牙科和骨科方面的實(shí)際應(yīng)用，金屬材料因其特有的強(qiáng)度、韌性、耐磨性和耐疲勞性能被廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的植入材料相比，鎂合金具有可降解性、力學(xué)性能優(yōu)良和生物相容性，這使其在醫(yī)學(xué)材料方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，而且其對(duì)未來醫(yī)學(xué)植入材料有著十分重大的意義和影響。隨著研究的不斷深入，研究者們?cè)诳刂奇V合金耐蝕性能和力學(xué)性能的技術(shù)方面有了重大突破。

關(guān)鍵詞：生物材料 鎂合金 生物相容性

中圖分類號(hào)：TQ11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（a）-0059-02

1 鎂合金的優(yōu)勢(shì)和不足

鎂合金作為生物材料有以下的特點(diǎn)：（1）質(zhì)量輕，密度為1.74 g/cm3，相對(duì)密度24，接近人骨密度。鎂在自然界中分布廣泛，同時(shí)在海水中也含有大量的鎂，價(jià)格相對(duì)便宜。（2）相較于鈦合金、不銹鋼等生物材料，鎂合金有其最大的優(yōu)勢(shì)——可降解性。（3）鎂合金有良好的力學(xué)性能，其楊氏模量為41.45 GPa，遠(yuǎn)小于鈦合金和不銹鋼，這就能夠有效地緩解傳統(tǒng)金屬植入材料所引起的“應(yīng)力遮蔽效應(yīng)”，骨質(zhì)疏松甚至是二次骨折。（4）具有良好的生物相容性。鎂是人體必需的微量元素，成年人平均每天應(yīng)該攝入約400 mg鎂離子，鎂的生物安全性高，無生物毒性。

鎂的化學(xué)性能很活潑，耐腐蝕性能較差，這是制約鎂合金在醫(yī)療方面進(jìn)一步應(yīng)用的最大阻力。通常，鎂合金的耐蝕性主要與生成的腐蝕產(chǎn)物層有關(guān)，當(dāng)生成的腐蝕產(chǎn)物大于溶解的腐蝕產(chǎn)物時(shí)，鎂具有好的耐蝕性。由于鎂表面的氧化物膜疏松多孔，對(duì)其難以形成保護(hù)作用：鎂在酸性條件下易腐蝕，腐蝕膜無法對(duì)鎂形成保護(hù)作用；鎂在堿性條件下雖然有較好的耐腐蝕性，但其形成的是松散沉淀物。以上原因使得鎂還不能滿足當(dāng)前醫(yī)學(xué)臨床上長(zhǎng)周期植入物的要求。

2 鎂在體液中的降解過程

生物鎂合金在植入人體后需要保持12周以上才能保證組織充分愈合和生長(zhǎng)。人體的體液是由有機(jī)酸、金屬離子、陰離子以及蛋白質(zhì)、酶和細(xì)胞等構(gòu)成的復(fù)雜的電解質(zhì)環(huán)境，pH值7.35～7.45，溫度37 ℃。由于鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位極低（-2.37 V），因此，易在人體環(huán)境中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，其反應(yīng)過程有：

由于體液成分的復(fù)雜性，鎂合金在體內(nèi)的腐蝕受很多因素的影響和制約。一方面血液中大量存在的Cl-，其溶解度大且半徑小，易穿透表面膜與基體接觸發(fā)生反應(yīng)，并為去極化劑和陽(yáng)離子擴(kuò)散打開通道，加速腐蝕電流流動(dòng)，還會(huì)將Mg（OH）2溶解成MgCl2，使其喪失保護(hù)膜層的作用；另一方面PO43-、HPO2-、SO42-和CO32-與鎂鈣離子反應(yīng)生成的難溶膜層和蛋白質(zhì)在鎂合金表面形成的吸附膜均會(huì)阻礙基體與體液接觸，阻礙鎂合金的進(jìn)一步腐蝕。

