醫(yī)用鎂合金合金化與表面處理的研究現(xiàn)狀

原嘯虎，孫金娥，王舒云，聶佳璇，程佳浩，王姣瑛，柏興盛

（北京科技大學(xué)天津?qū)W院，天津 301800）

傳統(tǒng)醫(yī)用植入材料主要分為惰性醫(yī)用金屬材料和可降解高分子材料，惰性金屬材料在人體生理環(huán)境中不可降解，為永久性植入材料，必需二次手術(shù)取出，而高分子材料的降解會引起局部炎癥反應(yīng)，造成植入失敗，而鎂合金作為新型醫(yī)用材料，因其具有良好的體內(nèi)可降解性和生物兼容性，以及與人體骨組織匹配的力學(xué)性能等特點，受到了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。因此，本文重點闡述了國內(nèi)外研究學(xué)者通過合金化與表面處理的方法來改善生物可降解鎂合金的耐腐蝕性能的研究情況。

1 醫(yī)用鋁鎂合金的性質(zhì)及問題分析

1.1 生物醫(yī)用鎂合金的優(yōu)點

與傳統(tǒng)的醫(yī)用植入材料相比，鎂合金兼并了生物兼容性、可降解性和良好的力學(xué)性能等優(yōu)勢。在體內(nèi)降解方面，由于鎂的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕電位僅為-2.372V，在正常人體生理環(huán)境下，鎂合金可以腐蝕方式實現(xiàn)完全降解[2,3]；在生物兼容性方面，Mg元素作為人體必需的元素之一，它可促進人體內(nèi)一系列的酶系參與所有能量代謝，當(dāng)人體中的鎂高于人體所需時，可通過泌尿系統(tǒng)將其排除，使得血漿的Mg濃度保持穩(wěn)定[4]。鎂作為植入材料，和其他醫(yī)用金屬材料的力學(xué)性能對比如表1所示，與其他醫(yī)用植入材料相比，其性能指標(biāo)是最接近人體骨骼的力學(xué)性能。

1.2 生物醫(yī)用鎂合金的現(xiàn)存問題

鎂合金是一種非常活潑的材料，在人體介質(zhì)中容易發(fā)生局部腐蝕，應(yīng)力的不均勻分布會使材料多處出現(xiàn)不均勻腐蝕，從而導(dǎo)致在患者未痊愈時而體內(nèi)植入材料卻已降解完全，最終造成植入失敗。因此改善鎂合金的耐腐蝕性能獲得更為均勻的腐蝕，是鎂合金作為醫(yī)用可降解材料進行臨床應(yīng)用的關(guān)鍵[5，6]。當(dāng)前，對于醫(yī)用鎂合金的研發(fā)還主要集中在傳統(tǒng)的商用鎂合金，由于傳統(tǒng)鎂合金在制造時并未考慮生物兼容性的問題，可能會導(dǎo)致植入人體后產(chǎn)生排異反應(yīng)，因此，研發(fā)新型高性能醫(yī)用鎂合金也是目前所面臨的挑戰(zhàn)[7]。

2 生物醫(yī)用鎂合金材料的研究現(xiàn)狀

鎂合金作為新型醫(yī)用金屬材料，巧妙地結(jié)合了傳統(tǒng)醫(yī)用材料的優(yōu)點，但由于鎂合金在體內(nèi)的腐蝕速率過快，降解行為難以控制，現(xiàn)在還無法達到醫(yī)用降解材料的臨床應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，因此，根據(jù)鎂合金在人體介質(zhì)中發(fā)生腐蝕的原理，結(jié)合影響性能的因素，如何提高鎂合金的耐腐蝕性能，使其降解行為可控，是目前國內(nèi)外針對生物醫(yī)用鎂合金材料的研究重點[8,9]。

表1 不同醫(yī)用植入材料的力學(xué)性能對比

表2 常用合金化元素對鎂合金性能的影響

2.1 鎂合金材料合金化設(shè)計

醫(yī)用材料對材料自身的強度、韌性、降解行為和生物相容性都有著很高的要求，合金化設(shè)計是改善和提高金屬鎂性能的重要手段，目前作為合金元素廣泛使用的有Al、Zn、Mn、Ca、Sr、Zr、Nd等，這些元素對其性能的影響如表2所示。

（1）Al是商用鎂合金中最為重要、添加最多的元素，添加Al可改變鎂合金的晶粒大小，從而細(xì)化鎂合金晶粒；Al還可以改善鎂合金耐腐蝕性能，鎂合金腐蝕主要原因是由于形成Mg（OH）2腐蝕層，添加Al后，在腐蝕表面形成的富鋁層和β-phase（Mg17Al12）網(wǎng)絡(luò)可有效阻止鎂合金的進一步腐蝕。但Al的攝入量過高會導(dǎo)致人體骨鈣的缺失，同時還可能損害人體神經(jīng)系統(tǒng)，引起老年癡呆，因此其生物相容性仍有待確認(rèn)[10]。目前國內(nèi)外研究人員對于Mg-Al系的研究主要集中在商用鎂合金上，尚無生物鎂合金供研究學(xué)者進行研究，商用鎂合金只能作為實驗載體，不能進行臨床應(yīng)用。因此，商用鎂合金仍是可降解鎂合金作為人體外實驗的主要載體[11]。

