骨科可降解鎂合金生物材料的研究進展

李玉國

（山東省蘭陵縣人民醫院（骨科），山東 臨沂 277700）

在十九世紀中葉，科學家們發現了人體中存在鎂離子，但是直到二十世紀初期人們才證明了鎂元素是有機體中必須的營養因素。鎂元素在人體中的含量很大且分布的區域十分固定，在人的骨骼中鎂的分布最多，大約在53%左右。所以人們就嘗試將金屬鎂作為骨科材料用于人體疾病的治療[1]，之后的研究人們發現金屬鎂的機械性能與人體中的皮脂骨十分相似，所以有學者又嘗試用鎂合金用于治療人體骨折，但是最初的鎂合金因降解速率過快而導致骨折的治療失敗比例比較高。因此鎂合金作為骨科治療材料應用逐漸減少[2]。

但是隨著人們不斷對鎂合金材料的研究，使得鎂合金的生產加工工藝不斷提高，現在二十一世紀的鎂合金材料在機械性能，力學性能和耐蝕性上都有了很大的提高[3]，并且鎂合金的生物相容性和生物安全性能并沒有下降，因此，鎂合金又一次成為了骨科可降解材料的研究熱點之一。鎂合金在體內降解之后生成的鎂離子會參與到人體的新陳代謝中，調節骨代謝活動并有助于新骨的合成。大量的研究人員已經研究了鎂離子可以通過多個信號通路調節人體的新陳代謝功能，并在體外細胞實驗證明了這個觀點。所以因為鎂合金可降解和調節新陳代謝的這個特點，有望成為骨科治療中的一種新型材料。

1 鎂合金生物可降解材料作為骨科材料的優勢

傳統的醫用金屬材料，例如316L不銹鋼、金屬鈦以及鈦合金、鈷合金等，大都屬于生物惰性材料，當這些材料被用作醫用材料植入人體之后，不能在人體內自動降解，還需要后續的二次手術取出這些生物惰性材料，給患者帶來二次手術痛苦和高額的醫療費用。并且這些生物惰性材料在人體內時間長了之后會與人體體液發生腐蝕反應形成具有毒性的金屬陽離子，會給人體帶來過敏反應或者局部炎癥，導致這些生物材料的生物相容性降低，嚴重的會導致植入失效。還有一點就是傳統的生物惰性材料的機械性能和力學性能過高，和人體骨骼的力學性能不匹配，很容易造成應力遮擋以影響治療效果。上述的這些缺點正是鎂合金可降解生物材料的優勢。與這些傳統的生物惰性材料相比，鎂合金生物可降解材料的優勢有以下幾點:

（1）鎂合金作為骨科材料的良好的生物相容性，可滿足人體內安全性的要求。鎂元素在人體內的總含量大約人體重的0.05%，其中有一大部分的鎂以鎂離子的形式存在，還有一部分以碳酸鹽、草酸鹽等有機鹽類存在，還有另外一部分鎂存在于人體的蛋白質中。Gu等[4]為了研究鎂合金的生物相容性，選取了多種二元鎂合金作為實驗材料，實驗結果表明多種二元鎂合金均有良好的生物相容性，且在人體內無毒性。Li等[5]通過對表面改性后的鎂合金進行體外細胞實驗發現，在與小白鼠骨髓細胞共同培養72h之后，鎂對小白鼠細胞的活性以及細胞增殖依舊具有促進作用，證明了鎂合金的良好的生物相容性。陶海榮通過動物實驗發現，在鎂合金降解的過程中，發生巨噬細胞吞噬顆粒的現象，生物組織沒有明顯的增生，腎小球也無明顯的水腫，沒有出現肝細胞水腫和脂肪病變[6]。這些研究都證明了鎂合金作為生物可降解材料在骨科植入材料的生物安全性和良好的生物相容性。

