鎂合金生物材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

楊瀟然

摘要：可降解生物材料因植入生物體后可在體內(nèi)不斷分解、且分解產(chǎn)物能被生物體所吸收或排出體外，已成為當(dāng)前生物材料領(lǐng)域的國際研究前沿與熱點。目前在骨植入材料中應(yīng)用較多的可降解生物材料主要是高分子聚合物如聚乳酸（PLA）、聚羥基乙酸（PGA），然而這些材料的強度一般較低，很難承受較大的負荷，而且降解產(chǎn)物呈酸性，容易引起炎癥。鎂及其合金不僅具有良好的力學(xué)性能，而且對人體無毒、通過腐蝕可在體內(nèi)逐步降解，因而作為一種極有發(fā)展?jié)摿Φ目山到庵踩肷锊牧先找媸艿饺藗兊那嗖A。但是現(xiàn)有的鎂合金在生理環(huán)境下降解速率太快，往往在骨組織沒有愈合就失去了應(yīng)有的承載能力。所以制備出既有一定力學(xué)性能，又具有較好耐腐蝕性的鎂合金，具有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞：鎂合金；生物材料；可降解

1.鎂合金生物材料的研究現(xiàn)狀

鎂及其合金可用做可降解生物材料，但是其高的腐蝕速率是一個焦點問題。H，Wang等用三種不同手段加工出來的AZ31在Hank模擬體液中浸泡1、2、5、10、15、20天，然后稱重，用光學(xué)顯微鏡觀察形貌，用TEM觀察顯微結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，通過機械處理，AZ31在Hank溶液中生物降解速率明顯降低。德國漢諾威爾大學(xué)F·Witte等人對AZ31、AZ91、WE43、LAE442進行了在活豬體內(nèi)植入試驗，研究了不同可降解鎂合金在骨環(huán)境中界面降解機制及合金降解速率，得到鎂合金的降解取決于合金元素，植入的四種合金都與骨結(jié)合良好，并且得到鎂離子對骨生長有誘導(dǎo)作用，只是合金降解過快，導(dǎo)致皮下產(chǎn)生氫氣氣泡；香港城市大學(xué)研究了AZ63在模擬體液中的降解情況，并研究熱處理對降解情況的對比，通過比較得出，430℃在空氣中保存24小時T4處理后，合金的降解速率是鑄態(tài)合金的1/2[21]；北京大學(xué)鄭玉峰系統(tǒng)研究了Mg-1x（x為Zn、Mn、Al、Si、Ag、Zr、Y、ln）二元合金的組織性能、力學(xué)性能、耐腐蝕性能、細胞毒性、血液相容性，通過研究得到，添加Al，Si，Sn，Zn或Zr元素能改善合金的力學(xué)性能，添加Al，In，Mn，Zn，或Zr元素能降低合金在模擬體液和漢克斯溶液中的腐蝕速率，Si和Y合金元素卻加速了合金的腐蝕[23-24]等等。目前通過動物實驗等，正在推進鎂合金作為生物醫(yī)用材料的應(yīng)用。

2.鎂合金生物材料的發(fā)展趨勢

迄今為止，被詳細研究過的生物材料已有一千多種，醫(yī)學(xué)臨床上廣泛使用的也有幾十種，涉及到材料學(xué)的各個領(lǐng)域。目前生物醫(yī)學(xué)材料研究的重點是在保證安全性的前提下尋找組織相容性更好、耐腐蝕、持久性更好的多用途生物醫(yī)學(xué)材料。其發(fā)展趨勢必然要求：

（1）提高生物醫(yī)學(xué)材料的組織相容性，增加材料與活體組織之間相互容納的程度，避免材料周圍組織的局部反應(yīng)；

（2）金屬材料在生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用將越來越廣泛，金屬生物醫(yī)學(xué)材料的應(yīng)用已有較長的歷史，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和外科醫(yī)療水平的提高，先后開發(fā)了不銹鋼、鈷合金、工業(yè)純鈦及鈦合金等一系列金屬生物醫(yī)學(xué)材料；

（3）生物醫(yī)學(xué)材料的治療特性增強，生物醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展不僅局限于作為人體相應(yīng)器官的假體和代用品，利用多種學(xué)科的交叉研制具有治療特性的生物醫(yī)學(xué)材料也是未來的重要方向；

