含微量Nd鎂基生物材料的研究現狀

李夢君++萬天++謝旭東+++朱雨辰+++吳守鋼++張嬌+宋述鵬

摘 要：隨著科研人員對具有生物特性材料的研究不斷深入，越來越多的生物材料被應用于醫學領域，尤其是在牙科和骨科方面的實際應用，金屬材料因其特有的強度、韌性、耐磨性和耐疲勞性能被廣泛應用。與傳統的植入材料相比，鎂合金具有可降解性、力學性能優良和生物相容性，這使其在醫學材料方面具有較大的優勢，而且其對未來醫學植入材料有著十分重大的意義和影響。隨著研究的不斷深入，研究者們在控制鎂合金耐蝕性能和力學性能的技術方面有了重大突破。

關鍵詞：生物材料 鎂合金 生物相容性

中圖分類號：TQ11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（a）-0059-02

1 鎂合金的優勢和不足

鎂合金作為生物材料有以下的特點：（1）質量輕，密度為1.74 g/cm3，相對密度24，接近人骨密度。鎂在自然界中分布廣泛，同時在海水中也含有大量的鎂，價格相對便宜。（2）相較于鈦合金、不銹鋼等生物材料，鎂合金有其最大的優勢——可降解性。（3）鎂合金有良好的力學性能，其楊氏模量為41.45 GPa，遠小于鈦合金和不銹鋼，這就能夠有效地緩解傳統金屬植入材料所引起的“應力遮蔽效應”，骨質疏松甚至是二次骨折。（4）具有良好的生物相容性。鎂是人體必需的微量元素，成年人平均每天應該攝入約400 mg鎂離子，鎂的生物安全性高，無生物毒性。

鎂的化學性能很活潑，耐腐蝕性能較差，這是制約鎂合金在醫療方面進一步應用的最大阻力。通常，鎂合金的耐蝕性主要與生成的腐蝕產物層有關，當生成的腐蝕產物大于溶解的腐蝕產物時，鎂具有好的耐蝕性。由于鎂表面的氧化物膜疏松多孔，對其難以形成保護作用：鎂在酸性條件下易腐蝕，腐蝕膜無法對鎂形成保護作用；鎂在堿性條件下雖然有較好的耐腐蝕性，但其形成的是松散沉淀物。以上原因使得鎂還不能滿足當前醫學臨床上長周期植入物的要求。

2 鎂在體液中的降解過程

生物鎂合金在植入人體后需要保持12周以上才能保證組織充分愈合和生長。人體的體液是由有機酸、金屬離子、陰離子以及蛋白質、酶和細胞等構成的復雜的電解質環境，pH值7.35～7.45，溫度37 ℃。由于鎂的標準電極電位極低（-2.37 V），因此，易在人體環境中發生電化學腐蝕，其反應過程有：

由于體液成分的復雜性，鎂合金在體內的腐蝕受很多因素的影響和制約。一方面血液中大量存在的Cl-，其溶解度大且半徑小，易穿透表面膜與基體接觸發生反應，并為去極化劑和陽離子擴散打開通道，加速腐蝕電流流動，還會將Mg（OH）2溶解成MgCl2，使其喪失保護膜層的作用；另一方面PO43-、HPO2-、SO42-和CO32-與鎂鈣離子反應生成的難溶膜層和蛋白質在鎂合金表面形成的吸附膜均會阻礙基體與體液接觸，阻礙鎂合金的進一步腐蝕。

3 鎂合金的應用與研究

鎂合金在醫療上已有了諸多應用，比如醫用螺釘、心血管支架、多孔骨修復材料等。在醫用螺釘方面，由于鎂的彈性模量與人骨的接近，可以有效地緩解應力遮蔽效應，在骨折愈合初期，提供穩定的力學性能，并逐步增加骨的受力，刺激骨的生長，加速愈合；而在心血管支架方面，相對于不可降解的不銹鋼支架，鎂合金心血管支架有更好的應用前景；在作為多孔骨修復材料方面，由于其合適的力學性能、可降解性和本身的生物活性，能誘導細胞的分化和血管的生長。

但鎂合金作為植入材料，過快的降解速度仍然制約著鎂合金在臨床上的應用，而且必須在服役期間內滿足必要的力學與形態學要求，因此鎂合金的降解速度不宜過快，且要盡量避免發生點蝕，點蝕的發生會加快腐蝕速率，合金降解的時間也不可控制。目前的研究工作便是近一步增加鎂合金的耐蝕性，促進均勻腐蝕行為，滿足鎂合金醫用材料降解時間的可調控性和可預測性的設計，在長時期植入生體內期間，有效滿足新骨的生成速率和鎂合金降解速率相一致，最大地促進骨的生長和治愈效果。

4 提高鎂合金耐蝕性的方法

元素合金化是目前常用的鎂合金強化方法之一，即添加合金元素，使鎂的力學性能和耐腐蝕性得以提高，當植入材料在人體內進行工作時，合金元素固然會隨之進入人體內，因此合金元素必須對人體無毒副作用，即具有良好的生物相容性。常用的可添加元素有Ca、Sr、Zn、Zr等和一些稀土元素。鈣是人體必不可少的元素之一，它是組成骨骼的主要元素。加入少量的鈣可以改善鎂合金的鑄造及機械性能。鎂鈣合金中Ca的添加量低于wt.1.0%時表現出良好的生物相容性、低腐蝕速率以及適當的彈性模量和強度。鍶能夠維護骨骼健康，增強骨強度和骨密度。鋅元素有助于青少年骨骼發育和組織再生，并能促進傷口愈合，提高人體機能的免疫力。鋯本身的耐蝕性就很優異，在鎂合金中與鐵等形成穩定的化合物。鋯能夠細化鎂合金晶粒，提高合金的機械性能和耐蝕性能。

