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三文献综述
医用镁合金微管拉拔工艺的技术应用及影响研究
摘要：
由于镁及其合金具有良好的生物相容性和力学相容性，可在人体降解，合适的物理力学性能、导电导热性能较好、阻尼减震、电磁屏蔽性能良好、易于加工成型、密度小、比强度高、比刚度高和废料容易回收等优点，广泛应用于交通运输、航天航空、电子技术、精密机械、日用商品、光学器材等领域，由此镁及镁合金获得“21世纪的绿色工程材料”的美誉。
但是由镁及镁合金较差的耐蚀性能影响到临床上的应用。
降低镁合金过快的腐蚀速度成为其作为生物材料应用的关键。
镁及镁合金作为新型医用植入材料是近年来生物可降解材料的一个研究热点,其中合金化、表面改性涂层、生物相容性研究都有了很大进展。
随着研究的不断深入，镁合金会得到广泛应用。
关键词：
医用植入材料;镁合金;生物可降解;腐蚀;生物相容性
1、背景
镁是最轻的金属元素，其比重只有1．74，仅相当于铝的2／3，铁的1／4。
而且镁资源特别丰富，占地壳总重量的2．1％，海水中的o．13％，可谓取之不尽，用之不竭。
目前我国已初步形成镁合金高新技术产业。
“十五”国家科技攻关重大项目之一是镁合金开发应用及产业化,全国总共有21个省、自治区、直辖市及计划单列市的4个研究院所、7所高校、20多家企业直接积极参与了该项项目的研发和实施。
目前来讲的话已初步建立了一批镁合金产业化基地,突破了一批前沿核心技术和产业化关键技术,并创立了十几家有关镁合金及相关制品的股份制公司,建立了从镁合金前沿高科技研发到产业研发技术开发的技术性研发体系,已经形成从镁合金关键设备与工艺、高品质镁合金生产、交通领域（汽车、摩托车、列车）和3C产品（计算机、通讯、消费类电子）。
镁合金应用产品开发生产到产业化环境与示范基地建设的一条完整的技术创新产业链。
我国金属镁的需求量每年以20%的速度快速增长,原镁产量占全球产量的40%,居世界首位。
1.1镁合金的应用
镁作为最轻的金属材料，具有一系列独特的性能优点。
但以往因其耐蚀性差、制造困难和原料价格高昂等三大瓶颈问题阻碍了使它的大规模工业应用受到了阻碍。
镁的密度是1.8, 仅是铝2/3，其可回收使用和轻质的特点使之日益成为现代工业产品的理想材料，20世纪90年代，其市场需求一直呈现稳定增长的趋势。
通过相关产业技术和现代科技的不断发展和创新，不仅消除了人们对使用镁合金的各种疑虑，又使其各项独特的优点更臻完美，应用范围也迅速扩展，特别是汽车零部件的大量应用，电讯产品向轻、短、小、薄方向发展，而且通过和相关行业的密切合作与技术整合改进，更使这种新兴材料的市场开拓呈现了极为乐观的前景。
日本东北大学金属材料研究所研发出了具有质轻、耐热、高强度、高延展性的镁合金。
可以说目前在世界上强度最高的镁合金就是这种镁合金的强度剂,可以这样子说它的强度剂至少是以往镁合金的2.5倍。
这一构成使得新的镁合金既具有了延展性又富有了高强度,真是一举两得的事。
这种镁合金是在急速冷却条件下按一定比例将镁、锌和钇的金属粉末混合,通过外界的挤压高压而形成的这种性价比较高的材料,就算是在横截面积为1mm2的新型镁合金丝上挂上了600000g的重物都不会变形,它的耐热强度至少是目前镁合金的2倍,而且也特别易于加工。
阻碍镁合金广泛应用的主要原因之一是耐热性差,因为当温度上升时,可以大幅度降低它的抗蠕变性和强度,让它在汽车等工业中难以作为关键零件（如发动机零件）材料得到更广泛的应用和最大化的发挥。
据统计这种镁合金除广泛用于家电产品外,还将发挥巨大潜在市场价值应用于机器人、人造卫星等要求材料既轻又结实的领域里。
日本长冈技术科学大学研究人员开发出了一种易于加工且耐热性能优良的镁合金。
这种材料将来有望取代在汽车行业上目前使用的铝合金。
新开发的镁合金在镁中添加了锌、稀土类元素以及钙等不同特性的成分,加入钙和稀土类元素是为了提高材料的耐热性,而锌的作用是为增加柔软性。