（2）相比于傳統的生物惰性材料，鎂合金生物材料的力學性能很好地匹配人體的骨組織。鎂合金屬于輕質合金的一種，鎂合金的晶體結構屬于密排六方結構，它的金屬密度和屈服強度都與人體的骨組織接近，可以很好地匹配人體骨組織的力學性能要求，不至于過高或者過低。不銹鋼的彈性模量大約在200GPa,鈦合金的彈性模量大約在110GPa，都遠高于人體骨組織的彈性模量（3～20 GPa），只有鎂合金的彈性模量（約40GPa）與人體骨組織接近，鎂合金植入體內可以很大程度上減小植入生物材料與人體骨組織之間力學性能不匹配引起的應力遮擋效應。這樣就可以增加植入后骨組織的再生速度，預防出現局部骨質疏松的現象發生。此外，Zheng等[7]還通過對多種二元鎂合金的力學性能測試表明，在鎂合金中加入不同含量的鈣，可以改善鎂合金的斷裂韌性，使得鎂合金的力學性能符合體內植入材料的要求。Geng等[8]還通過改變鎂合金材料的孔隙率來改善鎂合金的力學性能使得其力學性能與人體骨組織相匹配，實驗結果表明，當多孔鎂合金的孔隙率在45%左右時，鎂合金的彈性模量和抗壓強度可以很好地匹配人體骨組織。Teng等[9]通過實驗探索了鎂合金作為生物植入材料的生物力學性能，首先將鎂合金植入人體肋骨骨折模型中，發現鎂合金的生物力學性能明顯優于現在臨床上使用最多的聚左旋乳酸，可吸收肋骨髓內釘內固定產品，證明鎂合金是肋骨內固定的理想生物植入材料。通過以上論述可以證明鎂合金生物材料的力學性能很好地匹配人體的骨組織。

（3）相比于傳統的生物惰性材料，鎂合金生物材料的可降解性能十分優異。眾所周知，鎂合金是一種活潑的堿金屬，化學性質十分不穩定，鎂合金的標準電極電位在-2.37 V，遠遠小于鐵、鈦、鉻等金屬材料，無論是中性、酸性還是堿性環境中，鎂合金都十分的不穩定容易產生腐蝕。尤其是鎂合金在含有氯離子等有腐蝕性離子的電解液中，更容易發生腐蝕反應。人體內的體液是一個十分復雜的電解質環境，含有多種腐蝕性離子，其中也包含大量的氯離子，所以鎂及鎂合金在人體內很容易發生腐蝕反應，腐蝕產物為氫氧化鎂和氫氣[10]。這樣鎂及鎂合金就在人體內實現了可降解性。發生腐蝕的鎂及鎂合金的表面會變得凹凸不平，并且鎂合金的表面還會附著一層降解產物（氫氧化鎂），這些降解產物可以將鎂合金和人體的組織液隔開，抑制了鎂合金的腐蝕反應的繼續進行，有利于植入物周圍細胞在植入物表面的粘附和攀爬。有學者的研究表明，鎂合金在人體內的降解產物中除了含有鎂、氫、氧元素之外，還富集了大量的鈣元素和磷元素，都是人體骨骼自組織的形成的重要元素，可以很好地促進新生骨組織的愈合，促進新生骨組織的形成[11]。

（4）相比于傳統的生物惰性材料，鎂合金生物材料的生產資源十分豐富，價格低且生產加工工藝成熟。鎂元素在地殼中的分布元素總量為2.3%，由于在地殼中的含量豐富，所以鎂元素的價格不貴，目前市場價還不到純鈦的四分之一，與其他臨床上常用的貴金屬相比價格優勢更為明顯。所以現在鎂合金生物材料成為了骨科領域研究的熱點之一。此外，鎂合金作為一種金屬材料，與其他非金屬醫用材料（生物陶瓷材料、生物高分子材料）相比，鎂合金的表明光滑度更高，更容易進行滅菌處理，保證植入材料的生物安全性。

2 鎂合金種類

因為純金屬鎂的化學性質十分活潑，性能達不到骨科植入材料的應用要求，所以目前的解決方法是將其他的金屬元素添加到金屬鎂中構成鎂合金，通過調整不同元素的添加或者控制元素的添加量來改變鎂合金的性能。經過合金化的鎂合金耐蝕性、力學性能和機械性能都有了顯著的提高，同時還沒有降低鎂合金的生物安全性。目前來說，最常用的鎂合金化元素有鋅、鈣、鋁等。下面對不同元素添加構成的鎂合金研究現狀進行綜述。

2.1 二元鎂合金

（1）鎂-鋅二元合金。鎂-鋅二元合金是最常見的二元鎂合金之一，鋅元素是人體必需的微量營養元素之一，微量的鋅可以促進人體的生長發育。在金屬鎂中添加鋅元素后可以改善純金屬鎂的耐蝕性能和機械強度，鋅的添加還提高了鎂合金的力學性能，使得鎂合金的屈服強度有了一定程度的提高。有研究表明，鎂鋅合金中鋅元素的質量分數為6%時合金的的屈服強度可以達到最大值，鋅元素的質量分數為4%時合金的延展性和抗拉強度達到最佳值[12]。還有學者研究了不同鋅含量對鎂合金耐蝕性的改善情況，實驗結果表明，當合金中鋅元素的質量分數在2%～3%時，鎂合金的耐蝕性最好[13]。

