含Sr生物鎂合金在模擬體液中的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探索

李夢君 宋述鵬 萬天

摘 要：對生物鎂合金的部分研究現(xiàn)狀及進(jìn)展進(jìn)行闡述，介紹了模擬體液中含Sr生物鎂合金材料腐蝕的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果。

關(guān)鍵詞：生物鎂合金；模擬體液；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

中圖分類號：O614.22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0037-02

Abstract： In this paper， the current situation and progress of some research on biological magnesium alloys are described， and the innovative experimental process and results of university students' corrosion simulation of Sr-containing biological magnesium alloy materials in body fluid are introduced.

Keywords： biological magnesium alloy； simulated body fluid； innovative experiment

1 國內(nèi)外生物鎂合金的研究現(xiàn)狀

生物鎂合金作為可降解醫(yī)用材料被譽(yù)為新一代生物醫(yī)用材料。鎂是一種對人體溫和的元素，具有很好的可吸收性、生物相容性和機(jī)械性能，較陶瓷和高分子材料又有很好的力學(xué)性能，在骨科植入中，具有與骨接近的密度和彈性模量，以致不引起應(yīng)力遮擋，生物鎂合金還具有可控的腐蝕速率，在心血管植入和骨修復(fù)上有很好的應(yīng)用前景。目前研究的鎂合金主要包括WE43、AZ31、Mg-Ca、Mg-Zn-Ca等。與此同時(shí)生物鎂合金有存在以腐蝕速率過快，機(jī)械強(qiáng)度不夠?yàn)橹鞯膯栴}[1]。最先廣泛用于臨床治療的金、銀、鉑等貴金屬，具有良好的穩(wěn)定性和加工性能，但因其價(jià)格較貴，廣泛應(yīng)用受到限制。鉭、鈮、鋯，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，氧化物基本上不被吸收和不呈現(xiàn)毒性反應(yīng)，可以與其他金屬結(jié)合使用而不破壞其表面的氧化膜。并且表現(xiàn)出良好的生物相容性，但也因其價(jià)格較貴，應(yīng)用受限。而Sr可以起到細(xì)化晶粒的作用，從而提高材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，因而受到廣泛關(guān)注。

2 高強(qiáng)度生物支架的研究新進(jìn)展

由于表面涂層技術(shù)的發(fā)展，目前介入用血管支架各類藥物涂層技術(shù)較從前已經(jīng)獲得長足的進(jìn)步，涂層支架的臨床使用數(shù)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了裸支架，但遠(yuǎn)期療效仍有待繼續(xù)驗(yàn)證。無論何種藥物涂層支架，當(dāng)其被植入生物體內(nèi)一段時(shí)間后，表面攜帶的功能藥物涂層都會(huì)被生物體逐漸吸收而最終露出裸支架，因此并不能徹底改善現(xiàn)有支架所存在的諸多問題。因此，生物可降解支架應(yīng)運(yùn)而生，由于其具有獨(dú)特的可降解性，隨著植入時(shí)間的延長而逐漸在生物體內(nèi)被完全降解，最終代謝出體外，同時(shí)，血管自有的部分原始功能也得到一定恢復(fù)，如同從未被植入過支架一般，因此生物可降解鎂合金的性能優(yōu)勢尤為突出。

新一代生物可降解鎂合金支架是有93%的鎂和7%的稀有金屬元素組成的合金制成。鎂合金可降解支架的機(jī)械特性類似于不銹鋼金屬支架，具有低彈性回縮、高爆破壓，和支架膨脹后最小程度回縮的性能。例如，德國Biotronik公司在WE43鎂合金的基礎(chǔ)上開發(fā)了一系列的血管支架。首先將AMS-1鎂合金裸支架植入豬的冠狀動(dòng)脈中，研究支架在動(dòng)物體內(nèi)的安全性和有效性，然后植入人下肢動(dòng)脈閉塞患者膝下動(dòng)脈，最后用于冠心病患者臨床實(shí)驗(yàn)。Biotronik公司開展了不少于3種鎂合金全降解支架的動(dòng)物及臨床實(shí)驗(yàn)[2]。