3 鎂合金的應(yīng)用與研究

鎂合金在醫(yī)療上已有了諸多應(yīng)用，比如醫(yī)用螺釘、心血管支架、多孔骨修復(fù)材料等。在醫(yī)用螺釘方面，由于鎂的彈性模量與人骨的接近，可以有效地緩解應(yīng)力遮蔽效應(yīng)，在骨折愈合初期，提供穩(wěn)定的力學(xué)性能，并逐步增加骨的受力，刺激骨的生長(zhǎng)，加速愈合；而在心血管支架方面，相對(duì)于不可降解的不銹鋼支架，鎂合金心血管支架有更好的應(yīng)用前景；在作為多孔骨修復(fù)材料方面，由于其合適的力學(xué)性能、可降解性和本身的生物活性，能誘導(dǎo)細(xì)胞的分化和血管的生長(zhǎng)。

但鎂合金作為植入材料，過快的降解速度仍然制約著鎂合金在臨床上的應(yīng)用，而且必須在服役期間內(nèi)滿足必要的力學(xué)與形態(tài)學(xué)要求，因此鎂合金的降解速度不宜過快，且要盡量避免發(fā)生點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕的發(fā)生會(huì)加快腐蝕速率，合金降解的時(shí)間也不可控制。目前的研究工作便是近一步增加鎂合金的耐蝕性，促進(jìn)均勻腐蝕行為，滿足鎂合金醫(yī)用材料降解時(shí)間的可調(diào)控性和可預(yù)測(cè)性的設(shè)計(jì)，在長(zhǎng)時(shí)期植入生體內(nèi)期間，有效滿足新骨的生成速率和鎂合金降解速率相一致，最大地促進(jìn)骨的生長(zhǎng)和治愈效果。

4 提高鎂合金耐蝕性的方法

元素合金化是目前常用的鎂合金強(qiáng)化方法之一，即添加合金元素，使鎂的力學(xué)性能和耐腐蝕性得以提高，當(dāng)植入材料在人體內(nèi)進(jìn)行工作時(shí)，合金元素固然會(huì)隨之進(jìn)入人體內(nèi)，因此合金元素必須對(duì)人體無毒副作用，即具有良好的生物相容性。常用的可添加元素有Ca、Sr、Zn、Zr等和一些稀土元素。鈣是人體必不可少的元素之一，它是組成骨骼的主要元素。加入少量的鈣可以改善鎂合金的鑄造及機(jī)械性能。鎂鈣合金中Ca的添加量低于wt.1.0%時(shí)表現(xiàn)出良好的生物相容性、低腐蝕速率以及適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ亢蛷?qiáng)度。鍶能夠維護(hù)骨骼健康，增強(qiáng)骨強(qiáng)度和骨密度。鋅元素有助于青少年骨骼發(fā)育和組織再生，并能促進(jìn)傷口愈合，提高人體機(jī)能的免疫力。鋯本身的耐蝕性就很優(yōu)異，在鎂合金中與鐵等形成穩(wěn)定的化合物。鋯能夠細(xì)化鎂合金晶粒，提高合金的機(jī)械性能和耐蝕性能。

另外，對(duì)鎂進(jìn)行表面改性處理是指通過化學(xué)或物理方法進(jìn)行處理，使其表面生成耐腐蝕膜，從而對(duì)基體起到保護(hù)作用。目前表面處理的方法有化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、堿熱處理、陽(yáng)極氧化、微弧氧化、離子注入和構(gòu)筑生物活性涂層等。其中構(gòu)筑生物活性涂層法是指在鎂合金表面涂上一層生物活性膜，此法不僅能提高其生物相容性，而且可以延緩基體在體液中的腐蝕和降解速率。Rudd等人[1]通過放置鎂及WE43合金在Ce（NO3）3、La（NO3）3或Pr（NO3）3溶液中進(jìn)行化學(xué)處理，在表面生成稀土轉(zhuǎn)化膜。將處理過的純鎂與WE43在pH為8.5的硼酸溶液中進(jìn)行動(dòng)態(tài)極化測(cè)試和阻抗測(cè)試。結(jié)果表明兩種合金在溶液的耐蝕性在短期內(nèi)顯著增加。

