稀土鎂合金在生物醫(yī)用材料領域的研究進展*

馮曉偉，黎小輝，戚文軍，李志成

1.廣東省工業(yè)技術研究院(廣州有色金屬研究院)，廣東 廣州 510650；2.中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083

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稀土鎂合金在生物醫(yī)用材料領域的研究進展*

馮曉偉1，2，黎小輝1，戚文軍1，李志成2

1.廣東省工業(yè)技術研究院(廣州有色金屬研究院)，廣東 廣州 510650；2.中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083

由于鎂合金具有與人體骨接近的密度和彈性模量，再加上其生物可降解性及良好的生物相容性，因此，近年來受到了國內(nèi)外廣大科研工作者的極大關注.本文評述了添加稀土元素對鎂合金的力學性能及腐蝕行為的影響，介紹了生物醫(yī)用鎂合金的降解特性及表面處理方法，并展望了可降解生物醫(yī)用鎂合金的應用前景和發(fā)展方向.

生物醫(yī)用鎂合金；生物降解；生物相容性；稀土元素

由于鎂合金具有與人體骨相近的密度和彈性模量等諸多優(yōu)良的力學性能，近年來已成為生物醫(yī)用材料領域研究的熱點之一.目前，金屬骨植入材料都是不可降解的不銹鋼或鈦合金，當骨折患者的骨骼愈合后，需要進行二次手術將其取出，增加了患者的痛苦和經(jīng)濟負擔.鎂合金作為可降解骨植入材料的誘人前景已經(jīng)引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注[1-3].與目前臨床正使用的各種金屬植入材料相比，鎂合金作為硬組織植入材料具有以下特點：(1)安全性：鎂是人體內(nèi)含量僅次于鈣、鈉和鉀的常量元素，參與體內(nèi)一系列新陳代謝過程，可促進新骨組織的生長，成人體內(nèi)約1 mol的鎂，其中近1/2儲存在骨骼組織中.過量的鎂可通過尿液排出體外，因此，鎂以一定速率降解時不會對人體產(chǎn)生不良影響.(2)生物學特性：鎂是一種能激活多種酶的重要元素，鎂離子可催化或激活體內(nèi)300多種酶，完成體內(nèi)多種代謝過程，并在維持鉀離子平衡方面起著重要的作用.鎂還是能量轉(zhuǎn)運、貯存和利用的關鍵元素，能調(diào)節(jié)RNA和DNA結構.因此，鎂對于調(diào)節(jié)細胞的生長和維持膜結構有重要作用[4].(3)可降解性：鎂具有很低的標準電極電位，在含氯離子的溶液中(如人體體液)易生成鎂離子被周圍機體組織吸收或通過尿液排出體外，因此，鎂可以被人體體液完全降解.(4)力學相容性：常用的硬組織植入材料的物理性質(zhì)與力學性能見表1，由表1可知，鎂合金密度與人的骨密度相當，且具有很高的比強度和比剛度，鎂合金的彈性模量為41～45 GPa，與其它植入材料相比更接近人體骨.

表1 常用硬組織植入材料的物理性質(zhì)與力學性能對比

Table 1 Physical properties and mechanical properties of common hard tissue implant materials in comparison with those of human bone

植入材料密度/(g·cm-3)彈性模量/GPa壓縮強度/MPa斷裂韌性/MPa人體骨1.8～2.13～20130～1803～6鎂合金1.74～1.9041～4565～10015～40鈦合金4.4～4.5110～117758～111755～115鈷-鉻合金8.3～9.2230450～1000—不銹鋼7.9～8.1189～205170～31050～200羥基磷灰石(HA)3.142～103400～9700.7

