鎂合金在可植入醫療器械中的應用展望

鄭州大學 材料科學與工程學院 張 曄

鎂合金在可植入醫療器械中的應用展望

鄭州大學 材料科學與工程學院 張 曄

鎂是一種可被人體吸收的常量元素，具有較高的強度和剛度。此外，鎂合金還具有良好的可降解性，可以被人體吸收從而避免了異物在人體內長期存留以及二次手術等問題。因此，利用鎂合金獨特的性能，開發新型可植入醫療器械，可以廣泛地造福于人類，并可產生巨大的社會和經濟效益。可降解生物鎂合金材料可以應用在骨內固定器件、骨內填充器械及心血管支架等可植入器械，目前，鎂合金已經成為生物材料的研究熱點。

一、傳統可植入醫療器械面臨的問題

目前，臨床應用的骨內固定器件以其是否可被人體吸收而被分為2大類：不可吸收類和可吸收類。不可吸收類骨內固定器件主要由不銹鋼、鈦合金和鈷基合金金屬材料制成。可吸收類主要由可降解高分子材料、可吸收生物陶瓷等制成；不銹鋼、鈦合金等金屬醫療器械在臨床使用中普遍存在一個重要問題，就是醫用金屬材料植入體內后將會作為異物長期留存在體內，會不同程度地刺激周邊肌體組織，從而產生不同程度的組織反應。金屬材料在體內由于腐蝕、磨損等造成的有害金屬離子溶出和顆粒物的形成，還易引發人體過敏及體內的炎性反應，嚴重時甚至導致畸變、癌變等重大疾病的發生。因此病愈后，患者往往需經二次手術將金屬植入物取出，這又給患者帶來了新的臨床風險及額外的經濟負擔。植入心血管支架的患者一般需長期服用抗凝血藥物來減少金屬支架植入后的心血管再狹窄發生率。聚乳酸類可降解高分子材料與金屬材料相比，其力學性能還存在明顯不足，且降解過快，價格昂貴。因此，能否實現植入金屬在人體內的完全降解并被體內安全吸收或排泄，一直是臨床醫學工作者需要解決的一個問題。

二、可降解鎂合金作為醫用材料的優勢

1.從本世紀初開始，以生物可降解鎂合金為主要代表的具有生物可降解特性的新一代醫用金屬材料的研究發展迅速，受到了人們的特別關注。這類新型醫用金屬材料拋棄人們通常將金屬植入材料作為生物惰性材料使用的傳統思想，而巧妙地利用鎂基金屬材料在人體環境中易發生降解的特性，來實現金屬植入物在體內逐漸降解直至最終消失的醫學臨床目的。此外，由于鎂合金所具有的金屬材料特性，其強塑性、剛度、加工性能等都要遠優于現已開始臨床應用的聚乳酸等可降解高分子材料，因而更適于在骨等硬組織修復和介入支架方面的臨床應用。可以推斷，生物可降解鎂合金的醫學臨床應用，可大大提升現有相關金屬植入器械具備的醫療功能，并可能產生新的醫療效果，從而會為廣大疾病患者帶來新的福音，因此在金屬植入器械的應用和發展中具有里程碑性的重要意義。

2.生物可降解鎂合金的相關特性。

（1）鎂的有益性。鎂是哺乳動物和人體必需的一種元素。鎂是人體細胞內主要陽離子，它集于腺粒體中，僅次于鉀和磷，在細胞外液中含量僅次于鈉和鈣居第3位，是體內多種細胞基本生化反應的必需物質。成人每日對鎂的需求量為400 mg左右。

（2）鎂的生物活性。人體中的鎂離子可促進成骨細胞的增殖及分化。鎂植入生物體內后，可在表面形成磷酸鹽類物質，促進周圍成骨細胞的大量生成，表現出生物的活性特征，這也是聚乳酸等可降解高分子材料以及不銹鋼、鈦合金等金屬材料所不具備的。

