WE43鎂合金的成骨性能探究及展望

馮哲，喻正文，2，楊嵐，3，韋紀英，3

1.遵義醫(yī)科大學，貴州 遵義 560000；

2.貴州省普通高等學校口腔疾病研究特色重點實驗室，貴州 遵義 563000；

3.遵義醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院，貴州 遵義 563000

近年來，隨著生物材料的不斷進步與發(fā)展，鎂合金、鋅基合金、鈦合金等因其各自的良好性能被應用于醫(yī)學不同領域，不斷有研究表明鎂及其合金是一種在生物醫(yī)學應用領域具有巨大潛力的材料，研究鎂合金引導骨再生修復材料在臨床醫(yī)學中的應用具有十分重要的意義和廣闊的市場應用價值，鎂合金有望成為繼鋼鐵、鋁合金之后第三大結構材料，被譽為“21世紀綠色工程結構材料”，其在心血管支架、人體硬組織以及引導骨再生膜修復材料研究方面具有十分重要的意義和不可估量的醫(yī)學應用前景。由鎂合金制成的可生物降解的支架也在21 世紀初首次引入后進入人類的臨床前試驗，本文將對目前在鎂合金中較有發(fā)展前景的WE43 鑄造鎂合金在動物實驗中的影響、反應及WE43 鑄造鎂合金在臨床醫(yī)學中的應用進行綜述，系統(tǒng)講解WE43鑄造鎂合金研究現(xiàn)狀，并對其亟待解決的科學問題和應用前景進行展望。

1 WE43鑄造鎂合金研究現(xiàn)狀

與已臨床使用的生物材料不銹鋼、鈷鉻合金、鈦及鈦合金、鎳鈦合金、貴金屬等相比，鎂及鎂合金具有密度接近人體骨組織密度和力學性能[1]、與人骨彈性模量相差較小、良好生物相容性[2]、較好的強度、熱成形性、良好的鑄造能力、隔音能力，良好的電磁干擾屏蔽，優(yōu)異的機械加工性和可回收性、適宜的腐蝕降解性能以及相對低廉的價格等優(yōu)點，另外，鎂不僅是地球表面第六大豐富的元素，約占其成分的2.5%，并且作為一種重要的成分，在人體中大量存在，參與著體內所有能量代謝，對神經運動機能、生理機能、預防缺血性心臟病和循環(huán)系統(tǒng)疾病有著重要作用。正常成人每天攝入的鎂約為300～400 mg，尿液中不必要的鎂離子可以無效且有效地消除。同時，鎂合金是可生物降解的材料，具有出色的生物性能。生物可降解鎂植入物的歷史始于1808年Sir Humphrey Davy發(fā)現(xiàn)元素鎂之后不久[3-4]，此后，不斷有學者對鎂合金在生物、醫(yī)學領域的應用及發(fā)展進行學習及探究。

鎂合金可分為三大類[5]：①純鎂和少量其他元素的鎂合金，即鎂合金中除給定的元素鋁和鋅[6-7]外，還含有少量的錳。②含鋁鎂合金—AZ91、AZ31、AE21，AZ31 和AZ91 多年來一直用于工程應用，AE21 合金由鎂、鋁、稀土元素(RE)以及少量錳組成。此外，AE21組合物與商業(yè)抗蠕變合金AE42非常相似。為了開發(fā)出更低密度，且與其他鎂合金相比較更具有好的延展性和抗腐蝕性能的鎂合金，LAE442基于合金AE42孕育而生：它含有鋁、錳、RE 和鋰[8]。③無鋁鎂合金，無鋁鎂合金分為WE、MZ、WZ 和Mg-Ca 合金。其中，WE43作為經改善后具有更好的抗蠕變性和高溫穩(wěn)定性[9]的典型代表，WE43 的主要成分分別是釔(Y)、鋯(Zr)和稀土金屬(RE)，與Mg-Zn 和Mg-Al 合金相比，WE43 合金中含有稀土金屬(RE)，由于其獨特的物理和化學性質，添加到鎂合金中可凈化除雜，具有細化組織和合金化的綜合作用，在大幅度改善其高溫性能的同時，提供了良好的機械性能和改善的耐腐蝕性，從而降低了生物降解率[10-11]。此外，與傳統(tǒng)不銹鋼、鎳鈦合金、鈷鉻合金等對比，它們植入后作為異物將永久性存留在體內，可能會刺激到周邊肌體組織，導致不同程度的炎癥反應、血管內膜增生、再狹窄等問題，或者需要二次手術進行去除，這在一定程度上增加了患者的痛苦及經濟負擔，而WE43鎂合金因具有無毒、可降解且降解周期適宜等特點，作為植入物有著無可比擬的優(yōu)勢。

