馬飛梁文強(qiáng)王勇平

1.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院，甘肅 蘭州730000；2.宕昌縣人民醫(yī)院，甘肅 隴南748500

臨床中使用的骨植入材料應(yīng)有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且需要與骨組織愈合相匹配的降解速度。骨植入材料在臨床應(yīng)用中不斷發(fā)展，新型鎂合金材料的研制受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但其過快的降解速率難以得到有效控制，有效控制鎂合金的降解速率，關(guān)鍵在于提升鎂合金的抗腐蝕性，既可以使其力學(xué)性能得到保障，同時(shí)也避免了毒性反應(yīng)。因此，國內(nèi)外專家學(xué)者采用多種方式提升鎂合金的抗腐蝕性能。

1 提高鎂的純度

鎂合金的提純是指在選取高純度原料的基礎(chǔ)上，通過控制熔煉工藝使合金中雜質(zhì)的含量降低。當(dāng)通過提純后得到的金屬鎂達(dá)到99.99%以上時(shí)，其降解速率可達(dá)到作為骨植入材料的標(biāo)準(zhǔn)，并且在降解的過程中不會產(chǎn)生其他對機(jī)體有害的元素。譚小偉等［1］對高純度的鎂進(jìn)行熱處理后，增強(qiáng)了其耐腐蝕性，對處理后的樣品進(jìn)行失重法檢測，7天內(nèi)樣品的質(zhì)量未見明顯減輕。

骨折斷端產(chǎn)生的應(yīng)力會影響內(nèi)固定材料的降解，為促進(jìn)骨折的良好愈合，內(nèi)固定材料應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)良的機(jī)械性能和一定的可控降解速率。Han等［2］在新西蘭兔中使用了其研制的高純鎂螺釘后發(fā)現(xiàn)，骨折產(chǎn)生的應(yīng)力并沒有對骨折間隙附近溶解較快螺釘?shù)臋C(jī)械性產(chǎn)生影響，高純鎂螺釘逐漸被新生骨組織所取代?？梢姽侵踩氩牧现袑Ω呒冩V螺釘?shù)氖褂萌遮厪V泛。Yu等［3］在青壯年股骨頸骨折后帶血管髂骨移植術(shù)中使用高純鎂螺釘，對發(fā)生骨不連與股骨頭缺血性壞死的概率進(jìn)行對比研究發(fā)現(xiàn)，使用高純鎂螺釘后發(fā)生以上兩種情況的概率較低，故認(rèn)為高純鎂螺釘?shù)慕到膺^程存在能夠加快骨折愈合的因素。

2 鎂合金進(jìn)行合金化

合金技術(shù)是改善金屬鎂耐腐蝕性和機(jī)械性能的一個(gè)重要手段［4，5］，分別有兩種類型的合金構(gòu)成了現(xiàn)階段鎂合金的主要類型：第一種是由含2～10wt%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～10%）的鋁（Al）及部分鋅（Zn）、錳（Mn）構(gòu)成的合金；第二種在主要添加了稀土元素的同時(shí)，還加入了如Zn、釔（Y）、銀（Ag）或少量鋯（Zr）等金屬的合金。兩類合金都具有各自的優(yōu)點(diǎn)，第一類合金在擁有中度耐腐蝕性的同時(shí)機(jī)械性也得到了提升，第二類合金不僅有優(yōu)良的機(jī)械性而且同樣擁有良好的組織性。除以上兩類外還有一些新型鎂合金，如Mg-Ca［6，7］、Mg-Mn-Zn［8］、Mg-Zn-Ca［9］、Mg-Zn-Y［10］等鎂合金。