（2）Zn對人體的生長發(fā)育具有重要作用。Mg-Zn系鎂合金作為目前新型醫(yī)用材料的主要研究載體之一，具有很好的生物兼容性。Gu等[1]研究表明，Mg-1Zn（Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%）合金提取物對細(xì)胞的存活率無顯著影響，同時還對L929和MG63兩種細(xì)胞在Mg66Zn30Ca4、Mg70Zn25Ca5兩種合金材料上的存活狀況進行了研究統(tǒng)計，結(jié)果顯示，細(xì)胞在這兩種合金材料上的存活率高于純鎂，并且出現(xiàn)了黏附和繁殖的現(xiàn)象。但有相關(guān)報道指出，Zn具有極高的毒性，當(dāng)含量過高時會抑制細(xì)胞的活性，Zn作為合金元素時可以在鎂合金中形成功能性保護膜，有效的改善腐蝕狀況。因此，Mg-Zn系鎂合金具有很好的臨床應(yīng)用的前景，但需要對Zn的含量極限進行更多的研究[12]。

（3）Mn是人體必需的微量元素之一。在對Mn的生物相容性研究中發(fā)現(xiàn)，生物體的感覺上皮細(xì)胞和聽覺神經(jīng)會遭受Mn的損害，并使神經(jīng)元和毛細(xì)胞產(chǎn)生嚴(yán)重的病變。此外，Mn可使雜質(zhì)Fe從中析出，降低雜質(zhì)元素對材料性能的影響，因此鎂合金中添加Mn可有效降低其晶粒大小。周世杰等[2]研究顯示，當(dāng)鎂合金中添加0.2%Mn時，可有效提高合金的強度和抗腐蝕的性能。

（4）Ca是生物體內(nèi)必須的元素。Mg-Ca合金的優(yōu)勢在于其生物相容性好，Li等人[3]在Mg-Ca合金的體內(nèi)測試的研究結(jié)果表明，L929細(xì)胞活性未受到Mg-1Ca合金的不良影響，且該材質(zhì)的骨釘植入體內(nèi)后，在90天內(nèi)得到降解，并且生成了新的骨組織。Mg-Ca合金的耐腐蝕性能與Ca含量的高低密切相關(guān)，且當(dāng)Mg-Ca合金中的Ca含量小于1%時，其耐腐蝕性能表現(xiàn)良好，但目前尚未明確Mg-Ca合金中Ca含量為多少時，其耐腐蝕性能最優(yōu)。

（5）Sr是人體內(nèi)的微量元素之一，人體內(nèi)的Sr幾乎都存在于骨骼之中，鍶鹽也是治療骨質(zhì)疏松藥物的成分之一。Mg-Sr材料同樣具有良好的生物相容性，Ragamouni等[4]在兔子體內(nèi)進行了實驗，結(jié)果表明，加入Sr的Mg-Zr在兔骨組織中與新骨組織融合的更好。Mg、Ca、Sr三者的化學(xué)性質(zhì)相似。Sr作為合金元素時，可有效降低鎂合金的晶粒大小，提高其綜合性能。

（6）在二元合金的研究基礎(chǔ)上，許多研究人員通過添加多種合金元素，研發(fā)了一些力學(xué)性能良好、生物兼容性高、耐腐蝕的新型醫(yī)用鎂合金。如Mg-Nd-Zn-Zr基合金系列，以Nd作為低合金化元素，提高了鎂合金的均勻腐蝕的性能，同時加入Zn和Zr進行微合金化，提高了鎂合金的強韌性和可塑性。

2.2 鎂合金表面改性處理

表面改性也是提高醫(yī)用鎂合金的生物相容性和耐腐蝕性能，降低降解速率的主要方式之一，鎂合金的表面改性包括化學(xué)轉(zhuǎn)化處理、電化學(xué)涂層、可降解高分子涂層、Ca-P涂層、激光處理、表面滲透、復(fù)合涂層等方法。以下是鎂合金進行表面改性處理的研究進展：

（1）化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層：由于鎂合金自身形成的氧化膜較為疏松，因此無法對鎂合金表面形成長期的保護作用，而通過化學(xué)轉(zhuǎn)化的方法，將鎂合金與特定的溶液接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而在其表面生成致密的保護涂層，實現(xiàn)對鎂合金的長期有效地保護作用。Gu等[5]以鎂鈣合金為樣品進行堿熱處理，處理后的樣品生成了致密的氧化膜，實驗結(jié)果顯示，該方法降低了Mg-Ca合金的降解速率，無細(xì)胞毒性。