（4）具有多種特殊功能生物材料的研制和應(yīng)用，對合金進行深加工，使其具備多種功能，滿足不同情況的需求，也是未來生物醫(yī)用材料的發(fā)展趨勢之一。

3.鎂合金生物材料研究意義及應(yīng)用展望

鎂及鎂合金具有比強度和比剛度較高、生物可降解吸收性等特點，作為現(xiàn)有金屬生物植入材料的新一代替代產(chǎn)品表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢與潛力，已經(jīng)引起國內(nèi)外越來越多研究者的關(guān)注，但由于人體環(huán)境的復(fù)雜性，這種新材料的研究還需一個長期過程。生物醫(yī)用材料的研究與開發(fā)對國民經(jīng)濟和社會的發(fā)展具有極其重要的意義，生物醫(yī)用材料具有很高的附加值，其每公斤達1200-150000美元，而建筑材料僅為0.1-1.2美元，宇航材料也僅100-1200美元。

隨著人口老齡化和各類創(chuàng)傷的增加，近幾年來生物醫(yī)用材料和制品的市場一直保持20％左右的年增長率，發(fā)展態(tài)勢已可以與信息和汽車產(chǎn)業(yè)在世界經(jīng)濟中的地位相比，正在成長為本世紀(jì)世界經(jīng)濟的一個支柱，對國民經(jīng)濟的發(fā)展有著不可忽視的重要作用。例如，隨著人口老齡化和中青年創(chuàng)傷的增加，對生物醫(yī)學(xué)材料和制品的需求持續(xù)增長。在我國，人口老齡化已成為社會問題，同時中、青年創(chuàng)傷高速增加，生物醫(yī)學(xué)材料及制品存在著巨大的潛在市場，特別是隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，對生物醫(yī)學(xué)材料和制品的需求急速增高。

因此對于我國發(fā)展醫(yī)用金屬材料是一個趨勢。伴隨著新型金屬材料的研制和表面改性技術(shù)的采用，生物醫(yī)用金屬材料腐蝕研究又開辟了新的研究和發(fā)展空間；鎂合金具有足夠的強度，良好的生物相容性和體內(nèi)可降解性，有望成為新型骨植入材料。但是它的力學(xué)性能不夠，且耐蝕性較差；不含對人體有害元素的合金，其力學(xué)性能相對鈦合金、不銹鋼等醫(yī)用合金強度低，不能用于承載部位；作為骨植入材料，其目的是維持骨折復(fù)位、重建后的穩(wěn)定，因此從力學(xué)角度考慮要求其在骨組織完全愈合之前必須保持原有力學(xué)性能基本不變。

4.結(jié)束語

可降解生物醫(yī)用鎂合金相對于傳統(tǒng)金屬醫(yī)用材料來說，具有無可比擬的優(yōu)越性，如作為骨內(nèi)植物，可有效避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)，并可避免骨折痊愈后二次手術(shù)給病人帶來的痛苦和費用；作為心血管支架材料，可有效減少血管內(nèi)膜增生、再狹窄、晚期血栓等問題。因此，被譽為“革命性的金屬生物材料”而受到全球高度矚目。

盡管目前已有動物體內(nèi)及人體臨床實驗，然而絕大多數(shù)為商用鎂合金，缺乏生物安全性。作為生物醫(yī)用材料，在設(shè)計時必須考慮材料的生物安全性、強韌性、耐蝕性（特別是類似于均勻腐蝕降解方式）。因此，需要設(shè)計具有生物安全性、高強韌性、耐蝕性和腐蝕均勻性的新型生物醫(yī)用鎂合金；需要對其強韌性設(shè)計制備理論、在體內(nèi)的降解代謝機制及體內(nèi)降解產(chǎn)物的生物安全性、降解行為的可控性等方面進行系統(tǒng)深入的研究，進而為可降解生物醫(yī)用鎂合金的臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供更加可靠的科學(xué)依據(jù)。上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心團隊近年來在上述領(lǐng)域進行了一些有益的探索，并取得了令人鼓舞的進展。相信經(jīng)過科研工作者的不斷努力探索，可降解生物醫(yī)用鎂合金一定會有光明的應(yīng)用前景，成為惠及人類健康的新型金屬生物材料。

參考文獻

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