实验进一步证明了即使在高压和在175℃的高温状态下放置大概4天多,这种镁合金也不会有任何的变形。
新开发的镁合金可以用来生产变速机的包装盒等形状复杂的部件。
而且现已迅速发展成为便携信息装置的外装材料。
德国大众汽车公司开发的压铸镁合金为Mg-AI-Si（AS）系合金。
175℃时,AS41合金的蠕变强度明显高于AZ91和AM60合金。
可是,由于在凝固过程中AS系镁合金会形成粗大的汉字状Mg2Si相,损害了机械性能和铸造性能。
研究发现,微量Ca的添加能够细化Mg2Si颗粒,改善汉字状Mg2Si相的形态,提高AS系列镁合金的组织性能。
镁合金在浇铸熔炼过程中容易发生剧烈的氧化燃烷，实践有力地证明SF6、SO2CO2和熔剂保护法等气体保护法是非常有效的阻燃办法,但是它们在应用中会导致严重的环境污染,与此同时降低了合金性能和增加了设备的投资。
从21世纪初开始，以生物可降解镁合金为主要代表的具有生物可降解特性的新一代医用金属材料的研究发展迅速，受到了人们的特别关注。
这类新型医用金属材料巧妙地利用镁基金属材料在人体环境中易发生腐蚀（降解）的特性，改变人们通常将金属植入材料作为生物惰性材料使用的传统思想，来实现金属植入物在体内逐渐降解直至最终消失的医学临床目的。
2004年3月,日本独立行政法人产业技术综合研究所（以下简称产综研）基础材料研究部门等单位联合成功加工出了阻燃性镁合金材料的汽车顶箱（尺寸2000mm×670mm×270mm,重约12.5kg），在当时真是让人振奋人心的好消息。
与市售FRP（强化塑料）产品相比,重量大约可减轻25%。
此次成功开发利用不破坏母材良好特性的激光焊工艺和搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding,FSW）,将产综研开发的阻燃性镁合金挤压材料焊接成大型部件的技术。
有关单位一直都在进行与镁合金有关的技术开发,如消除镁合金重大缺点之一,也就是降低着火燃烧危险性的新合金“阻燃性镁合金”的开发、采用FSW的镁合金焊接以及镁合金表面改质技术的开发等。
与普通情况下相比阻燃性镁合金的引燃温度提高了200～300℃,通过增强其着火燃料性进而提高了安全性。
1.2与其他医用金属材料相比，镁合金具有如下的优势：
1） 成本低。
镁是包括海洋在内地球表层最为丰富的金属元素，价格低廉。
目前金属镁锭的市场价格在2万元（RMB）/t 左右，而钛锭的价格在8万元（RMB）/t以上。
2） 生物力学相容性好。
镁是目前所有金属材料中生物力学性能与人体骨最接近的金属材料，传统医用不锈钢的弹性模量E=200GPa左右,传统医用钛合金（Ti6Al4V）弹性模量也高达110GPa，而天然骨的弹性模量则为3~20GPa（不同部位，骨的弹性模量不同）。
骨内固定修复材料的弹性模量如果与骨的弹性模量相差较大，就会导致“应力遮挡”，而影响骨的修复愈合。
而镁的弹性模量E=45GPa，最接近骨的弹性模量，可有效缓解 “应力遮挡”。
此外，镁合金的密度通常为1.74~2.0 g/cm3，与自然骨密度1.8~2.1g/cm3也最相近。
由此可见，镁的物理机械性能比其他医用金属材料更接近于生物骨，是最理想骨内固定修复材料。
3） 生物安全性高。
Mg作为人体必需的营养元素，在人体内含量仅次于Ca、K、Na，排第4位。
目前，许多发达国家已将镁列为人体必需元素，补镁的重要性并不亚于补钙。
世界卫生组织建议成人每天需要射摄的镁量为280~300 mg，少年儿童为250mg，婴幼儿为80mg。
Mg的生理功能主要体现在它能催化或激活机体325种酶系，参与体内所有能量代谢。
对生理机能及预防循环系统疾病、肌肉收缩、神经运动机能和缺血性心脏病均具有非常重要的意义。
镁的排泄主要是通过泌尿系统的，在人体内它的吸收不会导致血清镁含量的明显升高。
在食物中通常所含镁的30%~50%均是被肠胃吸收。