生物醫(yī)用鎂合金的不足之處：由于鎂的化學性質(zhì)極為活潑(標準電位為-2.37 V)，并且在腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生的氧化膜疏松多孔(PBR=0.8)，導致鎂及鎂合金的耐蝕性較差，尤其是在含Cl-的人體生理環(huán)境中更是如此.鎂合金在人體內(nèi)的腐蝕一般為非均勻腐蝕，降解速度較快，通過合金化、加工工藝、表面改性等方法控制鎂合金在人體中的降解速度對其作為人體植入材料的實際應用至關重要.鎂屬密排六方結構，常溫下塑性和韌性較差，Biotronik公司的鎂合金心血管支架結構有限元模型的分析結果表明，在心血管支架擴張過程中最大應變值達到20%，超過了目前商用鎂合金的最大延伸率.Erinc等人[5]提出了一整套鎂合金作為可降解骨科植入材料的性能標準：(1)在37 ℃模擬體液中的腐蝕速率應小于0.5 mm/a，保證有效服役期在90～180 d；(2)室溫屈服強度高于200 MPa，伸長率大于10%(骨板等內(nèi)固定受力件)；而對于心血管支架材料，則要求更高的塑性與中等強度匹配，如伸長率大于20%，室溫屈服強度高于200 MPa.因此，必須從合金材料的成分設計、塑性加工與成型工藝、微觀組織及析出相分布等方面的綜合調(diào)控，來實現(xiàn)鎂合金降解行為的均勻可控.

1 稀土元素對生物醫(yī)用鎂合金的組織和力學性能的影響

稀土元素(RE)不僅可以提高合金的力學性能，還可以通過改變腐蝕層結構、強化陰極相控制、影響腐蝕的電化學過程，從而提高合金的抗腐蝕性能.Y，Nd及Gd等在鎂中具有較大的極限固溶度，加入這些元素，可以對鎂合金起到很好的固溶強化作用.一般而言，將稀土元素作為合金化元素加入，會促進Mg12RE，Mg3RE和Mg2RE金屬間化合物的形成[6]，這些金屬間化合物使鎂合金電偶腐蝕過程中陰極性減弱，降低了鎂合金的微電偶腐蝕[7].稀土元素的存在也改善了表面膜和腐蝕層的結構和組成，抑制了腐蝕的進行.稀土鎂合金主要分為：Mg-Al-RE系、Mg-RE-Zr系、Mg-Y-RE系、Mg-Sc、Mg-Gd、Mg-Dy及Mg-Sm系等.目前，歐洲已進入人體臨床研究的心血管支架是以稀土鎂合金WE43為基礎進行開發(fā)的[8]，國內(nèi)開發(fā)的稀土鎂合金有Mg-Zn-RE(Y[9]、Gd[10]、Dy)、JDBM[11]及Mg-Zn-Ca-RE等多個系列.

Yang等人[12-13]系統(tǒng)地研究了Mg-xDy(x=5，10，15，20)合金的力學性能和耐腐蝕性能.研究結果表明，Mg-10Dy具有中等拉伸和壓縮屈服強度，并具有良好的塑性和耐腐蝕性.經(jīng)固溶處理可使Dy在鎂合金中的分布更加均勻，降低拉伸和壓縮屈服強度，而塑性保持不變，并可極大地提高合金的耐腐蝕性能.在200 ℃下時效處理后，合金的屈服強度明顯增強，塑性下降，生成的β′納米相粒子可以增強合金的耐蝕性.

Hort等人[10]從Mg-RE二元合金出發(fā)，系統(tǒng)地研究了稀土元素的添加量與合金的微觀組織和力學性能的關系，結果表明，由于Gd在鎂合金中有很大的溶解度，添加Gd可對合金產(chǎn)生很好的固溶強化效果和可熱處理性.隨著Gd元素添加量的增加，固溶強化對合金強度的貢獻顯著增強.此外，在凝固和熱處理過程中所形成的金屬間化合物粒子對合金的力學性能也有一定程度的影響.

Castellani等人[14]研究了可降解的Mg-Y-Nd-HRE鎂合金在動物體內(nèi)骨/植入體界面的結合強度，評價了可降解鎂合金在生物體內(nèi)的固定效果.研究發(fā)現(xiàn)，在每個時間點(4～24周)，可降解鎂合金植入體的最大拔出力、剪切強度等指標均優(yōu)于鈦合金植入體，CT掃描顯示，鎂合金周圍有更多的骨組織與植入體結合，且沒有發(fā)現(xiàn)排異反應，這說明可降解鎂合金比鈦合金具有更好的骨/植入體界面結合強度及成骨能力.

2 稀土生物醫(yī)用鎂合金的可降解性能

生物鎂合金作為可降解的硬組織修復植入體，在植入人體后，至少需要穩(wěn)定存在十二周以上，讓組織有充分的時間進行生長和愈合.由于鎂的標準電位較低，化學性質(zhì)活潑，表面形成的氧化物膜疏松多孔，不能對基體形成有效保護.根據(jù)PB(Pilling-Bedworth)原理，氧化過程中形成的氧化物膜的體積VMO(Volume Metal Oxide)大于生成這些氧化物膜所消耗的金屬的體積VM時，生成的氧化物膜對基體金屬才具有保護作用，而鎂合金表面形成的氧化物膜(MgO)的PB比為0.84<1，因此，不能形成有效穩(wěn)定的保護膜.

