純鎂含鋅微弧氧化生物涂層的臨床應(yīng)用可行性研究

王 哲，于婷婷，劉亞琪

（佳木斯大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，黑龍江 佳木斯 154002）

純鎂含鋅微弧氧化生物涂層的臨床應(yīng)用可行性研究

王 哲，于婷婷*，劉亞琪

（佳木斯大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，黑龍江 佳木斯 154002）

鎂基金屬材料具有生物可降解性和極其良好的生物活性。在純鎂金屬表面通過超聲微弧氧化、堿熱處理以及鍍鋅技術(shù)制備表面含鋅生物涂層，綜合了超聲微弧氧化技術(shù)及金屬鋅的生物學(xué)作用和抗菌作用，提高純鎂表面的抗菌性，即可緩解鎂基材料降解過快又可預(yù)防植入前期的感染問題。開發(fā)抗菌性良好、生物活性及降解速度可人為調(diào)控的新型醫(yī)用鎂合金骨內(nèi)固定材料具有很大的臨床應(yīng)用價(jià)值。本文評述了醫(yī)用鎂合金的研究歷史、優(yōu)勢與現(xiàn)存的問題，超聲微弧氧化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與鋅元素特性，為純鎂含鋅微弧氧化生物涂層應(yīng)用于臨床的理論可行性提供參考依據(jù)。

生物涂層；微弧氧化；鎂基金屬

隨著醫(yī)療科技的進(jìn)步、生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，生物醫(yī)用材料已成為研究熱點(diǎn)，其中醫(yī)用金屬材料極早便應(yīng)用于臨床中。與其他生物材料相比較，因其具有極高的機(jī)械強(qiáng)度，優(yōu)良的抗疲勞性，成為臨床用于修復(fù)、替換并承擔(dān)極高支撐作用的人體硬組織首選材料。目前應(yīng)用于臨床的醫(yī)用金屬材料多為生物惰性材料[1]，它們具有優(yōu)異的抗腐蝕性，但同時(shí)也存在一些弊端，如因摩擦而產(chǎn)生有毒因子，可產(chǎn)生局部炎癥和過敏反應(yīng)，此外，由于其不可降解的生物特性，臨床中只需短期植入需要二次手術(shù)取出，不僅增加了患者的痛苦也增加了醫(yī)療成本和感染風(fēng)險(xiǎn)[2]。為滿足當(dāng)今醫(yī)療情況的需要，各界研究人員正在尋找可暫存于體內(nèi)，并可逐漸降解，最終完全降解并為人體吸收的植入材料。因此，可降解金屬材料應(yīng)運(yùn)而生，其中鎂由于具有極為優(yōu)異生物相容性，力學(xué)相容性和可降解性，受到極為廣泛的關(guān)注。

1 國內(nèi)外鎂合金研究歷史及進(jìn)展

1907年就已經(jīng)有關(guān)于可降解鎂合金的相關(guān)報(bào)道，Lambotte A將鍍金鋼釘和鎂板用于骨折治療，但手術(shù)因鎂板的過快腐蝕致使材料失效而以失敗告終。Zartner等曾在一女嬰體內(nèi)植入直徑約為3mm的鎂合金支架，有效治療了其左肺動脈栓塞。Dyugulu在羊的骨髓中植入鎂合金AZ31制成骨釘，成功證實(shí)了鎂合金具有誘導(dǎo)骨生成的特性。Denkena等在研究中發(fā)現(xiàn)，AZ91合金除耐腐蝕性不符合臨床應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)外，其生物相容性及機(jī)械力學(xué)性能均能滿足臨床要求。

國內(nèi)對于鎂合金材料的研究起步較晚，但也取得了一定的成果。張佳等的研究發(fā)現(xiàn)高純Mg和Mg-Nd-Zn-Zr鎂合金在模擬人體體液環(huán)境下平均降解速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于AZ91D，發(fā)生的降解反應(yīng)的類型也不相同。且測定后Mg-Nd-Zn-Zr鎂合金可以滿足生物醫(yī)用材料的力學(xué)性能要求。高家誠和Li觀察發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱處理和堿處理的純鎂表面會形成一層致密的氧化物薄膜，隨后進(jìn)行了模擬人體體液環(huán)境下的測試，發(fā)現(xiàn)致密氧化物薄膜可以明顯地提高鎂金屬的耐腐蝕性。宋光玲等將鎂與各種金元素制作的鎂合金置于模擬人體體液的環(huán)境下，并發(fā)現(xiàn)含有鋅和少量錳元素的鎂合金抗腐蝕性較強(qiáng)，可充當(dāng)較理想的生物醫(yī)用材料。