除此之外，Mg代谢调节的中心是肾脏，在血浆中的自由Mg离子和Mg盐每天都是由肾小球进行过滤，其中95%~98%由肾小管进行再吸收的。
由于肾小管的再吸收将影响血浆中Mg的浓度，如果从肠胃吸收的Mg的吸收量增加，则导致肾小管的再吸收量将会减少，排泄量的增加会使得血浆中的Mg保持不变的浓度。
由此可见，采用镁合金作为医用可降解生物材料是具有良好的医学安全性基础的。
4） 可降解性。
镁合金具有较低的腐蚀电位，在含有氯离子的体内环境下易发生腐蚀，并以缓慢腐蚀的方式在体内完全降解，可实现镁在人体中的降解吸收。
可通过两个方面来解决镁合金的耐蚀性问题:
第一对镁合金进行表面处理。
根据耐蚀性要求的不同,可以选择化学表面处理、有机物涂覆、热喷涂、化学镀、阳极氧化处理、电镀等方法处理。
例如,未处理过的镁合金经化学镀其耐蚀性超过了不锈钢，提高了镁合金的耐腐蚀性。
第二严格限制镁合金中的Fe、Ni、Cu等杂质元素的含量。
比如,高纯AZ91HR美合金在盐雾试验中的耐蚀性大概是AZ91C的100倍,比低碳钢还好得多，超过了压铸铝合金A380。
目前镁合金部件加工大多采用压铸等铸造法,未曾有过使用挤压材料和压延材料等通用材料进行制作的先例。
尤其是大尺寸产品方面,由于大尺寸和特性良好的挤压材料和压延材料制造技术本身尚未完成,再加上镁合金延展性差,很难利用塑性加工直接将其做成大尺寸的复杂形状,所以根本没有加工先例。
于是此次就确立了这样一种技术既第一步用阻燃性镁合金加工出具有良好特性的挤压材料和压延材料,其次将其成型为单纯形状的部件后,通过焊接将其加工成大尺寸部件。
2.1材料
实验采用高纯镁（99.99%）、AZ91D、镁钕锌锆（Mg-3.0Nd-0.2Zn-0.4Zr，JDBM）3种合金。
高纯镁为铸态，取自铸锭；AZ91D与JDBM均为高温固溶处理（T4）态。
AZ91D固溶处理工艺为415 ℃保温16 h后水淬冷却，JDBM固溶处理工艺为540 ℃保温10 h后水淬冷却。
模拟体液（SBF）采用Hank’s模拟体液，在恒温水箱中保持溶液温度在（37±0.5） ℃，采用盐酸和NaOH调节模拟体液的初试pH值为7.5。
溶液成分为：
（0.35g）+MgCl2·6H2O （0.1g）+MgSO4·7H2O （0.06g）+KH2PO4NaCl （8.00g）+KCl （0.40g）+CaCl2 （0.14g）+NaHCO3 （0.06g）+Na2HPO4·12H2O （0.06g）+H2O 清洗腐蚀产物的铬酸溶液成分为CrO3+10g/L 200g/L AgNO3+蒸馏水。
2.2血管支架
传统的血管支架大多数是镍-钛合金或钴-铬合金或者不锈钢。
不可降解性的支架植入后长期存在于体内易导致一系列并发症。
如血管内膜功能失调；血管内皮化过程延迟；支架处血管瘤发生；无法适应血管生长；致栓塞反应；慢性炎症反应；支架内再狭窄和术后长期服用抗血小板药物造成出血等。
而且同一病变处理在日后的外科血管重建手术中的复杂性增加了很多。
在今后的研究中需不断改善传统的血管支架结构及性能。
生物可吸收支架看起来不仅有意义而且还蕴涵了巨大潜力，其中的原因是：
一旦疾病治愈，支架就会消失。
可以很好地解决需要长期抗血小板凝聚治疗和迟发性血管血栓的形成的问题，被看作是“支架的下一个前沿”，它的用途不可估量。
镁合金支架在这几年里一直都被研究着和关注着，它是可降解支架的经典代表，从综合方面考虑的话，有可能逐渐地取代了目前临床上使用的长久性的心血管支架，发展成为将来血管支架的重要支柱。
这种情况的到来意味深远，代表了我们临床上的血管支架技术的又一步的飞跃。
众所周知，正在研究中的可降解的镁合金支架有AE21（2%铝1%稀土元素）、铼钇镁合金支架（5.2%～9.9%铼3.7%～5.5%钇）、WE43（4%钇0.6%锆3.4%稀有金属）、镁锌锂合金支架、镁铝合金支架等。