（2）電化學(xué)涂層：是指鎂合金樣品在電場條件的作用下，使其表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成某種涂層的方法，常見的方法主要有微弧氧化涂層、陽極氧化涂層等方法。Zhang等[6]通過微弧氧化的方式，在AZ91D樣品表面形成陶瓷層。采用的制備方法為在Hank溶液中放置21d，處理后的樣品的降解速率為普通鎂合金樣品的1/15，結(jié)果表明經(jīng)微弧氧化處理的樣品，降解速率得到有效的控制，耐腐蝕性能得到了提高。Zhang等[7]以AZ31鎂合金為樣品，進行陽極氧化和預(yù)鈣吸附處理，而后進行浸沒處理，使其表面均形成了Ca-P薄膜，且通過陽極氧化的AZ91在同步進行預(yù)鈣處理后，鎂合金表面形成了Ca形核點，獲得了均勻細(xì)密的Ca-P薄膜。

（3）可降解高分子涂層：有機涂層種類主要有兩種，分別為殼聚糖、聚乳酸及其共聚物，該涂層對表面處理工藝有一定要求，使獲得的涂層與合金基體有良好的結(jié)合能力，同時保證涂層均勻無孔，具有良好的生物相容性和一定的自修復(fù)能力，且其降解產(chǎn)物能被人體降解并吸收。Xu等[8]通過不同的工藝，在鎂合金表面制備了殼聚糖涂層，實驗結(jié)果表明，經(jīng)戊二醛和硅烷處理過的鎂合金樣品在覆蓋了殼聚糖涂層后，該樣品對細(xì)胞無害，且有效的降低了鎂合金的腐蝕速率。

Huang等[9]以純鎂為樣品，在其表面制備了聚乳酸涂層，并在模擬體液中進行耐腐蝕性能測試，得到的聚乳酸—羥基乙酸（PLGA）涂層相對分子質(zhì)量為2×105的樣品，其界面結(jié)合強度和降解速率達到了要求。

（4）Ca-P涂層：由于人體骨組織的成分與Ca-P類生物陶瓷材料成分相近，因此樣品的Ca-P涂層具有很好的生物兼容性，可有效促進人體骨組織的生長。

Gao等[10]以AZ91D為樣品，采用激光熔覆技術(shù)制備了羥基磷灰石涂層，結(jié)果表明涂層的體內(nèi)兼容性得到了很大地提高。

（5）復(fù)合涂層：復(fù)合涂層和單一涂層相比，能夠更有效地提高鎂合金生物相容性和降解速率的可控性。通常預(yù)先在鎂合金表面制備一層結(jié)合強度較為牢固的涂層，再在外部覆蓋生物相容性較好的涂層。Shi等[11]以AZ31鎂合金為樣品，進行微弧氧化處理，制備了多孔的MgO涂層，隨后在其表面構(gòu)建PLA涂層，在樣品表面形成了PLA-MAO復(fù)合涂層，該復(fù)合涂層與AZ31合金的界面結(jié)合強度達到了45MPa，經(jīng)檢測，高于單一的PLA涂層鎂合金試樣。此外，普通AZ31鎂合金的腐蝕電流為61183μA/cm2，覆蓋PLA涂層的AZ31鎂合金的腐蝕電流為7.7283μA/cm2，而復(fù)合涂層的腐蝕電流僅為1.83μA/cm2，其耐腐蝕性能顯著提高。Tian等[12]則以AZ31鎂合金為樣品，預(yù)先在樣品表面使用微弧氧化的方法制備了羥基磷灰石涂層，隨后又使用聚乳酸和聚己內(nèi)酯對其表面的微弧氧化膜進行封閉，結(jié)果表明對鎂合金樣品表面涂層功能化，材料生物相容性和耐腐蝕性能良好。

3 總結(jié)

綜合以上論述，盡管鎂合金在醫(yī)用領(lǐng)域仍處于實驗和研發(fā)階段，但因其具有可降解性、良好的生物體內(nèi)兼容性和機械性能，在未來整形外科領(lǐng)域中有著很好的應(yīng)用潛力。在成分方面，通過降低雜質(zhì)元素對鎂合金進行合理的高純化處理，同時通過設(shè)計合金成分，對鎂合金進行合理的合金化，以此來降低局部腐蝕，保證其機械性能，未來關(guān)于合金化方面，添加多種合金元素進行合金化，是研發(fā)新型高性能鎂合金的關(guān)鍵；在鎂合金表面改性方面，盡管涂層鎂合金研究取得了巨大進步，但是仍然沒有研發(fā)出降解速率與骨組織愈合周期完全匹配的生物降解涂層，關(guān)于鎂合金表面改性的未來研究方向，多級復(fù)合型涂層是重點的發(fā)展趨勢，涂層表面功能化也是未來滿足特定醫(yī)學(xué)需求的重點，此外，涂層制備工藝、技術(shù)還需符合綠色環(huán)保、制備成本低廉、可批量生產(chǎn)等條件。