2 醫(yī)用鎂金屬的優(yōu)勢與現(xiàn)存的問題

2.1 醫(yī)用鎂金屬的優(yōu)勢

2.1.1 良好的的物理性能

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，鎂的熔點(diǎn)為649℃，沸點(diǎn)為1090℃。純鎂屬輕金屬，具有良好的導(dǎo)熱性能[3]及極強(qiáng)的加工性能。

2.1.2 良好的生物相容性

鎂元素大量存在于人體內(nèi)，其含量僅次于鉀、鈉、鈣元素[3]。且鎂元素廣泛參與人體的代謝反應(yīng)。

2.1.3 良好的力學(xué)相容性

鎂以及其合金擁有極高的比剛度和比強(qiáng)度，密度約為1.74～2.0g/cm3左右，極為接近人體皮質(zhì)骨的密度（1.8～2.1g/cm3）[4]，可患者更易適應(yīng)植入體，減少患者負(fù)擔(dān)。鎂元素的彈性模量約為41～45GPa，僅為鈦合金的50%，更為接近人骨組織的彈性模度。

2.1.4 良好的可降解性

鎂元素的標(biāo)準(zhǔn)電位很低，在人體體液環(huán)境下極易發(fā)生降解 ，過量的鎂元素可以隨尿液排出，不會使血清中的鎂元素過高而引起中毒反應(yīng)[5]。

2.2 醫(yī)用鎂金屬的不足

鎂基金屬材料電化學(xué)活性活潑，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕、電偶腐蝕、疲勞腐蝕且無法生成保護(hù)性氧化膜[6]，特別是體內(nèi)存在大量的氯離子會與鎂發(fā)生反應(yīng)加速其降解，使其在植入機(jī)體后迅速發(fā)生腐蝕反應(yīng)，在機(jī)體痊愈前就受損嚴(yán)重，極大損害植入體的力學(xué)性能和穩(wěn)定，釋放的氫氣在機(jī)體來不及擴(kuò)散而囤積于種植體周圍，形成氣泡，會在一定程度影響鎂植入體周圍組織的生理機(jī)能和植入部位的治療[7]。

正是由于鎂合金較快的降解速度以及因此導(dǎo)致的一系列并發(fā)問題，影響了鎂合金在臨床上的應(yīng)用，也使鎂合金的進(jìn)一步研究成為必然趨勢。

3 微弧氧化技術(shù)的研究現(xiàn)狀

微弧氧化技術(shù)是一種在鈦、鎂、鋁及其合金表面經(jīng)高溫高壓處理，原位生長以基體金屬氧化物為主的均勻致密的高硬度陶瓷膜的新型技術(shù)。該技術(shù)生成的陶瓷膜層具有許多優(yōu)勢：優(yōu)異的耐磨性能、硬度極高（可達(dá)1000～2000HV）、抗腐蝕性、膜基結(jié)合力強(qiáng)以及不含有毒物質(zhì)，對人體無害等[8]。純鎂表面通過超聲微弧氧化涂層表面由于微弧氧化過程中放電和大量氣體外逸，形成疏松多孔表面結(jié)構(gòu)，可為口腔植入材料[9]植入后與成骨細(xì)胞的結(jié)合提供有利空間，利于骨組織朝孔內(nèi)生長，促進(jìn)骨生成[10]。因此近年來得到極為廣泛的應(yīng)用。

4 鋅元素的抗菌性

自然界中的許多種金屬及其釋放的離子都具有一定的抑制乃至滅殺微生物的能力，但經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)這些金屬或離子中的大多數(shù)都對人體有害，目前臨床上應(yīng)用較為廣泛的抗菌金屬多為銅、銀、鋅三種。其中鋅元素具有優(yōu)異的抗菌性， Hanke最先于1949年發(fā)現(xiàn)鋅具有抗牙菌斑的能力。Steinman等人通過實(shí)驗(yàn)證明，將一定量的鋅離子添加到漱口液當(dāng)中可以提高抑菌能力、減少牙菌斑的形成[11]。有研究表明，鋅離子及其鍍層均對成骨細(xì)胞的粘附及增殖起到了重要的作用。也就是說，鋅不僅具有抗菌性，也具有一定促進(jìn)成骨的能力。

5 純鎂含鋅微弧氧化生物涂層的臨床實(shí)用性討論

綜上所述，在鎂基金屬材料研究還不成熟的前提下，超聲微弧氧化和堿熱處理及化學(xué)鍍鋅技術(shù)在純鎂表面制備出表面含鋅元素的抗菌生物涂層，極具研究價(jià)值。