与其他不可降解材料相比，它具有独特的优势就是十分良好的机械性能；植入后不易导致早期回缩；良好的组织相容性；植入后血管内皮化速度快；致血栓性低；支架降解后可恢复血管正常收缩性；支架降解后不影响血管的生长等特性。
如果是病人自己要求传统式的重新介入治疗时，将不会出现需要外科医师努力去发现非金属片断的情况。
特别适合于患有先天性心血管疾病的孩子。
每种治疗方式都有优劣势，我们应在比较中选择最适合自己的。
当然，拥有和发展先进的设备还是很重要的。
2.3支架改性
目前的研究主要集中在改进支架的涂层，使支架成为局部给药和内皮修复的媒介。
支架表面进行修饰，可能改善血液接触性能；药物释放还可以减少再狭窄；加速内皮化等。
PLP/PGA和聚乳酸生物可降解聚合物支架涂层同时和药物搭配控释逐渐成为最近几年的关注焦点。
要知道这些看起来外形普通的药物的作用却很特别，不仅增加了支架的总降解时间，也就会缓解疼痛程度，同时也从支架涂层中释放出来。
Lu等报道制造的微弧氧化/聚L-乳酸（MAO/PLLA）复合涂层AZ81镁合金生物降解支架用来控制药物释放率和涂层生物降解速度，由此可以看出，大大地增加了控制合金的降解速率和耐腐蚀性，较PLGA50/50（8%PTX）316L不锈钢涂层相比血液相容性明显好得多，但其在体内的相关指标的评估有待工作者进一步去验证。
Biotronik公司生产的AMS-3可降解药物涂层镁合金支架，它的动物试验表明了在有效性和安全性方面相比较比裸AMS镁支架有较好的效果，但是仍然存在着诸多的不足之处。
新研究的AMS-4旨在延长其降解时间防止其内膜过早地塌陷，配合药物洗脱用来避免过多的内膜生长，极好得改进了其性能。
2.4医用镁合金的研究
不管是哪种生物医用材料，首先来说保证对人体的安全性是选择材料的必要条件。
它既是构成生物体的基本要素，也是组织的结构组成部分，稍有不适其后果是无法想象的，另一方面来讲全身中毒水平也将会是比较高的，每公升血清约有7～10mg，这与在人体内血清正常的镁浓度相比高了不少，大约有4～6.4mg。
众所周知，铝是作为一种神经毒剂，它与各种神经系统疾病相关，如阿尔茨海默病和老年性痴呆。
稀土元素如铈、镨和钇，有可能会导致严重性肝毒。
由此可见铝并不是最好的合金元素。
而镁具有较高的生物相容性和较低的血栓发生率，同时是人体必不可缺的微量元素，也被视为非致癌元素。
总之是人体内很重要的元素。
从这些内容来看，镁是很有潜力的可生物降解金属植入材料。
近几年关于新型可生物降解的镁合金研究大多数是以镁钙、镁锌。
作为医用材料的镁合金应用于不同部位所起的作用不同，对其耐腐蚀性能、生物力学强度、表面形貌的要求也有差别。
随着新的镁合金开发，合金纯净度技术的提高，快速凝固工艺的纯熟，喷丸处理、激光和离子注入等新的表面改性技术出现，镁合金的表面形貌和有内部结构很大改进，耐腐蚀性能和生物力学强度也更高。
2.5科学性、先进性
现有的镁合金支架从力学性能和生物相容性角度来分析都不能很好的满足临床要求。
从制备工艺来看，支架所用微细管都是由铸态坯料直接挤压、拉拔所得。
而铸态组织本身具有偏析严重、晶粒粗大、组织内部缺陷较多等特点。
经挤压时发生动态再结晶后，虽然晶粒变得细小，内部组织缺陷有所减少，但仍然不能满足要求。
鉴于此，有必要对镁合金微细管的制备工艺进行改良。
且研究表明，与其他金属相比，镁合金动态再结晶晶粒尺寸对原始晶粒大小尤为敏感。
当原始晶粒尺寸较大时，新晶粒尺寸也较为粗大，反之亦然。
利用这一原理，对镁合金进行多道次热变形，可达到连续细化晶粒的效果。
而晶粒细化可显著提高镁合金的力学性能与生物相容性。
基于以上理论基础和医用镁合金相关要求及制备成本考虑，实验确定了先对镁合金铸锭进行棒材挤压，因此所得挤压态镁合金为坯料进行管材挤压的工艺方法。
本发明根据以上确定的镁合金挤压工艺与挤压条件，设计制造了两套挤压模具。
一套用于将医用镁合金铸坯的棒材挤压，而另一套则用于将挤压所得的棒材进行微管挤压。