Zhang等［11］選擇Mg-Zn-Ca系列生物材料作為骨替代材料發(fā)現(xiàn)，合金的耐腐蝕性隨Zn含量的增多而下降。Li等［6］發(fā)現(xiàn)加入了Ca元素的鎂合金，不僅在降解成分的安全性方面得到了保障，同時(shí)改變Ca元素比例和不同的加工工藝可以對這類合金的機(jī)械性和耐腐蝕性進(jìn)行調(diào)整，但需要注意，當(dāng)Ca元素的重量比例高出3wt%界限時(shí)，鎂合金機(jī)械性能將明顯降低。所以1～3wt%的Ca元素將限制合金的可調(diào)性，需要進(jìn)一步完善。此外，Zr在提升耐腐蝕性及力學(xué)性能方面同樣有著重要的作用［12-14］。Al作為合金元素中使用較為普遍，在生物材料領(lǐng)域卻很少使用，究其原因在于具有細(xì)胞毒性［15-17］。Mendis［18］對鎂合金的研究中得出結(jié)論，Ag具有良好殺菌作用，與鎂合金的強(qiáng)度存在正比關(guān)系。Gu等［13］在一項(xiàng)體外研究中制備的鎂合金是依照Mg-1X（wt%），分別與Al、Ag、In、Mn、Si、Sn、Y、Zn、Zr進(jìn)行合金化后得到的，在對得到的合金進(jìn)行耐腐蝕性和生物相容性研究后得出結(jié)論，大部分合金元素即不會產(chǎn)生細(xì)胞毒性也不會影響細(xì)胞活力。張廣道等［19］和Zhang等［20］各自在動物體內(nèi)進(jìn)行不同鎂合金的研究，得出如下結(jié)果，首先，在合金材料植入實(shí)驗(yàn)動物體內(nèi)的早期并不會對實(shí)驗(yàn)動物產(chǎn)生不良反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)動物血液中鎂離子的濃度同樣沒有出現(xiàn)顯著的波動；其次，沉積于材料表面的磷酸鹽可以在初期就對新骨形成產(chǎn)生刺激作用。

楊靜馨［21］在Mg-Ca合金系列材料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種Mg-Zn-Ca-Al3合金材料。Song等［22］在研究AZ91D合金在鹽水中的腐蝕行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)合金粒會發(fā)生細(xì)化，合金粒的細(xì)化是由于合金中Nd2O3作用的結(jié)果。高家誠等［23］得出結(jié)論，一定量的Al、Zn、Mn及Y將會使鎂基材料的抗腐蝕速率出現(xiàn)不同程度的下降。Xu等［8］在Mg-Mn-Zn鎂合金降解實(shí)驗(yàn)的研究中發(fā)現(xiàn)，Mg-Mn-Zn鎂合金在48h的時(shí)間內(nèi)有著較快腐蝕速率，在48h內(nèi)含鎂磷酸鹽會以較快的速度在合金表面沉積，在合金表面形成含鋅的磷酸層，降解速率在48～96h內(nèi)會達(dá)到恒定，說明其可有效保護(hù)合金穩(wěn)定。

3 鎂合金表面處理的方法

為了達(dá)到降低鎂合金腐蝕速率的效果，在鎂合金的表面采取涂層技術(shù)或?qū)辖鸨砻孢M(jìn)行相應(yīng)的處理，由此發(fā)展出電化學(xué)沉積、化學(xué)轉(zhuǎn)換處理、微弧氧化技術(shù)、可降解高分子涂層等表面改性手段。

3.1 電化學(xué)沉積 電化學(xué)沉積是指在外電場作用下電流通過電解質(zhì)溶液中正負(fù)離子的遷移并在電極上發(fā)生得失電子的氧化還原反應(yīng)而形成鍍層的技術(shù)。電化學(xué)沉積的操作相對簡便，制作出的涂層均勻致密。Wang等［24］通過電化學(xué)沉積技術(shù)將可溶性缺鈣羥基磷灰石涂層附著在Mg-Zn-Ca合金表面，鎂合金和涂層表面的搭接剪切強(qiáng)度為（41.8±2.7）MPa，不僅有效保障Mg-Zn-Ca合金的高力學(xué)性，而且提高合金的耐腐蝕性。馬飛等［25］在鎂合金表面制成鈣磷涂層，降低了AZ31鎂合金腐蝕速度，同時(shí)改善了其生物相容性。張春燕等［26］使Ca-P生物陶瓷涂層附著于AZ31鎂合金表面，同樣降低了鎂合金的腐蝕速度。

3.2 化學(xué)轉(zhuǎn)化處理 將鎂合金進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化處理后，其表面會形成一層較為難溶的化合物膜。其具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①使合金的腐蝕速率下降，②對后續(xù)涂層的附著能力有所提升。鈷酸鹽轉(zhuǎn)化膜、稀土轉(zhuǎn)化膜和鉻酸鹽轉(zhuǎn)換膜等都是使用較多的轉(zhuǎn)換膜，但都具有含有毒素的缺點(diǎn)。擁有上述三類轉(zhuǎn)換膜的鎂合金在生物相容性方面存在不足，從而使許多化學(xué)轉(zhuǎn)換膜在生物醫(yī)學(xué)材料表面的使用受到限制。Chen等［27］通過在純鎂表面制作出HA轉(zhuǎn)換膜達(dá)到延緩純鎂腐蝕速率的效果。李綺等［28］首先對AZ31B進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)換處理，在其表面制出氟涂層，之后進(jìn)行了氟涂層表面形貌以及生物學(xué)性能的相關(guān)研究。Pereda等［29］在鎂合金表面進(jìn)行氟化處理后形成了致密氧化層，這種氧化層有助于鎂合金耐腐蝕性在PBS溶液中的強(qiáng)化。