純鎂含鋅微弧氧化生物涂層可充分發(fā)揮純鎂上述的可降解性和生物相容性，使植入體在體內(nèi)降解吸收，不需二次手術(shù)取出，減少患者的痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。且純鎂經(jīng)堿熱處理后，在純鎂表面形成的氧化物薄膜可延緩純鎂植入體在人體體液環(huán)境下腐蝕速度，增強(qiáng)耐腐蝕性，可部分解決鎂植入體腐蝕過快的問題。其表面含有的鋅元素的鍍層，可發(fā)揮其抗菌性能，增加植入體的抗菌性，降低局部感染的發(fā)生的可能性，也可發(fā)揮其促進(jìn)成骨的能力，加快骨愈合速度。純鎂含鋅微弧氧化生物涂層所應(yīng)用的微弧氧化技術(shù)也可適當(dāng)增強(qiáng)植入體的耐磨性和機(jī)械強(qiáng)度。這些技術(shù)的結(jié)合將大大改善鎂金屬的易磨耗，降解過快的不足，增加純鎂大范圍應(yīng)用于臨床的可能性，將有不可估量的醫(yī)學(xué)前景。

[1] 鄭玉峰,吳遠(yuǎn)浩.處于變革中的醫(yī)用金屬材料[J].金屬學(xué)報(bào),2017,53(3):257-297.

[2] 劉 辰,骨植入用新型可降解鎂金屬材料設(shè)計(jì)及生物醫(yī)學(xué)功能研究[D].南京:南京理工大學(xué)2016:1-129.

[3] 李 濤,張海龍,何 勇,等.生物醫(yī)用鎂合金研究進(jìn)展[J].功能材料2013,20(44):2913-2918.

[4] 王建利,馬 斌,張 楠,等.生物可降解醫(yī)用鎂合金研究進(jìn)展[J].熱加工工藝.2015,44:5-11.

[5] 馮曉偉,黎小輝,戚文軍,等.稀土鎂合金在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].材料研究與應(yīng)用,2015,9(1):1-5.

[6] 趙 虹,劉西偉,候理達(dá),等.醫(yī)用鎂合金生物降解行為研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)A:綜述篇,2013,27(10):78-85.

[7] 張 曉,梁敏潔,廖海洪,等.生物醫(yī)用鎂合金腐蝕與防護(hù)的進(jìn)展研究[J].熱加工工藝,2014,43(8):9-12.

[8] 王軍華.微弧氧化工藝及其成膜機(jī)理研究[D].佳木斯:佳木斯大學(xué),2014:1-78.

[9] 李小康.抗感染金屬植入物的設(shè)計(jì)制備及其抗感染效果研究[D].第四軍醫(yī)大學(xué),2013.

[10] 王 湛,楊 軍,李建軍.新型骨科植入物鎂合金材料抗菌性能的體外實(shí)驗(yàn)研究[J/OL].中國醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2014,43(12):1142-1144.

[11] 孫千月,梁 丹,郭天奇,等.納米鋅抗菌機(jī)理的研究進(jìn)展[J].口腔醫(yī)學(xué)研究,2015,31(2):195-197.

Feasibility study on the clinical application of pure magnesium zinc containing microarc oxidation biological coating

WANG Zhe, YU Ting-ting *, LIU Ya-qi

(Jiamusi university dental hospital, Heilongjiang jiamusi 154002,China)

Magnesium based metal materials have biodegradability and extremely good biological activity.The surface Zn coating was prepared on the surface of pure magnesium by ultrasonic micro arc oxidation, alkali heat treatment and zinc plating，it combined ultrasonic micro arc oxidation technology with zinc metal of biological function and antibacterial actionand improving the surface antibacterial property of pure magnesium，alleviating the degradation of magnesium based materials and prevent the infection in the early stage of implantation.It is of great clinical value to develop a new type of medical magnesium alloy bone internal fixation material with good antibacterial activity, biological activity and degradation speed regulated.This paper reviews the research history,advantages and existing problems of magnesium alloy, zinc element advantages and characteristics of micro arc oxidation technology of ultrasonic and then providing reference basis for clinical feasibility of micro arc oxidation coating of zinc in pure magnesium.

Biological coating; Micro arc oxidation; Magnesium based metal

R33

B

ISSN.2095-8803.2017.26.128.02

佳木斯大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（xsyd2016-09）

王哲（1994-），男，漢族，吉林舒蘭市人。通訊作者：于婷婷，E-mail：59818634@qq.com