近年來，不斷有學者對現(xiàn)有的WE43 鎂合金進行材料表面改性，包括使用粉末冶金法制備內含網(wǎng)狀MgF2 的WE43[12]、鑄造和熱處理時添加Zn 元素的WE43[13]，均能提高WE43 的耐腐蝕性；或于WE43 基礎上使用人工老化方法制備的WE43-T5[14]，較WE43降解速度減緩，更利于植入部位及相鄰組織的長期穩(wěn)定性；添加了SiC顆粒的WE43合金，在硬度提高的同時，抗張強度和耐蠕強度也得到了提升[15]。不論是物理、化學、物理-化學改性，都優(yōu)化了WE43鎂合金更佳的原性能甚至賦予其更多的新性能，一步步的推進著WE43鎂合金作為植入物的發(fā)展和運用。

2 WE43鑄造鎂合金在動物實驗中的影響及反應

潘鋒等[16]在SD大鼠股骨內分別植入WE43鎂合金棒及Mg-Mn合金棒，術后不同時間(9周、18周)處死動物，取肝、腎行HE染色后行病理分析、觀察移植物及新骨界面區(qū)，并計算降解率及分析合金元素分布狀態(tài)。結果發(fā)現(xiàn)兩種鎂合金均發(fā)生不同程度降解，WE43鎂合金比Mg-Mn合金具有更好的新骨誘導性和耐腐蝕性能，兩種材料降解均未對大鼠肝、腎造成不良影響。實驗組WE43中的稀土元素可在大鼠股骨體周圍形成少量存留，并對骨生成起促進作用，兩種合金中的鎂元素及Mg-Mn合金中的錳元素在大鼠股骨體周圍均不形成存留(圖1)。從而得出結論WE43鎂合金相較于Mg-Mn合金降解速率更慢，更適合與新骨重建形成良好平衡關系，是一種更加精良的可降解性內固定材料。

LEVOROVA 等[17]在兔脛骨人工鉆孔缺損處分別植入WE43 鎂合金螺釘及鈦合金，待術后傷口處皮膚愈合后，以四周的間隔期處死動物，對有植入物的骨組織進行CT 掃描和組織學檢查。結果發(fā)現(xiàn)WE43 鎂合金螺釘周圍的骨愈合質量與鈦合金螺釘相似，并且無明顯副作用產生。從而得出結論WE43鎂合金同鈦合金一樣能滿足骨組織合成材料的要求，且骨組織愈合質量良好，具有與骨皮質相似的機械性能、較合適的腐蝕性和生物學特性。

TORRONI 等[18]在綿羊額鼻區(qū)骨組織的骨膜下分別植入WE43鎂合金和T5鎂合金，后在不同時間內對植入材料區(qū)域進行檢測：通過附屬淋巴結的LA-ICP來分析植入材料區(qū)域的免疫反應及合金材料積累量、通過植入?yún)^(qū)域的骨組織、植入物及軟組織的組織學檢查分析局部反應，從而觀察兩種合金的生物相容性。結果發(fā)現(xiàn)WE43鎂合金和T5鎂合金與空白組(無植入物)的淋巴結鎂積累量無明顯差異。得出結論：WE43鎂合金同T5 鎂合金同樣具有出色的生物相容性和促成骨生成的能力，該大動物模型實驗為進一步研究WE43鎂合金在頜面部骨折的應用提供了基礎。

圖1 WE43鎂合金和Mg-Mn合金植入物與周圍骨組織的橫截面(↑表示新生類骨質，500 μm)

LUKYANOVA 等[19]在體外和體內條件下研究了鎂合金WE43的生物相容性。將WE43于小鼠皮下植入后，生物降解率顯著降低，WE43鎂合金的樣品表明能與周圍組織之間在不對組織產生損傷的情況下形成緊密接觸，且通過組織形態(tài)學研究后發(fā)現(xiàn)，WE43鎂合金在植入小鼠皮下后，沒有產生任何對心臟、肺、腎、肝和脾等內臟器官有害的影響，也未引起任何局部或全身癥狀的化膿性炎癥、水腫或出血(圖2)。

圖2 植入物(WE43鎂合金)于小鼠皮下植入?yún)^(qū)域

WAIZY 等[20]、DIEKMANN 等[21]也分別通過豚鼠、兔子(圖3)等動物實驗將WE43 鎂合金材料植入于動物骨組織內，在觀察植入部位骨組織形成和植入材料降解的同時，通過檢測分析血液成分以評估鎂離子水平，與正常值相比，未發(fā)現(xiàn)WE43鎂合金植入后血清鎂離子濃度明顯升高，且血鎂的調節(jié)只要發(fā)生在動物腎臟中，并通過尿液排泄，生化檢查顯示，肌酐中鎂離子濃度在正常值范圍內，組織病理學檢查腎臟亦未發(fā)現(xiàn)任何病理表現(xiàn)，表明WE43具有良好的骨結合能力、骨誘導性、促成骨性，且具有替代成骨作用，皮膚致敏性能實驗結果也表明WE43 鎂合金無致敏性能[22]，可作為可降解植入物的應用。

