醫(yī)用鎂合金材料研究進(jìn)展

董天宇

摘? ?要：由于具有可降解性、良好的生物相容性和力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，鎂及其合金近年來(lái)成了生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)的醫(yī)用鎂合金體系包括Mg-Ca、Mg-Zn、Mg-Si和Mg-RE（稀土）等多種合金體系。分析了鎂合金材料作為可降解生物醫(yī)用材料的優(yōu)勢(shì)和不足，對(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)的部分醫(yī)用鎂合金體系作了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用植入材料;鎂合金;可降解金屬;生物相容性

近年來(lái)，生物醫(yī)用可植入材料開(kāi)始進(jìn)入人們的視線，受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。以鈦合金、不銹鋼為主的金屬材料和以氧化鋁、氧化鋯為主的陶瓷材料早在二十世紀(jì)六七十年代就已經(jīng)作為醫(yī)用材料正式進(jìn)入臨床并應(yīng)用于人體[1]。但是，目前，臨床常用的醫(yī)用金屬材料都具有彈性模量、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，并且遠(yuǎn)高于人體骨骼，從而產(chǎn)生顯著的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，導(dǎo)致骨骼的強(qiáng)度和密度減小，影響骨骼的再生長(zhǎng)和塑性[2]。而且，傳統(tǒng)的醫(yī)用金屬材料生物相容性差，一旦植入體內(nèi)，就會(huì)在體內(nèi)長(zhǎng)期存在，在不同程度上影響人體其他機(jī)體組織的功能。所以，由于傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料的諸多限制，一些新的醫(yī)用金屬材料逐漸被開(kāi)發(fā)出來(lái)以保證臨床應(yīng)用的安全性和可靠性。鎂及其合金由于獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和性能，近年來(lái)在作為生物可植入醫(yī)用金屬材料方面受到了學(xué)者的青睞。下面對(duì)醫(yī)用鎂基材料的優(yōu)點(diǎn)和不足以及目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)的部分鎂基材料作了詳細(xì)的介紹。

1? ? 醫(yī)用鎂基材料的優(yōu)點(diǎn)和不足

1.1? 醫(yī)用鎂基材料的優(yōu)勢(shì)

鎂及其合金在生物醫(yī)用領(lǐng)域的應(yīng)用得到廣泛研究，主要因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：（1）鎂及其合金具有良好的力學(xué)性能。鎂的密度約為1.738 g/cm3，與人體的骨骼密度非常接近（1.75 g/cm3），彈性模量為41～45 GPa，與人體骨骼的彈性模量相近，并且鎂及其合金與人體骨骼具有相似的機(jī)械性能，這些特點(diǎn)能在一定程度上減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)，促進(jìn)骨骼的修復(fù)和再生長(zhǎng)[3]。（2）鎂及其合金具有良好的生物相容性。鎂元素是參與人體新陳代謝、維持人類機(jī)體組織正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要元素。正常成人體內(nèi)Mg的質(zhì)量在21～28 g，其中骨骼中大約包含了53%，其他的鎂元素則存在于肌肉組織以及肝、腦、腎等人體器官中。新的美國(guó)RDA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定成年人鎂的日攝入量180～350 mg[4-5]。（3）鎂及其合金具有可降解性。鎂及其合金的電極電位低、抗腐蝕性能差，在體內(nèi)易于降解，然后被人體吸收或者排除，臨床植入人體后不需要二次手術(shù)，不會(huì)對(duì)人體造成二次創(chuàng)傷[6]。（4）鎂及其合金具有良好的骨誘導(dǎo)性。研究表明，鎂離子可以誘導(dǎo)新骨的生成，主要因?yàn)殒V離子可以刺激釋放更多降鈣素基因相關(guān)肽（Calcitonin Gene Related Peptide，CGRP），從而進(jìn)一步促進(jìn)骨膜內(nèi)干細(xì)胞的成骨分化[7]。

1.2? 醫(yī)用鎂基材料的缺點(diǎn)

雖然鎂及其合金作為新一代的醫(yī)用植入材料具有許多優(yōu)勢(shì)，但是目前來(lái)說(shuō)，醫(yī)用鎂基材料仍然存在一些不足：（1）鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位很低，容易腐蝕，在人體內(nèi)極易分解，從而導(dǎo)致植入鎂合金材料在人的機(jī)體尚未恢復(fù)以前就被腐蝕，嚴(yán)重影響植入材料的性能和穩(wěn)定性，從而降低了植入材料的功效[8]。（2）植入人體中的鎂及其合金在降解的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)量氫氣，這些過(guò)量氫氣來(lái)不及擴(kuò)散而在機(jī)體中形成氣囊，在一定程度上影響植入材料和骨骼的相互作用，從而影響骨組織的愈合[9]。

2? ? 常見(jiàn)的生物醫(yī)用鎂合金體系

2.1? Mg-Zn系鎂合金

Zn是人體必需的微量元素之一，在人體的生長(zhǎng)發(fā)育、免疫、內(nèi)分泌等生理過(guò)程中起著極其重要的作用，被人們冠以“生命之花”“智力之源”“婚姻和諧素”的美稱。Zn是鎂合金中最常見(jiàn)的強(qiáng)化元素之一，在鎂中具有較高的固溶度，時(shí)效處理后，表現(xiàn)出很高的時(shí)效強(qiáng)化效應(yīng)，可以顯著提高鎂合金的力學(xué)性能。石國(guó)梁等[10]制備了一種高強(qiáng)度的Mg-6Zn基鎂合金，通過(guò)熱處理控制強(qiáng)化相β?（MgZn2）的析出，顯著提高合金的力學(xué)性能。但是MgZn2與基體之間的電極電位差較大，腐蝕最容易發(fā)生在MgZn2和鎂基體的連接處，降低了合金的腐蝕性能。有文獻(xiàn)指處，可以通過(guò)固溶處理，使MgZn2重新溶入鎂基體，降低第二相的電偶腐蝕作用，從而提高M(jìn)g-Zn合金的抗腐蝕能力。

