鎂合金生物可降解的研究進展

摘 """""要： 作為一種具有重大潛力的生物可降解材料，植入人體的鎂合金可以通過溶解、吸收、代謝過程而逐漸消失，避免了因二次手術(shù)帶來的不利影響。通過合金化處理、熱處理和表面改性手段詳細闡述了解決腐蝕性問題的相關(guān)方法，與被廣泛關(guān)注的生物相容性問題相互聯(lián)系。在前人研究的基礎(chǔ)上進一步擴展分析，結(jié)合目前研究中存在的問題，對未來的研究給予了一定的方向指引。

關(guān) "鍵 "詞：生物可降解；鎂合金；耐腐蝕；生物相容性

中圖分類號：TQ050.9+"6"""""文獻標(biāo)志碼： A """"文章編號： 1004-0935（2024）07-1060-05

在過去的幾十年里，不可降解的金屬（如鈦、鈦合金和不銹鋼）已經(jīng)成為骨科植入物以及心臟支架最廣泛使用的生物材料^[1]。然而，這些不可降解的金屬材料存在著諸多的問題。對骨骼治療而言，不可降解材料的使用不可避免地要進行二次手術(shù)來取出，增加了手術(shù)的風(fēng)險以及病人的痛苦；同時，由于部分金屬與骨骼的不相容性，容易引起接觸部位難以愈合，甚至產(chǎn)生慢性炎癥^[2-3]。因此，迫切需要找到一種能夠替代傳統(tǒng)不可降解金屬材料起作用的生物降解材料。在不斷探索過程中，鎂以其良好的生物相容性以及相對均勻的降解速率逐漸被科研人員所關(guān)注。

鎂作為醫(yī)用材料被植入體內(nèi)后，會在體內(nèi)逐漸降解為無毒的Mg（OH）₂和MgCl₂產(chǎn)物，對人體而言，這一點是十分重要的。上海交通大學(xué)^[1]就研制了一種已經(jīng)投入使用的JDMB（Mg-Zn-Nd-Zr）鎂合金，這是一種目前唯一達到均勻降解要求的生物醫(yī)用鎂合金材料，對人體骨修復(fù)具有極其優(yōu)異的效果，同時具有良好的力學(xué)性能。然而就鎂本身而言，其存在的諸多問題限制了它的廣泛使用。其在生物體內(nèi)的高溶解速率可能導(dǎo)致機械性能降低，從而失去作為連接的機械作用，這種機械性能損失尤其對支架的應(yīng)用較為不利^[4]。同時，由于降解速率過快產(chǎn)生的H₂會在植入部分引起氣囊性腫脹，甚至產(chǎn)生骨溶，這將對傷口的愈合產(chǎn)生不利的影響。在其降解過程中，由于OH^-的釋放導(dǎo)致的局部pH上升，過強的堿性會導(dǎo)致細胞的死亡，這會導(dǎo)致傷口處的愈合速度變慢。此外，降解產(chǎn)物的小顆粒脫落也會導(dǎo)致機體的炎癥，而且還要考慮鎂作為金屬載體的抗菌作用以及力學(xué)特性，因為較好的抗菌能力可以防止傷口處的感染，而力學(xué)特性的損失會導(dǎo)致植入物的損壞，從而導(dǎo)致無法起到足夠的支撐作用，嚴(yán)重的甚至?xí)隗w內(nèi)發(fā)生斷裂，造成極為嚴(yán)重的后果。

針對鎂材料本身在醫(yī)用可降解領(lǐng)域遇到的諸多問題，目前的研究主要集中于提升其各項性能，在這些方法中，目前的研究手段主要集中在以下幾個方面進行展開：添加各種生物相容性金屬進行合金化、合金化過程中的加工處理、表面改性和鍍膜"""技術(shù)^[5-8]。