3 WE43 鑄造鎂合金在體外法(細胞實驗)中的影響及反應

王心玲等[23]使用直接法：將人臍靜脈血管內皮細胞接種于WE43 鑄造鎂合金表面，培養(yǎng)24 h 后使用免疫熒光染色觀察細胞形態(tài)；間接法：在100%、50%、10%濃度的AM50、WE43鑄造鎂合金浸提液內分別對人臍靜脈血管內皮細胞進行培養(yǎng)，且同樣于顯微鏡下使用細胞免疫熒光觀察細胞形態(tài)，直接法與間接法均發(fā)現(xiàn)與WE43鎂合金接觸后的人臍靜脈細胞仍可正常生長，細胞形態(tài)無異常；在12 h、24 h、48 h 分別使用CCK-8 法檢測于浸提液中培養(yǎng)的細胞的相對增殖率(圖4)，發(fā)現(xiàn)細胞相對增殖率≥100%。最終得出結果表明：WE43 鑄造鎂合金對人臍靜脈血管內皮細胞增長及生長無毒性作用，具有良好的細胞相容性及生物安全性。

LIAO 等[24]從成年兔膝蓋的關節(jié)軟骨中分離軟骨細胞，待培養(yǎng)10 d后分別接種到WE43、AZ31、JDBM、C-JDBM、純鎂及TC4圓形樣品支架上，在1 d、3 d、5 d使用顯微鏡觀察軟骨細胞在材料上的黏附形態(tài)，所有樣品表面均有細胞附著且細胞形態(tài)無異常，未見不規(guī)則、拉長及變形(圖5)，并通過間接細胞毒性、細胞增殖及細胞凋亡實驗測試，包括WE43 在內的各金屬材料與軟骨細胞在體外均有良好的生物相容性。

4 WE43鑄造鎂合金在臨床實驗中的影響及反應

現(xiàn)WE43已作為心血管支架材料并被投入人體臨床研究[25-27]。國外的研究中，德國Biotronik 公司最早采用WE43 鎂合金研制了全降解血管支架，并于WE43 基礎上開發(fā)了一系列的血管支架，包括AMS-1鎂合金裸支架、DREAMS 1G 和DREAMS 2G 鎂合金藥物洗脫支架，研究支架在動物體內的安全性和有效性，然后植入下肢動脈閉塞患者膝下動脈，最后用于冠心病患者(采用PROGRESSO-AMS支架)，臨床實驗技術已達成熟[28]。有Biotronik WE43支架植入新生兒心血管的單病例報道，如新生兒主動脈[29]、肺動脈[30]和主肺動脈分支[31]，可見鎂合金支架不僅只應用于冠狀動脈，其他血管均可使用鎂合金支架作為植入物。鎂合金在降解過程中產生的帶負電的電荷具有抗血栓形成的作用，降解產物支架腐蝕和溶解的產物為無機鹽，具有良好的生物相容性，能被人體安全代謝掉而不產生有害影響，即在體內不會產生慢性炎癥，且血管內膜增生率低。盡管部分研究結果顯示，與傳統(tǒng)治療方法相比，鎂合金支架沒有顯著的優(yōu)越性，但以上研究充分證實了鎂合金支架的安全性。

圖3 植入WE43鎂合金螺釘?shù)耐妹劰枪撬枨?/p>

圖4 WE43、AM50浸提液中人臍靜脈內皮細胞免疫熒光鏡下形態(tài)(×200)

圖5 第3天掃描電子顯微鏡下軟骨細胞于各金屬樣品表面的附著形態(tài)(500 μm)

此外，WE43鎂合金可用于替代皮質骨、下肢韌帶和肌腱，也可用于替代選定的上肢和軀干韌帶及相關組織[32-33]，且在對于較嚴重的整形外科創(chuàng)傷的修復中，WE43 鎂合金作為顱面和整形外科植入物，也是較佳的材料選擇[34-35]。此外，在口腔醫(yī)學領域中，可作為牙釉質、牙本質、種植材料、修復材料、矯治材料等等，應用前景相當廣闊。

5 展望

WE43等生物可降解金屬材料在醫(yī)療領域的應用潛力無限[36-38]。但是，目前對于許多合金的毒性水平沒有明確的數(shù)據(jù)說明，曾有報道：在中國蒙古地區(qū)常駐民體內，發(fā)現(xiàn)RE元素在肝臟、腎臟及骨骼中沉積未被代謝[39]；Biotronik公司的使用WE43鎂合金制備的鎂合金支架，因過多的稀土元素的釋放可能會對人體臟器產生一定的傷害，所以在人體內使用時，必須對其成分含量進行調整，降低稀土元素含量以提高生物相容性并降低降解速率。關于RE元素的毒性水平，F(xiàn)EYERABEND等[40]評估了RE元素于體外短期內的影響：將單獨的RE 元素按濃度不同分組，作用于不同細胞系，結果存在一定差異：當RE元素濃度較低時，RE元素對細胞表現(xiàn)出毒性作用。WE43合金中的元素，特別是RE 元素，是否存在納米粒子級的長期潛在毒性問題，目前尚無系統(tǒng)性的研究及實驗，且因人體內部環(huán)境的復雜性、系統(tǒng)性，在使用何種材料支架作為植入物時須慎重，因此仍待學者、科研人員進一步探究，望能不斷完善WE43材料性能，取代一些傳統(tǒng)生物醫(yī)用材料，更好地應用于外科手術、創(chuàng)傷重建等領域。