用镁及镁合金作硬组织植入材料，可以不考虑微量金属离子对细胞的毒性，成人每人每日需要量超过350mg。
利用镁及其合金的腐蚀特性开发医用可降解金属材料应该是安全的，同时还可以解决目前临床广泛应用的可降解高分子材料强度、刚性和稳定性较低等问题。
具有可控降解性能的生物植入镁合金即制作非永久性的生物植入构件，控制其降解时间，进一步进行活体实验，来满足医学治疗的需要，以减少通过手术取出植入物时对病人造成的痛苦以及不必要的开销。
3结语
1） 高纯镁和JDBM的腐蚀方式为均匀腐蚀，AZ91D的腐蚀方式为点蚀。
2） JDBM镁合金具有较好的耐蚀性能，在人工血浆中的腐蚀速率约0.34 mm/a。
由于其已腐蚀区域腐 蚀电位高于未腐蚀区域的腐蚀电位，因此其腐蚀方式为均匀腐蚀，适合作为可降解生物材料。
3） 在极化曲线的阴极区内，高纯Mg与JDBM合金的阴极析氢过电位高于AZ91D的析氢过电位，即阴极析氢反应更容易在AZ91D合金的表面进行；在阳极区内，3种合金的极化曲线上都存在一个明显的“拐点”。
这些“拐点”的出现表明合金表面的腐蚀产物。
4）JDBM镁合金对内皮细胞EA•hy926无细胞毒性，满足生物材料对细胞毒性的要求。
5） AZ91D的析氢速率最快，而高纯Mg的析氢速率最慢，JDBM析氢速度也较慢，介于AZ91D也高纯Mg二者之间，比高纯Mg稍快一些。
6）通过激光切割、电化学抛光成功制备出JDBM镁合金心血管支架雏形。
电化学抛光后支架表面粗糙度明显减小。
支架径向支撑力是正常成年人最大收缩压的4倍以上，可满足支架对径向支撑力的要求。
4存在的问题
虽然镁合金的管腔内支架研究目前已经取得了较大成绩，但研发仍处于起步阶段，技术有待于改进和创新，支架的降解时间不够长仍然是目前制约临床应用的关键性问题。
支架的降解过程及它的降解产物对长期有效性和安全性、靶血管和人体短期影响有待进一步验证。
下一代的发展目标可能是生物降解金属支架的可控性降解，进一步减少内膜的增生和长时间的机械稳定性。
这些目标主要通过设计微观结构和新的合金成分、新的支架支撑设计和使用的抗增殖药物涂层实现。
5展望
镁合金用于医学领域，符合21世纪医学发展的趋势。
虽然总体说来它的研究还处于探索起步阶段，广泛应用于临床还有待时日，但是由于它本身存在的诸多优点使得它在医学领域的应用范围相当广泛。
1907年，德国学者Chlumks报道了一种镁合金肠道吻合器的研究，包含一个子扣件和一个母扣件，同时镁合金做为弹簧片用于扣住两部分。
它在消化道重建方面也显示出惊人的应用潜力。
因镁合金降解时间比胆道及肠管完全愈合时间相对较长，加之镁合金良好的生物相容性和力学性能等优点，完全能达到加压吻合所需的力度及加压吻合所维持的时间，与此同时可以减少异物长期存留体内所带来的一系列并发症等问题。
随着技术的不断改进，其运用于胆道及肠管的加压吻合很可能再次成为21世纪胃肠外科的一个研究热点。
此外，在多孔骨修复材料、口腔修复材料、牙种植材料的应用也是具有很大的潜力。
随着镁合金表面涂层、表面改性、新镁合金的开发等技术的逐步提高，作为医用材料的新一代安全有效的镁合金应用于临床非常值得期待的。
作为生物医用材料的镁合金还有更多潜在医用价值值得挖掘，如近年来研究表明在降解过程中镁释放的氢被人体适度吸收的话是非常有益的；镁合金支架具有降低血管再狭窄、显著抑制血栓等功效。
近年来上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心团队在上述领域进行了一系列有益的探索和研究，并取得了令人鼓舞的发现和进展。
经过科研工作者不断的努力探索相信可降解生物医用镁合金必然会有光明的应用前景，未来的一天将会成为惠及人类健康的新型金属生物材料。
参考文献
[1］HuseEC．Anewligature？
［J］．ChicagoMedJExam，1878：
172．