最近，高強(qiáng)度生物可吸收的聚合物基復(fù)合生物支架取得新進(jìn)展。美國某生物醫(yī)藥公司的科研團(tuán)隊(duì)與哈佛大學(xué)及麻省理工學(xué)院的研究人員合作[3]。研究發(fā)現(xiàn)，從聚乙醇酸衍生物出發(fā)，經(jīng)編織后用乙交酯-己內(nèi)酯共聚物覆蓋其表面，再通過交聯(lián)形成復(fù)合生物支架。體系具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度是因?yàn)楦采w在高強(qiáng)度衍生物表面的高彈性橡膠的存在，而且經(jīng)橡膠包覆后的復(fù)合生物支架在力學(xué)測試中表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，尤其在拉伸性能方面能與金屬復(fù)合生物支架相當(dāng)。

3 生物鎂合金的應(yīng)用優(yōu)勢

首先，生物鎂合金可以作為骨內(nèi)植入材料，由于生物相容性較高，可以加快骨組織的愈合能力。并且生物鎂合金有與人體骨骼相適應(yīng)的力學(xué)性能，不會(huì)引起應(yīng)力遮擋，從而導(dǎo)致新生骨再次骨折等二次傷害。

其次，生物可降解鎂合金也可以作為心血管支架材料，只是一種暫時(shí)性的支架，當(dāng)患者血管自身舒縮性能得以恢復(fù)之后，便可自然由身體吸收，可以避免尚存的由于金屬材料殘留所造成的麻煩和二次手術(shù)取出的傷害，可以減少血管內(nèi)增生、晚期血栓等問題。

再次，跟傳統(tǒng)鋼架及其他類型醫(yī)用植入材料相比，新型的植入材料鎂合金具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：生物相容性好，是神經(jīng)系統(tǒng)所必不可缺的元素，許多的病例狀況都與它的缺乏有關(guān)系，鎂元素也是新陳代謝的人體必要元素。鎂還是人體骨骼生長的必要元素，它能促進(jìn)新骨的增長?？山到庑?，鎂合金在人體內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物人體可以通過自身生成代謝排除體外，從而不對人體產(chǎn)生有害影響。

4 含Sr生物鎂合金的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探索

我國人口結(jié)構(gòu)逐漸老齡化，同時(shí)隨著生活水平的提高，冠心病和車禍骨折老年患者也越來越多，從而對血管支架及骨骼固定材料的需求也越來越多。但是，現(xiàn)有的醫(yī)用材料性能不太完善，但是，研究人員發(fā)現(xiàn)含Sr生物鎂合金通過改變成分配比來提高合金的比剛度、比強(qiáng)度和耐蝕性，可以提高生物鎂合金材料的綜合力學(xué)性能并同時(shí)具有好的耐蝕性性能。

鎂合金在含Cl離子環(huán)境中腐蝕速度很快。純鎂在人體內(nèi)的腐蝕速度很快，所以想要控制鎂在人體內(nèi)的腐蝕速度，就必須對鎂進(jìn)行處理，其中主要辦法有：添加合金元素、改善加工工藝、表面處理及改性。元素合金化是目前常用的鎂合金強(qiáng)化方法，現(xiàn)如今的商業(yè)用鎂合金的耐蝕性及力學(xué)性能還達(dá)不到作為合格的醫(yī)用植入材料的程度，例如，心血管支架必須增強(qiáng)延展性和耐蝕性。無論如何，當(dāng)添加了其他元素之后，當(dāng)植入材料在人體內(nèi)進(jìn)行工作時(shí)，合金元素固然會(huì)隨之進(jìn)入人體內(nèi)，所以得添加一些對人體無害的元素。因此，研究添加合適元素也具有重大意義。對于在生物鎂合金中添加Sr元素：Sr能夠維護(hù)骨骼健康，增強(qiáng)骨強(qiáng)度和骨密度。Sr可以在一定程度上防備患上高血壓和心血管病癥，并能激發(fā)肌肉神經(jīng)的對外界事物的興奮度。缺鍶會(huì)導(dǎo)致齲齒以及骨質(zhì)疏松，影響身體健康。本文重點(diǎn)介紹了Sr加入到Mg-Zn系生物可降解鎂合金的性能特點(diǎn)以及其中突出的問題。