人體的體液是由有機酸、金屬離子、陰離子以及蛋白質(zhì)、酶和細胞等構成的復雜的電解質(zhì)環(huán)境，pH值7.35～7.45，溫度37 ℃[15].由于鎂的標準電極電位極低(-2.37 V)，因此，很容易在這種電解質(zhì)環(huán)境中發(fā)生電化學腐蝕，主要的電化學反應過程有[16]：

(1)

陽極反應：

(2)

陰極反應：

(3)

腐蝕產(chǎn)物形成：

(4)

(5)

Witte[3]以聚乳酸為對照，考察了AZ31，AZ91，WE43以及自行開發(fā)的含4%Al，4%Li和2%RE(稀土的組成為51%Ce+22%La+16%Nd+8%Pu)的LAE442鎂合金在動物體內(nèi)的腐蝕行為和成骨反應.實驗結果表明，所有埋植在豚鼠股骨髓內(nèi)的鎂合金棒都發(fā)生了生物降解反應.術后一周在鎂合金棒周圍觀察到了皮下氣泡，這些氣泡在接下來的2～3周內(nèi)逐漸消失，未觀察到氣泡對豚鼠有不利影響.實驗觀察到鎂合金腐蝕層富含Ca和P，并與周圍的骨組織直接接觸.與參照組聚乳酸相比，鎂合金棒周圍呈現(xiàn)高的礦化附著速率和骨重量增加，將結果進行三維重構，發(fā)現(xiàn)18周后AZ91D合金基本降解，LAE442合金則保持較完整的外形.

Zhao等人[9]制備了Mg-Zn-Y-Zr合金，該合金中含有長周期有序結構組成相(LPSO).研究了LPSO的體積分數(shù)對其腐蝕速率的影響，發(fā)現(xiàn)高含量LPSO將加速腐蝕過程.作者提出了一種衡量降解速率的指標，即降解半衰期t0.5，降解半衰期t0.5提供了一種定量比較各種合金降解速率的可行參數(shù).對于局部腐蝕而言，t0.5可用來衡量腐蝕電位和點蝕電位.與商業(yè)化的AZ31，WE43，ZK60和ZX60合金相比，Mg96.83Zn1Y2Zr0.17合金具有良好的力學性能，低的降解速率和良好的生物相容性.

3 稀土生物醫(yī)用鎂合金的表面改性

對鎂及鎂合金進行表面改性處理是使鎂合金能夠得到廣泛應用最有力的方法.對鎂及鎂合金的表面處理主要是采用物理或化學方法在基體表面生成具有較強耐蝕性能的膜層而對基體加以防腐保護，從而達到提高和改善其耐蝕性能的目的.目前，已開發(fā)的鎂合金表面處理方法較多，其中包括化學轉(zhuǎn)化膜(通過發(fā)生化學反應或電化學反應，使基體金屬的陽離子與溶液中的陰離子或原子結合，在金屬表面形成一層薄膜)、堿熱處理、陽極氧化(在適當?shù)碾娊赓|(zhì)溶液中，以待處理的金屬為陽極，以不銹鋼、鐵、鉻、鎳或?qū)щ娦匀芤罕旧頌殛帢O，在一定的電壓和電流條件下，使陽極表面發(fā)生氧化，在金屬表面獲得陽極氧化膜層)、微弧氧化(在陽極氧化技術的基礎上發(fā)展起來的表面陶瓷化技術，其實質(zhì)是一種高電壓氧化技術)和離子注入等.研究表明，通過在鎂合金表面構筑生物活性涂層，不僅能提高其生物相容性，促使植入體與骨組織間形成直接的化學鍵結合，有利于植入體盡早穩(wěn)定，縮短術后愈合期，而且可以延緩基體在體液中的腐蝕和降解速率.使用的涂層材料主要是生物活性陶瓷，也可以是生物活性聚合物，目前的研究主要集中在磷酸鈣基生物陶瓷涂層上.