2.2? Mg-Ca系鎂合金

眾所周知，Ca是人體內(nèi)最重要的元素之一，人在各個(gè)年齡段都需要不同程度的Ca元素?cái)z入，享有“生命元素”之稱。Ca是人體內(nèi)含量最多的無(wú)機(jī)鹽，占人體質(zhì)量的1.5%～2.2%，主要分布在骨骼和牙齒之中，是骨骼發(fā)育的基本原料[11]。Ca加到鎂合金中，一方面可以形成穩(wěn)定的化合物，另一方面可以顯著地細(xì)化鎂合金晶粒，從而提高合金的力學(xué)性能。Ca在鎂合金中的平衡固溶度較低，大約為1.34%。當(dāng)Ca的添加量小于固溶度時(shí)，Ca全部溶入鎂合金，不會(huì)形成Mg2Ca二元相。隨著Ca含量的增加，形成Mg2Ca相，沿著晶界呈網(wǎng)狀分布，導(dǎo)致晶界的脆化，裂紋沿著晶界萌生和擴(kuò)展，從而導(dǎo)致力學(xué)性能的降低。而且，當(dāng)Ca的含量過(guò)高時(shí)，大量的Mg2Ca相會(huì)增加電偶腐蝕發(fā)生位點(diǎn)，降低合金的抗腐蝕能力。所以，控制鎂合金中Ca的含量就顯得尤為重要。

2.3? Mg-Si系鎂合金

Si是人體必需的微量元素之一，可以促進(jìn)人體軟骨的形成，在人體免疫系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。Si在人體中不易被吸收，研究表明，成人每日Si的攝入量為20～50 mg[12]。Si在鎂中的固溶度不高，最大固溶度約為0.003%，所以，Si添加到鎂中會(huì)形成漢字形狀的Mg2Si第二相。由于Mg2Si具有熔點(diǎn)低、硬度高的特點(diǎn)，可以通過(guò)熱處理來(lái)提高M(jìn)g-Si合金的力學(xué)性能。但是由于大量Mg2Si的存在，顯著提高了Mg-Si合金的腐蝕速率，降低了合金的抗腐蝕能力。

2.4? Mg-Re系鎂合金

近年來(lái)，對(duì)稀土元素的研究受到了越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。在Mg中添加稀土元素，可以顯著提高合金的力學(xué)性能，包括強(qiáng)度和韌性以及抗腐蝕能力。而且，有報(bào)道指出，Re具有抗癌的作用，所以，Re在生物醫(yī)用領(lǐng)域也受到了廣泛關(guān)注[13]。

對(duì)于固溶度較高的Re元素，溶入鎂基體后可以起到很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用。通常在Mg-Re合金中加入適量的Zn元素，可以形成穩(wěn)定的Mg-Zn-Re三元相，起到第二相強(qiáng)化作用，其中I相可以顯著增加合金的塑形[14]。對(duì)于固溶度不高的Re元素來(lái)說(shuō)，Mg-Re合金會(huì)形成較多的Mg-Re第二相，這些第二相會(huì)顯著降低Mg-Re合金的抗腐蝕能力。所以，一般選用固溶度較高的Re元素，避免形成過(guò)多的第二相降低鎂Mg-Re合金的抗腐蝕能力。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

生物醫(yī)用鎂基材料由于具有良好的力學(xué)性能、生物相容性和可降解性等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)用植入材料方面受到了廣泛關(guān)注。目前，生物醫(yī)用鎂基材料還處于發(fā)展的初級(jí)階段，有許多問(wèn)題亟待解決。特別是在人體內(nèi)降解速度過(guò)快和在人體中的安全問(wèn)題，嚴(yán)重限制了鎂基材料的應(yīng)用。所以，未來(lái)對(duì)醫(yī)用鎂基材料的研究應(yīng)該會(huì)集中在以下幾個(gè)方面：

（1）添加適量的合金元素，改善合金的性能，得到高強(qiáng)高韌的鎂合金，滿足醫(yī)用植入材料的需要。

（2）在提高合金力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，控制合金元素的添加含量，研究合金的腐蝕機(jī)理，提高合金的抗腐蝕能力，減小鎂合金在人體中的降解速度，保證植入人體的鎂合金材料的應(yīng)用年限。

（3）對(duì)植入人體的鎂合金材料需要進(jìn)行安全性評(píng)估，評(píng)估植入材料的生物相容性，保證植入材料不影響人體各個(gè)器官的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

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Research progress of medical magnesium alloy materials

Dong Tianyu

（Langfang Branch of Hebei Special Equipment Supervision and Inspection Institute， Langfang 065000， China）

Abstract：In recent years， magnesium and its alloys have become a research hotspot in the field of biomedical materials due to their advantages of biodegradability， good bio-compatibility and mechanical properties. At present， The medical magnesium alloy systems that have been developed include a variety of alloy systems such as Mg-Ca， Mg-Zn， Mg-Si and Mg-RE（rare earth）. In this study， the advantages and disadvantages of magnesium alloy material as biodegradable biomedical material are analyzed， and some developed medical magnesium alloy systems are introduced in detail.

Key words：medical implant material; magnesium alloy; degradable metal; biocompatibility