（2）鎂-鋯二元合金。鋯是鎂合金中最常用的晶粒細化劑，在鎂合金適量的添加鋯元素可以起到細化晶粒的目的，晶粒細化之后的鎂合金會具有更好的機械強度和更高的耐蝕性。當鎂合金中鋯的含量（質量分數）小于3.8%時，鎂-鋯合金會有良好的性能，當鋯的含量超過3.8%時，鎂合金中會產生純鋯的顆粒，不能完全合金化從而影響整體的性能[14]。

（3）鎂-鈣二元合金。人體的骨骼組織的一個重要的組成礦物質元素就是鈣元素，而鎂-鈣二元合金又具有良好的生物相容性和生物可降解能力，所以鎂-鈣二元合金在骨科應用中有非常好的前景。鈣元素的添加改善鎂合金的性能的原理也是晶粒細化，當鎂-鈣二元合金中鈣含量在0.6%時，鎂合金的抗壓強度和機械性能達到最佳值，且鎂合金的耐蝕性也相對純金屬鎂有提高[15]。

（4）鎂-鋁二元合金。將鋁元素加入到鎂合金中可以起到固溶強化的作用，固溶后的鎂-鋁二元合金強度和硬度都有了一定程度的提高。同時鋁元素的加入還會產生時效硬化的現象，使得鎂-鋁二元合金的機械強度和耐蝕性提高，同時也提高了合金的可鑄造性。除了以上提到的二元鎂合金，常見的二元鎂合金還有鎂-鍶二元合金、鎂-銅二元合金等。

2.2 三元鎂合金

二元的鎂合金的性能相對于純金屬鎂就有了提高，三元的鎂合金的性能會相對于二元鎂合金有進一步的提高。有研究人員將三元鎂合金ZK30（Mg-Zn-Zr）和羥基磷灰石的生物相容性相比較，實驗結果表明，ZK30合金的生物相容性更好且ZK30合金還會促進細胞的增殖[16]。在鎂鋅合金中添加鈣元素，可以進一步改善合金的性能，當Mg-4Zn 合金中鈣的添加量為0.2%～0.5%時，三元鎂合金的抗拉強度最好，力學性能最佳，且三元合金在Hank溶液中生成H2最少，表明耐蝕性也得到了提高[17]。還有很多類似的三元鎂合金：在鎂鋅合金中加入鍶元素形成的三元鎂合金的機械性能和力學性能也會得到改善；在鎂鋁合金中加入鈣、錳、鋅、鑭、鈰等元素都會一定程度提高鎂合金的性能[18-19]。

3 可降解鎂合金生物材料現面臨的問題

鎂鋅合金和鎂鈣合金都有良好的生物相容性和生物安全性，是目前骨科醫用材料首選的合金化元素，但是這兩種合金面臨的問題是在人體中降解速率過快導致其機械性能的下降，所以還要進一步提高鎂鋅合金和鎂鈣合金的耐蝕性，使得其在人體中的降解速率適當的減慢。鎂鍶合金面臨的問題也是耐蝕性較差，在體內降解速率過快，雖然在鎂鍶二元合金的基礎上添加元素形成三元鎂合金可以提高耐蝕性，但是三元鎂鍶合金的長期生物相容性還需要進一步的實驗證明。鎂鋁二元合金雖然耐蝕性和機械強度都有保證，但是過量的鋁元素在人體中會造成人中樞神經的損傷，還會影響骨細胞的增殖。而且鎂鋁合金的長期生物相容性到現在還沒有明確的實驗，所以臨床使用鎂鋁合金還是要謹慎。

鎂合金在骨科移植材料中面臨的另一個問題也是主要的挑戰，就是如何控制鎂合金的降解和氫氣的產生速率。理想中的骨科可降解內植物材料在骨折完全愈合之前是不能被降解的，需要提供一定的機械強度可以起到固定的作用。在骨折完全愈合之后骨科可降解內植物材料不能快速的降解，避免產生大量的氫氣聚集造成對人體的損害。所以目前需要開發研究一種鎂合金在植入人體早期可以提供一定的力學支撐作用，痊愈后需要鎂合金的緩慢降解且能持續地提供鎂離子來提高骨骼修復效果[20]。

4 展望

鎂合金作為骨科可降解生物材料具有良好的可降解性，與人體骨組織力學性能匹配良好且生物相容性和生物安全性都較好。作為目前可降解生物材料的研究熱點之一，是未來骨科可降解材料的理想材料。但是鎂合金可降解生物材料能否完全取代傳統內固定材料并廣泛應用于臨床骨科治療，還要看未來能不能達到鎂合金在植入人體早期可以提供一定的力學支撐作用，痊愈后需要鎂合金的緩慢降解且能持續提供鎂離子來提高骨骼修復效果。相信隨著醫療水平和材料制造工藝的不斷提高，各種二元、三元或者更多元的鎂合金可降解生物材料可以應用到骨科臨床治療之中。