镁合金作为生物医用材料的潜在优势、存在的问题及解决思路文档格式.doc

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一、引言

目前的生物医用材料主要有部分金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料及仿生材料等[1]。

医用金属材料与高分子材料和无机非金属材料相比，具有较高的强度、韧性和加工性能，因此应用最为广泛[2]。

目前，临床应用的医用金属主要有不锈钢、钴基合金、钛合金、形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、镐等。

但临床应用表明，以上材料均存在弊端[3]，如：

1.某些金属植入体含Al元素[4]。

该元素可对器官造成损伤，且能导致骨软化、贫血[5][6]、老年痴呆及神经紊乱等多种病症[5][6]；

2.某些材料会在体内释放出毒性金属离子[1]，引起受体发炎和排异反应[7]；

3.部分不锈钢植入体在生理系统环境中会发生缝隙腐蚀、摩擦腐蚀与疲劳腐蚀破裂等状况[8][9]，并因此释放出Ni2+、Cr3+及Cr5+等离子，同时造成假体松动，最终引起植入体失效[10]；

4.相当一部分材料的弹性模量与人骨不够相近，例如：

不锈钢的弹性模量约为200GPa，钛合金约100GPa[4]，而人骨仅10～40GPa。

这必然会导致应力遮挡效应，进而减少对新生骨组织生长和重塑的诱导作用[1]，并最终造成植入体的不稳定、组织愈合迟缓甚至植入失败等后果[1][11]。

5.不锈钢、钴基合金和钛基合金皆为生物惰性材料，在人体中不发生或仅发生微弱的化学反应，因而在生物环境中相当稳定[4]，无法自行降解[1]。

故病人完全康复后必须再次通过手术将其取出[2]，徒增了患者的痛苦及医疗费用[1]。

然而近年来，镁及其合金的横空出世和飞速发展使这些问题的解决成为了可能。

那么，这种金属到底有什么优点，能克服这么多棘手的困难呢？

接下来的一段将回答这个问题。

二、镁合金作为生物医用材料的潜在优势

近几十年来，国内外研究发现[3][12][13][14][15]：

镁合金作为硬组织植入材料，与现有的各种临床金属植入材料相比有许多突出的优点：

1.Mg是人体必需的微量元素之一[1]，在动物体内含量仅次于钙、钠、钾，且在细胞内仅次于钾[4]，与神经、肌肉及心脏功能密切相关[16]，对维持细胞膜结构和调节细胞的生长具有重要作用[17]，是能量传输、贮存和利用的关键元素，还是新陈代谢过程中各种酶系统的重要活化剂，并参与人体内几乎所有的新陈代谢过程，如骨细胞的形成、蛋白质的合成等。

另外，镁具有诱导骨生长的作用，能加速骨愈合，还可以调节DNA和RNA结构，降低癌症发病率，增强心血管的抗病毒能力[1]，减少血液中胆固醇的含量，从而防止高血压、动脉硬化和心肌梗塞等疾病[16]。

而以镁作为医用植入材料势必能增加人体内Mg的含量，这样就可以为患者带来上述诸多好处。

2.镁及其合金的密度约1.7g/cm3，与人骨密度（1.75g/cm3左右）几乎完全相等[1]，符合理想接骨板的要求[4]，植入人体后不会增加患者的负重感和不适感，对其康复十分有利。

