可降解镁合金心血管支架

可降解镁合金心血管支架的性能研究

作者：黄卓指导老师：刘雪

摘要：镁是人体必需的常量元素,具有与人骨相近的密度、弹性模量,比强度高及良好的生物相容性和可降解等特点,在骨科植入物、心血管支架、骨组织工程支架等生物医用领域具有广阔的应用前景,成为材料、生物、医学科研工作者研究的热点。本文探讨了针对Mg-Nd-Zn-Zr镁合金（以下简称JDBM）应用于心血管支架时对人体细胞的毒性、径向支撑力、耐腐蚀性以及腐蚀方式。

关键词：生物可降解镁合金；心血管支架；径向支撑力；细胞毒性；耐腐蚀性一、前言

镁合金作为心血管支架材料，具有以下突出优点[1]：（1）镁是人体必须的元素，是人体内第4位金属元素、细胞内仅次于K+的第2位阳离子。它催化或激活机体300多种酶系，参与体内所有能量代谢。在体内三大代谢中通过调节核糖体DNA及RNA的结构而对蛋白质的合成起关键作用。对肌肉收缩、神经运动机能、生理机能及预防循环系统疾病和缺血性心脏病有重要作用。镁的排泄主要通过泌尿系统，镁在人体内吸收不会导致血清镁含量的明显升高。（2）良好的组织相容性、低致栓性和低炎性反应。（3）镁合金生物材料具有价格优势。镁是包括海洋在内地球表层最为丰富的金属元素，价格低廉。（4）镁的标准平衡电位低，具有可降解性，作为可降解材料具有天然优势。（5）镁合金支架完全降解后被原支架部位的血管所吸收，在相应部位形成钙磷复合物，当支架完全降解后依然可以被IVUS和CT等影像手段所识别发现，有利于临床随访检查。

在设计生物镁合金时，必须考虑镁合金的生物相容性、力学性能和耐蚀性能。Nd是轻稀土元素，Mg-Nd二元合金显示出良好的强化效果，已有研究表明Nd的加入可提高镁合金的耐蚀性能，并且Nd元素无细胞毒性。Zn是人体必需的营养元素，微量Zn的加入，可提高镁合金的塑性和变形能力。Zr的加入可明显细化镁合金晶粒，起到强化材料和提高耐蚀性能的作用，并且微量Zr在镁合金中的生物相容性已经得到证实。另外，挤压变形工艺可细化镁合金组织，提高力学性能和耐蚀性能[2]。因此，以Mg-Nd-Zn-Zr为研究对象，研究该挤压态合金的细胞毒性和耐蚀性能，并通过挤压、激光切割、电化学抛光等工艺制备出心血管支架的雏形，研究支架的显微组织、表面粗糙度及径向支撑力。

二、实验

实验采用的Mg-Nd-Zn-Zr镁合金的化学成分（质量分数，%）为Nd3.13，Zn0.16，Zr0.41，Fe0.003，Ni0.001，Cu0.001，Si0.003，Mn0.001，Mg余量。JDBM镁合金铸锭在540℃下进行10h的固溶处理，然后挤压成Φ20mm的圆棒，挤压温度为350℃，挤压比为25。最后挤压出外径为3mm，壁厚为0.2mm的微管。

采用激光切割法将微管切割成心血管支架，对切割成形的支架进行电化学抛光[3]。

利用MTT法测试挤压态JDBM对血管环境中内皮细胞EA・hy926的细胞毒性，利用荧光倒置显微镜观察细胞形貌。参照ASTM-G31-72，采用浸泡试验（析氢和失重）测试挤压态JDBM在（37±0.5）℃的人工血浆（AP）中的腐蚀性能。AP 成分及配比为：NaCl(6.8g/L)、CaCl2(0.2g/L)、KCl(0.4g/L)、MgSO4(0.1g/L)、NaHCO3(2.2g/L)、Na2HPO4(0.126g/L)、NaH2PO4(0.026g/L)。AP体积与腐蚀试样的表面积之比为30mL：1cm2，AP每24h更换一次，浸泡时间为240h。利用电化学循环极化测试合金在AP中浸泡1h后的循环极化曲线[4]。采用光学显微镜（OM）观察JDBM微管的组织。利用数码金相显微镜测试电化学抛光前后支架的表面粗糙度。利用径向支撑力测试仪测试经电化学抛光后支架的径向支撑力。采用扫描电子显微镜（SEM）观察合金在AP中浸泡240h后的腐蚀形貌以及经过电化学抛光前后支架的表面形貌。

二、实验结果

2.1细胞毒性

右图为内皮细胞EA·hy926

在挤压态JDBM镁合金100%浸提

液中培养1、3和5d的细胞活性。

可以看出，细胞在浸提液中培养

1d后的细胞活性约为86%，按照

细胞毒性分类等级为1级，具有

极轻微细胞毒性；而培养3和

5d后细胞活性分别为104%和

110%，为0级，无细胞毒性。实验结果

表明JDBM对EA•hy926细胞无细胞毒

性，并且从培养3和5d的结果来看，

细胞在JDBM浸提液中的活性超过阴性

对照组[5]，表明该合金对EA·hy926细

胞的增殖有促进作用，满足生物材料对

细胞毒性的要求。

2.2腐蚀性能

右图为挤压态JDBM在温度为（37

±0.5）℃的AP溶液中浸泡240h的析氢曲线。可以看出，试样浸泡前两天的氢气析出量最多，随着浸泡时间的延长，氢气的析出量减少。失重实验测试结果表

明该合金在AP中的腐蚀速率为0.34mm/a[6]。

2.3表面粗糙度

右图为电化学抛光前后支架切割面

的表面粗糙度三维图。尽管从数值上来

说抛光前支架切割面的表面凸出的最大

值（12.83μm）小于抛光后的最大值

（16.14μm），然而，从切割面的不同高

度分布来看，抛光前的表面凹凸不平，

而抛光后的表面颜色分布均匀，表明表

面更光滑。抛光前切割表面凸出部分的

最大值较小，而抛光后的切割面高度相

对于边缘基面数值更高[7]。综合以上因素

可知抛光后的表面粗糙度更小。

2.4径向支撑力

右图为电化学抛光后2个支架的

径向支撑力测试曲线。当被球囊扩张

到内径为3.5mm的支架经过径向支撑

力测试仪压缩到支架的初始外径

3.0mm时，支架1和支架2对应的强

度分别为91和99kPa[8]，由图可知，

此材料的径向支撑力符合应用在人

体内心血管支架的要求。

三、结论

第一，JDBM镁合金对内皮细胞

EA•hy926无细胞毒性，满足生物材料对细胞毒性的要求；第二，JDBM镁合金具有较好的耐蚀性能，在人工血浆中的腐蚀速率约0.34mm/a。由于其已腐蚀区域腐蚀电位高于未腐蚀区域的腐蚀电位，因此其腐蚀方式为均匀腐蚀，适合作为可降解生物材料[9]；第三，通过激光切割、电化学抛光成功制备出JDBM镁合金心血管支架雏形。电化学抛光后支架表面粗糙度明显减小。支架径向支撑力是正常成年人最大收缩压的4倍以上，可满足支架对径向支撑力的要求[10]。