（3）鎂的力學性能。與目前已經臨床應用或正在開發的可降解（吸收）植入材料相比，鎂合金具有更優異的強度、塑性和彈性模量等力學性能，與骨組織的力學性能更為接近，如表1所示；與現已臨床應用的金屬植入材料相比，鎂合金的彈性模量也更接近骨組織。因此，可降解鎂合金在臨床應用上的優勢非常明顯。

表 1醫用植入材料性能對比

（4）鎂的降解特性。聚乳酸等可降解高分子在體內的降解方式為體降解，降解過程中其力學強度損失較快。而鎂合金在體內的降解方式主要為均勻腐蝕和點蝕，降解過程中鎂合金的力學強度與植入時間基本上呈線性下降關系，在體內可提供更長和相對穩定的力學強度維持時間。更重要的是可通過表面改性處理，來減緩和控制鎂合金在體內的降解速率，以滿足臨床的不同的實際需求。目前，鎂合金在模擬體液中的降解速率可控制在0.1～2 mm/a。

（5）鎂的密度。與目前臨床應用和正在開發的骨科植入材料相比，鎂與骨組織的密度最為接近，如表2所示。

表 2 部分生物醫用材料及骨組織密度

（6）鎂的原材料成本低廉。鎂是地球上儲量最豐富的輕金屬元素之一，在地殼中鎂的儲量約占2.77%，海水中有0.13%的鎂。我國目前在鎂產業方面有3項“世界冠軍”：首先是鎂資源大國，儲量占世界首位；其次是原鎂生產大國，產量占全球的2/3；第三是出口大國，出口量約占總產量的80%～85%。目前，鎂合金的市場售價在40元/kg左右，而聚乳酸類可降解高分子則在30 000元/kg以上，價格為鎂合金的近千倍。

因此，鎂合金醫學應用前景極為廣闊。上至顱骨修復、頜面外科，下至全身各處的骨折內固定、骨缺損填充支架，再到以心血管支架為重要代表的介入支架等眾多不同類型的植入器件，都可采用可降解鎂合金來進行制作，從而實現病愈后在體內逐漸降解并最終消失的特殊功能。這對于醫用金屬材料來說，將是一次具有革命性意義的變革，因此可降解鎂合金在歐美已被譽為是一種革命性的金屬生物材料。

三、生物可降解鎂合金的研究發展與醫學應用面臨重大挑戰

生物可降解鎂合金的研究發展歷史還非常短暫，從材料研究到未來醫學應用的過程中仍面臨許多挑戰，還存在一些關鍵的科學與技術問題迫切需要解決，尤其是可降解鎂合金在體內方面的相關研究工作及數據還非常有限，已成為可降解鎂合金實現醫學臨床應用的重要瓶頸。包括生物安全性更優的新型可降解鎂合金的設計和制備、面向臨床應用的可降解鎂合金的力學性能優化、鎂合金在體內的降解機制及其與體外研究的相關性、鎂合金體內降解產物的生物安全性、鎂合金降解產物的體內吸收與排泄機制、鎂合金在體內降解中的力學強度退化、可降解鎂合金植入器件在體內降解中的力學性能有效性、可降解鎂合金植入器件的結構優化設計等在內的諸多科學問題還有待更加系統和深入地研究和認識，進而為可降解鎂合金的醫學應用提供更加可靠的科學依據。

四、生物可降解鎂合金的研究方向

目前，生物可降解鎂合金的研究主要是在材料組成、表面改性、降解行為、生物相容性等方面。鎂合金是以鎂為基加入其他金屬元素組成的合金，通過加入其他元素，可以控制其降解速率，提高生物安全性。對可降解鎂合金進行表面改性，不僅可以提高鎂合金的耐腐蝕性能，降低鎂合金的生物降解速度，還可以進一步提高鎂合金的生物相容性及表面的生物活性，促進損傷組織的愈合。目前，科學家對可降解鎂合金的生物安全性已開展了體內外實驗研究，表明在合理控制鎂合金的降解速率的條件下，可降解鎂合金科研表現出較好的生物安全性。