镁合金作为生物医用材料的潜在优势存在的问题及解决思路

镁合金作为生物医用材料的潜在优势、存在的问题及解决思路

摘要

近几十年来，镁及其合金在医疗领域的价值正飞速提升，应用也日益广泛，其作为硬组织植入材料与现有的各种临床金属植入材料相比有许多突出的优点[1]。然而，镁合金当然也不完美，也存在缺点，令其应用受到限制[1]。那么，这些优势和缺陷究竟是什么如何让其性能更完善呢本文就这些问题进行了简要论述。然而由于笔者才疏学浅，加之时间仓促，文中疏漏之处在所难免，尚有待进一步修改和完善，同时敬请各位读者多多批评指正。

关键词：镁合金，医用材料，植入体，腐蚀

一、引言

目前的生物医用材料主要有部分金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料及仿生材料等[1]。医用金属材料与高分子材料和无机非金属材料相比，具有较高的强度、韧性和加工性能，因此应用最为广泛[2]。目前，临床应用的医用金属主要有不锈钢、钴基合金、钛合金、形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、镐等。但临床应用表明，以上材料均存在弊端[3]，如：

1.某些金属植入体含Al元素[4]。该元素可对器官造成损伤，且能导致骨软化、贫血[5][6]、老年痴呆及

神经紊乱等多种病症[5][6]；

2.某些材料会在体内释放出毒性金属离子[1]，引起受体发炎和排异反应[7]；

3.部分不锈钢植入体在生理系统环境中会发生缝隙腐蚀、摩擦腐蚀与疲劳腐蚀破裂等状况[8][9]，并因

此释放出Ni2+、Cr3+及Cr5+等离子，同时造成假体松动，最终引起植入体失效[10]；

4.相当一部分材料的弹性模量与人骨不够相近，例如：不锈钢的弹性模量约为200GPa，钛合金约

100GPa[4]，而人骨仅10～40GPa。这必然会导致应力遮挡效应，进而减少对新生骨组织生长和重塑的诱导作用[1]，并最终造成植入体的不稳定、组织愈合迟缓甚至植入失败等后果[1][11]。

5.不锈钢、钴基合金和钛基合金皆为生物惰性材料，在人体中不发生或仅发生微弱的化学反应，因而在

生物环境中相当稳定[4]，无法自行降解[1]。故病人完全康复后必须再次通过手术将其取出[2]，徒增了患者的痛苦及医疗费用[1]。

然而近年来，镁及其合金的横空出世和飞速发展使这些问题的解决成为了可能。那么，这种金属到底有什么优点，能克服这么多棘手的困难呢？接下来的一段将回答这个问题。

二、镁合金作为生物医用材料的潜在优势

近几十年来，国内外研究发现[3][12][13][14][15]：镁合金作为硬组织植入材料，与现有的各种临床金属植入材料相比有许多突出的优点：

1.Mg是人体必需的微量元素之一[1]，在动物体内含量仅次于钙、钠、钾，且在细胞内仅次于钾[4]，与

神经、肌肉及心脏功能密切相关[16]，对维持细胞膜结构和调节细胞的生长具有重要作用[17]，是能量传输、贮存和利用的关键元素，还是新陈代谢过程中各种酶系统的重要活化剂，并参与人体内几乎所有的新陈代谢过程，如骨细胞的形成、蛋白质的合成等。另外，镁具有诱导骨生长的作用，能加速骨愈合，还可以调节DNA和RNA结构，降低癌症发病率，增强心血管的抗病毒能力[1]，减少血液

中胆固醇的含量，从而防止高血压、动脉硬化和心肌梗塞等疾病[16]。而以镁作为医用植入材料势必能增加人体内Mg的含量，这样就可以为患者带来上述诸多好处。

2.镁及其合金的密度约1.7g/cm3，与人骨密度（1.75g/cm3左右）几乎完全相等[1]，符合理想接骨板的要

求[4]，植入人体后不会增加患者的负重感和不适感，对其康复十分有利。

3.镁及镁合金的杨氏模量与人体骨骼（10～40GPa）最为相近，约为45GPa，能有效缓解甚至避免应力

遮挡效应，因而不会阻碍骨骼的生长和愈合[1]。

4.镁及其合金的比强度和比刚度均很高。纯镁的比强度约为133MPa/（g/cm3），而超高强度镁合金可达

480MPa/（g/cm3），完全满足植入材料的力学性能要求[4]。

5.镁及其合金具有良好的生物相容性，可以在体内自动降解，所以无需再次通过手术取出。此外，镁的

标准电极电位很低，在体内生成的离子可被机体组织吸收，然后通过体液排出体外[1]。

6.镁资源丰富，成本低廉，适合大量开发生产[18]。

三、镁合金作为生物医用材料存在的问题

虽然镁及其合金具备很多优于其他金属医用材料的性能，但也存在一些缺陷，使其作为医用植入材料受到限制：

1.常规方法制备的镁纯度较低。目前金属镁的生产主要采用硅热法和电解法，制出的成品中Si、Fe及

Cl-等杂质较多，限制了镁合金的应用。

2.镁植入人体后将长期处于弱酸环境中，极易发生腐蚀。若腐蚀速度适中，释放出的Mg2+对人体是有

益的；但如果腐蚀速度过快，降解过程中产生的过量H2就会对人体造成伤害[1]，而同时生成的过量Mg2+也将导致肌肉麻痹、血压过低及呼吸道疾病等[19]。另外，在机体完全恢复前，植入体的消失殆尽将导致治疗失败。因此，控制镁合金的腐蚀速度是将其投入临床使用前亟待解决的关键问题之一[1]。

四、镁合金作为生物医用材料存在问题的解决思路

由上文可见，提高镁合金的耐蚀性对于医用镁植入材料来说是颇为重要的，目前可行的途径主要包括以下几个方面：

1．开发高纯镁合金和新合金

杂质是影响镁合金耐蚀性最重要的因素之一，尤其是有害元素如Fe、Ni、Cu和Co等的含量[4]。控制其在容许极限以下，降低重金属杂质的含量，可以有效提高合金的耐蚀性能[20]。

2．加入稀土元素

稀土的低微合金化是开发耐腐蚀镁合金的一个方向。向镁合金中添加适量的轻稀土元素不但能有效增强其耐腐蚀性和力学性能，同时初步研究表明这样还有利于提高生物植入体的抗凝血行为。

3．形变加工

轧制、挤压等形变加工工艺可以使合金晶粒细化，提高致密度，减轻成分偏析，从而使镁合金更均匀，提高耐蚀性。

4．表面改性

研究表明，通过在镁合金表面构筑生物活性涂层，不仅能提高植入体的生物相容性，促进其与骨组织间形成直接的化学键性结合，有利于其早期稳定，缩短术后愈合期，而且可以延缓基体在体液中的腐蚀和降解速率。涂层材料主要是生物活性陶瓷，也可以是生物活性聚合物，目前人们的研究主要集中在磷酸钙基生物陶瓷涂层上。

5．仿生法沉积羟基磷灰石涂层