另外，對鎂進行表面改性處理是指通過化學或物理方法進行處理，使其表面生成耐腐蝕膜，從而對基體起到保護作用。目前表面處理的方法有化學轉化膜、堿熱處理、陽極氧化、微弧氧化、離子注入和構筑生物活性涂層等。其中構筑生物活性涂層法是指在鎂合金表面涂上一層生物活性膜，此法不僅能提高其生物相容性，而且可以延緩基體在體液中的腐蝕和降解速率。Rudd等人[1]通過放置鎂及WE43合金在Ce（NO3）3、La（NO3）3或Pr（NO3）3溶液中進行化學處理，在表面生成稀土轉化膜。將處理過的純鎂與WE43在pH為8.5的硼酸溶液中進行動態極化測試和阻抗測試。結果表明兩種合金在溶液的耐蝕性在短期內顯著增加。

5 鎂合金體內測試研究成果介紹

在作為心血管支架方面，國內外的研究人員通過科學實驗驗證了鎂合金因其具有可降解性可以在一段時間內自行降解并具有很大的應用前景。B.Heublein等[2]將AE21鎂合金（2%Al+1%RE）支架植入家養豬的冠狀動脈，結果顯示植入6個月后有50%質量損失，且降解速度與時間呈線性關系，在試驗期間沒有出現重大的問題和初期支架破損的現象。Erbel的臨床研究顯示[3]，將71個長度10～15 mm、直徑3.0～3.5 mm的鎂合金支架植入63個冠狀動脈狹窄的患者，4個月后經血管內超聲檢查，血管狹窄率由61.5%降低到12.6%，可觀察到部分狹窄血管直徑增加且血供良好，術后1年殘余的少量鎂合金支架嵌入內膜，沒有不良反應。

在作為骨固定材料方面，鎂合金的腐蝕產物有助于誘導骨生長。F. Witte等[4]將4種不同鎂合金和1種降解聚合物植入豚鼠股骨進行比較研究，發現鎂合金組在1周內有皮下氣泡產生，2～3周后氣泡消失；在6周和18周進行觀察，所有鎂合金植入體被主要由與骨直接接觸的Ca、P組成的磷酸鹽相覆蓋，鎂合金周圍的礦化骨的面積顯著高于聚合物，認為鎂離子的聚集可以激活骨細胞，促進骨的再生。

6 實驗生物鎂合金組織性能測試

稀土Nd在鎂合金中有較大的極限固溶度，可以對鎂合金起到很好的固溶強化作用。Nd的添加可以形成金屬間化合物使鎂合金電偶腐蝕過程中陰極性減弱，降低了鎂合金的微電偶腐蝕，并且可以改善表面氧化膜的結構，使其變得致密，從而增強了耐腐蝕性。而且少量Nd在生物體內無細胞毒性，晶界處會形成Mg12Nd耐蝕相，在晶界處形成腐蝕障礙，增加耐蝕性，并且析出的第二相Mg12Nd的電位比鎂稍高，可以緩解鎂被腐蝕的程度。該文介紹課題組制備的兩種稀土生物鎂合金的實驗測試結果如下。

Mg2.4Nd0.8Sr0.3Zr鎂合金在模擬體液中腐蝕7天后的表面形貌圖如圖1（a）所示。在合金腐蝕后表面生成了密集的腐蝕產物層，阻礙溶液進一步滲入基體，增加耐蝕性。且片狀腐蝕層被裂紋分割成相對均勻的區域，表明該合金在模擬體液中的腐蝕行為是均勻腐蝕的。Mg3.5Nd0.2Zn0.4Zr合金顯微組織如圖1（b）所示，基體主要由α-Mg和在晶界析出白色的Mg12Nd相組成，Mg12Nd相的生成提高了鎂合金的耐蝕性。

7 結語

綜上所述，生物鎂合金自身在各方面性能上也具有極大的優越性，尤其是力學性能、可降解性以及生物相容性。因此，其可以作為可降解醫用金屬材料，其可降解性有助于組織生長和愈合，可極大地減輕患者的痛苦和經濟壓力，同時避免二次手術帶來的風險，并具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1] AL Rudd，CB Breslin，F Mansfeld.The corrosion protection afforded by rare earth conversion coatings applied to magnesium[J].Corrosion Science，2000，42（2）：275-288.

[2] Heublein B，Rohde R，Kaese V，et al.Biocorrosion of magnesium alloys： a new principle in cardiovascular implant technology[J].Heart， 2003，89（6）：651-656.

[3] Erbel R，Di Mario C.Temporary scaffolding of coronary arteries with bioabsorbable magnesium stents： a prospective， non-randomised multicentre trial[J].The Lancet，2007（369）：1869-1875.

[4] Witte F，Kaese V.In vitro and in vivo corrosion measurements of magnesium alloys[J].Biomaterials，2005（26）：3557-3563.