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)選取了Sr元素作為鎂的合金化元素。Sr是生物營養(yǎng)元素和骨組織的組成元素，具有良好的生物相容性。添加少量的合金元素能極大的改善鎂合金的性能，實(shí)驗(yàn)材料選取了在鎂合金里，Sr的含量范圍為0～1.1Wt%，作為成分的變量，來研究Sr成分的改變對鎂合金性能的影響，余量為Mg。其中，選取Sr的含量為0、0.1、0.3、0.5、0.8、1.1Wt%，從而研究合金性能隨添加合金含量的變化規(guī)律，選出一個(gè)最佳的鎂合金成分。熔煉合金所使用的原材料為純Mg、Mg-25%Nd中間合金、Mg-20%Sr中間合金、Mg-20%Ca中間合金和Mg-30%Zr中間合金。此外，熔煉過程中所選擇鎂覆蓋劑為常用的RJ-II型鎂覆蓋劑，用來隔絕空氣，防止鎂液面的煙花燃燒。熔劑主要由MgCl2、NaCl和KCl組成。MgCl2能在高溫下與空氣中的氧氣和水反應(yīng)，生成保護(hù)氣氛，防止鎂液的氧化，且MgCl2能與MgO形成MgCl2-MgO，有較強(qiáng)的去氧化物夾雜的作用；KCl有降低熔劑表面黏度和張力的作用；而NaCl可以調(diào)節(jié)熔劑的密度和熔點(diǎn)。在RJ-II型熔劑里，除了主要的氯化物組成，還輔助添加了BaCl2、CaF2、CaCl2和MgO等。

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)采用高頻感應(yīng)加熱法熔煉鎂合金。高頻感應(yīng)加熱的原理是通過在線圈中輸入高頻交流電（10kHZ以上），產(chǎn)生交變磁場，而在金屬表面產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電流，可以使表面的溫度急劇增加，產(chǎn)生“集膚效應(yīng)”，使熔煉合金原材料迅速的融化，實(shí)現(xiàn)快速熔煉，減少耗損，且在高溫下磁場對金屬液會(huì)有渦流攪拌作用，使合金的成分更加均勻，晶粒細(xì)小，并減少合金熔煉過程中的雜質(zhì)。熔煉設(shè)備為長江精工出廠的型號為GP-28E的高頻感應(yīng)爐，其它需用到精度為0.01g的電子天平，口徑25mm、長150mm的石英管，試管夾，藥匙，稱量紙等實(shí)驗(yàn)用品。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著Sr含量的增加，Mg-2.4Nd-0.3Zr的顯微結(jié)構(gòu)都是先變小后變大，在Sr含量為0.5Wt%時(shí)，合金的晶粒尺寸最小且均勻。

參考文獻(xiàn)：

[1]Zhao C， Pan F， Zhang L， et al. Microstructure， mechanical properties， bio-corrosion properties and cytotoxicity of as-extruded Mg-Sr alloys[J]. Materials Science and Engineering： C， 2017，70：1081-1088.

[2]Campos C M， Muramatsu T， Iqbal J， et al. Bioresorbable drug-eluting magnesium-alloy scaffold for treatment of coronary artery disease[J]. Int. J. Mol. Sci.， 2013，14：24492.

[3]U Sharma，D Concagh，L Core，Y Kuang， et al. The development of bio-resorbable composite polymeric implants with high mechanical strength[J]. Nature Materials， 2018，17（1）：96-103.