5 鎂合金體內(nèi)測(cè)試研究成果介紹

在作為心血管支架方面，國(guó)內(nèi)外的研究人員通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鎂合金因其具有可降解性可以在一段時(shí)間內(nèi)自行降解并具有很大的應(yīng)用前景。B.Heublein等[2]將AE21鎂合金（2%Al+1%RE）支架植入家養(yǎng)豬的冠狀動(dòng)脈，結(jié)果顯示植入6個(gè)月后有50%質(zhì)量損失，且降解速度與時(shí)間呈線性關(guān)系，在試驗(yàn)期間沒有出現(xiàn)重大的問題和初期支架破損的現(xiàn)象。Erbel的臨床研究顯示[3]，將71個(gè)長(zhǎng)度10～15 mm、直徑3.0～3.5 mm的鎂合金支架植入63個(gè)冠狀動(dòng)脈狹窄的患者，4個(gè)月后經(jīng)血管內(nèi)超聲檢查，血管狹窄率由61.5%降低到12.6%，可觀察到部分狹窄血管直徑增加且血供良好，術(shù)后1年殘余的少量鎂合金支架嵌入內(nèi)膜，沒有不良反應(yīng)。

在作為骨固定材料方面，鎂合金的腐蝕產(chǎn)物有助于誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)。F. Witte等[4]將4種不同鎂合金和1種降解聚合物植入豚鼠股骨進(jìn)行比較研究，發(fā)現(xiàn)鎂合金組在1周內(nèi)有皮下氣泡產(chǎn)生，2～3周后氣泡消失；在6周和18周進(jìn)行觀察，所有鎂合金植入體被主要由與骨直接接觸的Ca、P組成的磷酸鹽相覆蓋，鎂合金周圍的礦化骨的面積顯著高于聚合物，認(rèn)為鎂離子的聚集可以激活骨細(xì)胞，促進(jìn)骨的再生。

6 實(shí)驗(yàn)生物鎂合金組織性能測(cè)試

稀土Nd在鎂合金中有較大的極限固溶度，可以對(duì)鎂合金起到很好的固溶強(qiáng)化作用。Nd的添加可以形成金屬間化合物使鎂合金電偶腐蝕過程中陰極性減弱，降低了鎂合金的微電偶腐蝕，并且可以改善表面氧化膜的結(jié)構(gòu)，使其變得致密，從而增強(qiáng)了耐腐蝕性。而且少量Nd在生物體內(nèi)無細(xì)胞毒性，晶界處會(huì)形成Mg12Nd耐蝕相，在晶界處形成腐蝕障礙，增加耐蝕性，并且析出的第二相Mg12Nd的電位比鎂稍高，可以緩解鎂被腐蝕的程度。該文介紹課題組制備的兩種稀土生物鎂合金的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如下。

Mg2.4Nd0.8Sr0.3Zr鎂合金在模擬體液中腐蝕7天后的表面形貌圖如圖1（a）所示。在合金腐蝕后表面生成了密集的腐蝕產(chǎn)物層，阻礙溶液進(jìn)一步滲入基體，增加耐蝕性。且片狀腐蝕層被裂紋分割成相對(duì)均勻的區(qū)域，表明該合金在模擬體液中的腐蝕行為是均勻腐蝕的。Mg3.5Nd0.2Zn0.4Zr合金顯微組織如圖1（b）所示，基體主要由α-Mg和在晶界析出白色的Mg12Nd相組成，Mg12Nd相的生成提高了鎂合金的耐蝕性。

7 結(jié)語

綜上所述，生物鎂合金自身在各方面性能上也具有極大的優(yōu)越性，尤其是力學(xué)性能、可降解性以及生物相容性。因此，其可以作為可降解醫(yī)用金屬材料，其可降解性有助于組織生長(zhǎng)和愈合，可極大地減輕患者的痛苦和經(jīng)濟(jì)壓力，同時(shí)避免二次手術(shù)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，并具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] AL Rudd，CB Breslin，F(xiàn) Mansfeld.The corrosion protection afforded by rare earth conversion coatings applied to magnesium[J].Corrosion Science，2000，42（2）：275-288.

[2] Heublein B，Rohde R，Kaese V，et al.Biocorrosion of magnesium alloys： a new principle in cardiovascular implant technology[J].Heart， 2003，89（6）：651-656.

[3] Erbel R，Di Mario C.Temporary scaffolding of coronary arteries with bioabsorbable magnesium stents： a prospective， non-randomised multicentre trial[J].The Lancet，2007（369）：1869-1875.

[4] Witte F，Kaese V.In vitro and in vivo corrosion measurements of magnesium alloys[J].Biomaterials，2005（26）：3557-3563.