3.镁及镁合金的杨氏模量与人体骨骼（10～40GPa）最为相近，约为45GPa，能有效缓解甚至避免应力遮挡效应，因而不会阻碍骨骼的生长和愈合[1]。

4.镁及其合金的比强度和比刚度均很高。

纯镁的比强度约为133MPa/（g/cm3），而超高强度镁合金可达480MPa/（g/cm3），完全满足植入材料的力学性能要求[4]。

5.镁及其合金具有良好的生物相容性，可以在体内自动降解，所以无需再次通过手术取出。

此外，镁的标准电极电位很低，在体内生成的离子可被机体组织吸收，然后通过体液排出体外[1]。

6.镁资源丰富，成本低廉，适合大量开发生产[18]。

三、镁合金作为生物医用材料存在的问题

虽然镁及其合金具备很多优于其他金属医用材料的性能，但也存在一些缺陷，使其作为医用植入材料受到限制：

1.常规方法制备的镁纯度较低。

目前金属镁的生产主要采用硅热法和电解法，制出的成品中Si、Fe及Cl-等杂质较多，限制了镁合金的应用。

2.镁植入人体后将长期处于弱酸环境中，极易发生腐蚀。

若腐蚀速度适中，释放出的Mg2+对人体是有益的；

但如果腐蚀速度过快，降解过程中产生的过量H2就会对人体造成伤害[1]，而同时生成的过量Mg2+也将导致肌肉麻痹、血压过低及呼吸道疾病等[19]。

另外，在机体完全恢复前，植入体的消失殆尽将导致治疗失败。

因此，控制镁合金的腐蚀速度是将其投入临床使用前亟待解决的关键问题之一[1]。

四、镁合金作为生物医用材料存在问题的解决思路

由上文可见，提高镁合金的耐蚀性对于医用镁植入材料来说是颇为重要的，目前可行的途径主要包括以下几个方面：

1．开发高纯镁合金和新合金

杂质是影响镁合金耐蚀性最重要的因素之一，尤其是有害元素如Fe、Ni、Cu和Co等的含量[4]。

控制其在容许极限以下，降低重金属杂质的含量，可以有效提高合金的耐蚀性能[20]。

2．加入稀土元素

稀土的低微合金化是开发耐腐蚀镁合金的一个方向。

向镁合金中添加适量的轻稀土元素不但能有效增强其耐腐蚀性和力学性能，同时初步研究表明这样还有利于提高生物植入体的抗凝血行为。

3．形变加工

轧制、挤压等形变加工工艺可以使合金晶粒细化，提高致密度，减轻成分偏析，从而使镁合金更均匀，提高耐蚀性。

4．表面改性

研究表明，通过在镁合金表面构筑生物活性涂层，不仅能提高植入体的生物相容性，促进其与骨组织间形成直接的化学键性结合，有利于其早期稳定，缩短术后愈合期，而且可以延缓基体在体液中的腐蚀和降解速率。

涂层材料主要是生物活性陶瓷，也可以是生物活性聚合物，目前人们的研究主要集中在磷酸钙基生物陶瓷涂层上。

5．仿生法沉积羟基磷灰石涂层

羟基磷灰石（Ca10（PO4）6（OH）2）晶体属六方晶系，每个晶胞含10个Ca2+，6个PO43-和2个OH-。

其理论密度较大，为3.1568g/cm3，折射率为1.64～1.65，莫氏硬度为5，微溶于水，呈弱碱性（pH为7～9），易溶于酸而难溶于碱，是构成骨和牙的主要无机质，具有良好的生物相容性和生物活性，对人体无毒、无害、无致癌作用，且作为人体骨骼的替代材料已有临床应用。

镁合金的力学性能可以通过改变羟基磷灰石颗粒尺寸和分布来进行调整。

羟基磷灰石颗粒稳定了材料的降解速率并使腐蚀更为均匀地进行，与成骨细胞的培养表明复合材料具有较好的细胞相容性[4]。

该方法是近几年发展起来的新方法，适于在多种材质、各种形状的基体上制备磷灰石类涂层。

它具备其他方法无可比拟的优越性：

1.由于涂层是在近似于人体组织环境条件下沉积出来的，故其成分更接近人骨无机质，有更好的相容性和骨结合能力。

2.仿生法在低温下进行，能够避免高温引起的相变和脆裂，有利于增加金属基体和陶瓷涂层之间的结合力。

3.低温条件能为蛋白质等生物大分子的共沉积提供可能。

通过改变溶液成分来改变涂层成分，可以使蛋白质、骨生长因子、抗生素等有机物在仿生溶液中与羟基磷灰石共沉积。

4.涂层形成后无需再次热处理即可形成致密的晶体层。

5.该技术可在形状复杂和多孔的基体上形成均匀涂层。

6.所需设备简单，操作方便，沉积工艺易于控制，费用较低[21]。

6．微弧氧化

微弧氧化技术（又称微等离子体氧化或阳极火花沉积）是近几年才发展起来的一项在有色金属表面原位生长氧化物陶瓷层的新技术，可在金属表面形成多孔、耐蚀、耐磨的薄氧化层，已在钛种植体表面成功应用，是一种很有希望的医用金属植入体表面生物改性技术[4]。

五、总结

综上所述，镁及其合金具有其他诸多材料所无法相比的优点，但其腐蚀速率的控制仍是该材料发展和应用的一大瓶颈。

虽然目前已出现了很多解决方案，却皆无法投入实际应用。

但是我们相信，随着科学技术的进步，这些困难一定能克服，镁与镁合金也必将成为未来医用材料中不可或缺的组成部分。

参考文献

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