3.3 微弧氧化法 將鋁、鎂、鈦等金屬元素浸泡在電解質(zhì)溶液中，經(jīng)過電化學(xué)和熱化學(xué)的處理，一種絕緣陶瓷層會附著在金屬的表面，隨后放電使這種較為薄弱的膜被擊穿，通過以上步驟會產(chǎn)生一種相對均勻的氧化膜。新的氧化膜有三大優(yōu)點(diǎn)：①有一定的熱穩(wěn)定性及介電性能；②優(yōu)良的高硬度和耐磨性能；③適當(dāng)?shù)哪透g性能［30］。Liu等［31］研究顯示，微弧氧化膜保護(hù)基體的能力有所下降，原因在于氧化膜上存在許多孔，為腐蝕介質(zhì)的滲入與吸附提供了條件。Song等［32］通過在鎂合金表面制備出微弧氧化膜達(dá)到了提升鎂合金材料耐腐蝕性的效果。Gao等［33］研究將RNHA涂層（棒狀納米羥基磷灰石）附著在Mg-Zn-Ca表面，該涂層在降低合金腐蝕速率方面的效果明顯，原因在于RNHA涂層會快速誘導(dǎo)合金表面的鈣磷鹽沉淀。Zhang等［34-35］將AZ91D至于Hank溶液中并進(jìn)行微弧氧化處理，將處理前后的AZ91D合金做21天失重試驗(yàn)比較兩者的質(zhì)量損失，結(jié)果顯示，未經(jīng)處理的AZ91D合金腐蝕速率明顯高于經(jīng)過處理合金的腐蝕速率，前者腐蝕速率為后者的15倍。

3.4 可降解高分子涂層 可降解高分子材料在擁有較好的生物相容性同時(shí)，具有可降解的特點(diǎn)，其降解后的產(chǎn)物能夠被人體吸收或者排出體外。上述優(yōu)勢使鎂合金被高分子涂層覆蓋后抗腐蝕性和生物相容性得到明顯提升，同時(shí)可降解生無涂層亦可發(fā)揮載藥平臺的作用，獲得更優(yōu)質(zhì)的生物學(xué)效應(yīng)。目前可降解生物涂層大致有三種類型［36］：①聚乳酸及其共聚物；②殼聚糖；③自裝單分子層。PLGA（聚乙交酯-丙交酯）是當(dāng)前比較常用的聚乳酸及其共聚物，Liu等［37］首先對Mg-Zn-Y-Nd合金進(jìn)行1，2-二（三乙氧基甲硅烷基）乙烷（BSTE）和3-氨丙基三甲氧硅烷預(yù)處理，再將PLGA涂在合金表面，最終得到了抗腐蝕性較高的合金。Zhao等［38］將殼聚糖涂層制備在Mg-Zn-Ca（PO4）2合金的表面，得到了無生物毒性且具有一定抗腐蝕性的合金材料。Chen等［39］在Mg-Zn-Mn合金表面制備的GAHD薄膜在體內(nèi)試驗(yàn)中展現(xiàn)出良好的生物相容性和抗腐蝕性。但是處在腐蝕液中的高分子涂層容易形成氣泡，并存在涂層脫落的情況，組織周圍環(huán)境pH值會受聚乳酸降解產(chǎn)生的酸性產(chǎn)物影響而降低，聚乳酸降的生物安全性需進(jìn)一步研究探討，自裝單分子層形成的膜層比較薄，如何延長其抗腐蝕性能需要深入的研究［36］。

各種表面處理技術(shù)不僅可以延緩金屬與機(jī)體的接觸，還可調(diào)控降解速率，此外，對成骨速度起到刺激作用，從而使其表面活性及生物相容性得到提升。但各種方法自身都存在著一定的缺陷，需要進(jìn)行大量的體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步探討。

4 展望

我國正面臨著人口老齡化帶來的壓力，骨植入材料方面的供給也面臨壓力。但有關(guān)報(bào)道顯示，國內(nèi)研發(fā)的各式骨植入材料在無毒、耐腐蝕性方面尚不能完全達(dá)到期望效果［40］。因此，研制具有耐腐蝕性，可掌控降解速率，擁有良好的生物安全性與相容性及高強(qiáng)度和優(yōu)秀韌性的可降解鎂合金是將來的發(fā)展趨勢［41］。