[2] Zheng Yufeng（郑玉峰），Liu Bin（刘彬），Gu Xuenan（顾雪楠）. Materials Review（材料导报）[J], 2009, 23:
1
[3] Li Tao（李 涛）, Lü Zhiqian（吕志前）. Progress of Anatomical Sciences（解剖科学进展）[J], 2008, 14:
436
[4] Heublein B, Rohde R, Kaese V et al. Heart[J], 2003, 89:
651[5] Zartner P, Cesnjevar R, Singer H et al. Catheterization and Cardiovascular Intervetions[J], 2005, 66:
590
[6] Li Haiwei（李海伟），Xu Ke（徐 克），Yang Ke（杨 柯） et al. Journal of Interventional Radiology（介入放射学杂志）[J], 2010, 19:
315
[7]王金瑞,于良,师建华,王博,吕毅,郝杰. 新型可降解镁合金胆道支架的体外降解规律及力学性能.中国组织工程研究,2014年第25期
[8]解焕鑫. 镁生物材料的研究进展.医学综述,2012年18卷第11期
[9]吕一鸣,柴益民,韩培,嵇伟平. 生物可降解镁合金作为骨科植入物研究进展.国际骨科学杂志,2012年33卷第05期
[10]姜海英,闫征斌,张照,艾红军. 氟处理AZ31B生物可降解镁合金材料的细胞相容性.中国组织工程研究,2012年16卷第16期
[11]井永斌,庄金鹏,闫景龙. 生物可降解镁合金在心血管和骨科的研究进展.生物骨科材料与临床研究,2013年第02期
[12]ChiuKY,WongMH,ChengFT . CharacetrizationandcorrosionstudiesoffluorideconversioncoatingondegradableMgimplants.SurfaceandCoatingsTechnology,2007年202卷第03期
[13]ZreiqatH,HowlettCR,ZannettinoA . Mechanismsofmagnesium-stimulatedadhesionofosteoblasticcellstocommonlyusedorthopaedicimplants.JournalofBiomedicalMaterialsResearch,2002年62卷第02期
[14]WitteF,ReifenrathJ,MüllerPP . Cartilagerepaironmagnesiumscaffoldsusedasasubchondralbonereplacement.MaterialwissenschaftUndWerkstofftechnik,2006年37卷第06期
[15]张广道,黄晶晶,杨柯 . 动物体内植入镁合金的早期实验研究.金属学报,2007年43卷第11期
[16]HohNV,BormannD,LucasA . Influenceofdifferentsurfacemachiningtreatmentsofmagnesium-basedresorbableimplantsonthedegradationbehaviorinrabbits.AdvancesinEngineeringMaterials,2009年11卷第05期
[17]YeX,ChenM,YangM . Invitrocorrosionresistanceandcytocompatibilityofnano-hydroxyapatitereinforcedMg-Zn-Zrcomposites.JournalofMaterialsScience:
MaterialsinMedicine
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