宗陽[11]采用微弧氧化和電脈沖化學沉積對Mg-3.0Nd-0.2Zn-0.4Zr(JDBM)鎂合金進行表面改性，結果表明：經(jīng)過電化學沉積羥基磷灰石(HA)涂層后的JDBM合金比未經(jīng)表面處理的樣品在模擬體液中的耐蝕性有了很大的提高.腐蝕產(chǎn)物以生物相容性較好的鈣磷鹽為主，表明涂層確實有良好的生物誘導作用.溶血實驗結果表明，HA涂層能有效地提高JDBM合金的血液相容性.經(jīng)過微弧氧化表面改性后的JDBM在Hank’s液中的耐蝕性能得到了一定的提高.但是由于微弧氧化涂層是多孔結構，不能有效地隔斷JDBM基材與外部的腐蝕介質(zhì)，只有通過在腐蝕介質(zhì)中的初步腐蝕使微孔閉合，才能有效地提高試樣在Hank’s液的耐腐蝕性能.F.Witte等人[20]研究了擠壓態(tài)LAE442鎂合金的裸合金及表面覆蓋MgF2涂層的LAE442鎂合金的體外降解速率.研究結果表明，MgF2涂層可有效降低鎂合金的腐蝕速率，相鄰骨骼中氟濃度沒有升高，且沒有皮下氣泡出現(xiàn)，植入體與骨組織直接接觸，無纖維膠囊，顯示了MgF2涂層良好的耐蝕性和生物相容性.通過伽馬射線檢測發(fā)現(xiàn)，4周后MgF2涂層完全降解，6周后血液中合金元素含量減少.Rudd等人[21]采用Ce，La，Pr的硝酸鹽對純鎂及WE43鎂合金進行化學處理，在表面制備出稀土轉(zhuǎn)化膜.將處理過的純鎂與WE43鎂合金在pH=8.5的硼酸溶液中進行動態(tài)極化測試.結果表明，在Ce(NO3)3中處理5 min后的純鎂，陽極電流密度降低近100倍.在膜層浸泡實驗的初期階段腐蝕呈加劇的趨勢，實驗時間延長到10 h時，膜層的抗腐蝕性能提高了3倍.

4 結 語

可降解生物醫(yī)用鎂合金具有比強度和比剛度高以及與人體相匹配的力學性能特點，作為現(xiàn)有金屬植入材料的替代品表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢和潛力，正成為生物醫(yī)用材料研究的熱點，引起了國內(nèi)外同行們的廣泛關注.由于人體環(huán)境的復雜性，不同的人體環(huán)境(如骨組織與心血管)對鎂合金的要求不同，對生物醫(yī)用鎂合金材料各項性能的要求較高.此外，生物醫(yī)用鎂合金在人體內(nèi)的降解速度以及降解過程中力學性能的動態(tài)變化均有待進一步深入研究，均勻腐蝕將有利于降解的可預期性，降解產(chǎn)物(磷化物、碳化物)對人體的影響也需深入探討.隨著研究的逐步深入，鎂及鎂合金作為生物醫(yī)學植入材料在臨床上將會得到更廣泛的應用.

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Progress in rare earth Mg alloys for biomedical materials field

FENG Xiaowei1，2， LI Xiaohui2， QI Wenjun2， LI Zhicheng1

1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering，CentralSouthUniversity，Changsha410083，China； 2.GuangdongGeneralResearchInstituteforIndustrialTechnology(GuangzhouResearchInstituteofNon-ferrousMetals)，Guangzhou510650，China

Recent years has witnessed worldwide researchers’ great attention to Mg alloys， due to their excellent properties， such as biodegradation and good biocompatibility as well as density and elastic modulus comparable to those of human bone. The paper is a review of effect of rare earth (RE) elements addition on mechanical properties and corrosion behavior of Mg alloys， with an introduction to the degradation characteristics of and surface treatments for biomedical Mg alloys. Finally， an outlook for application prospects and direction of the biodegradable biomedical Mg alloys is shown.

biomedical Mg alloys； biodegradation； biocompatibility； rare earth elements

2014-08-19

廣東省中國科學院全面戰(zhàn)略合作項目(2011A090100004)；廣東省產(chǎn)學研重大項目(2010A090200078)；天河區(qū)科技攻關項目(201406YG069)

馮曉偉(1990-)，男，山東濰坊人，碩士研究生.

1673-9981(2015)01-0001-05

TG146.22

A