1 "生物可降解鎂合金性能的提升方法

1.1 "生物相容性金屬合金化

為了增強Mg基材料的各項性能，目前的研究熱點集中在對鎂進行合金化處理。如添加Al、Zn、Ca、Ag、Ce、Th等元素可以生成不同的顯微組織，并改善得到的鎂合金的力學(xué)性能^[9]；添加電化學(xué)電位與Mg（?2.37 V）相似的Y（?2.37V）、Nd""""（?2.43 V）和Ce（?2.48 V）等元素以提高其耐腐蝕能力；在Mg中添加具有較高固溶性的Sc （質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.9%）、Gd（質(zhì)量分?jǐn)?shù)23.5%）和Dy （質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.3%）等金屬元素，可通過降低生理環(huán)境中的內(nèi)電偶腐蝕來增強耐蝕性^[10]。同時，生物相容性也是一個需要重點考慮的因素。先前的報道表明，生物營養(yǎng)金屬元素（如Ca、Sr、Zn、Mn等）和無毒的稀土元素（如Nd、Y、La等）單獨或一起添加到Mg基體中不僅不會引起有害的局部組織反應(yīng)，反而可以促進對周圍組織的吸收作用^[11-12]。隨著生物可降解鎂合金的發(fā)展，研究人員開始嘗試通過合金化使鎂合金具有新的生物醫(yī)學(xué)功能。Ca、Sr、Ag、Cu等是具有生物功能的微量金屬元素，具有促進骨細胞活化和促進新骨形成的作用，這些元素還通過使環(huán)境堿性和釋放抗菌金屬離子，抑制植入后的細菌感染。

Zn是人體必需的生物元素之一，有利于提高Mg基體的腐蝕電位，降低其腐蝕速率^[13]。另一方面，從力學(xué)性能的角度來看，Zn的添加可以有效地對Mg起到強化作用。

KOC等^[14]研究了低質(zhì)量分?jǐn)?shù)Zn（0.5%～3.0%）對提高Mg-Zn合金的力學(xué)性能和體外耐蝕性的影響。含Zn合金的形成主要是晶粒細化和Zn在合金中的均勻分布共同作用的結(jié)果，具有較好的鈍化作用。隨著Zn含量的增加，Zn在Mg-Zn合金中的晶粒細化和均勻分布使其整體和局部的體外耐蝕性更好。但Zn的增加可能會導(dǎo)致電偶效應(yīng)而影響局部腐蝕行為，即基體和二次相粒子之間的電化學(xué)電位差可能導(dǎo)致腐蝕。因此，要將Zn含量控制在比較合適的范圍內(nèi)。

HOLWEG等^[15]研究了一種Mg-0.45Zn-0.45Ca合金，旨在了解其用于治療內(nèi)踝移位骨折的性能和安全性。在植入成人骨骼后進行長達2年的跟蹤檢測，結(jié)果表明在植入初期無一例患者出現(xiàn)傷口愈合障礙，植入物沒有因氣體釋放而松動。90%的患者在6周后踝關(guān)節(jié)骨折痊愈，12周后盡管螺釘周圍有放射透明區(qū)域，但所有患者踝關(guān)節(jié)骨折均完全實變，無二次移位或植入物斷裂。

Zr能夠通過抑制鎂合金晶粒長大達到細化晶粒的效果，有利于提高鎂合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。此外，Zr對生物體的毒性低，對骨細胞有刺激作用，可以促進骨的整合。

LI等^[16]討論了由微量Sr和Zr組成的MZZS合金，觀察到了細結(jié)晶晶粒，其二次相細小且均勻分散，使其擠壓后的抗拉強度和屈服強度都較高，延展性達到了15%，具有優(yōu)異的力學(xué)性能。與單一的Sr、Zr組成的MZS合金和MZZ合金相比，其耐蝕性并不明顯，但是其既彌補了MZS合金的快速腐蝕導(dǎo)致提取物的Mg²⁺濃度和pH升高過快抑制細胞的生長，又避免了MZZ合金腐蝕速率慢而無法起到較好的滅菌效果的問題。

JIN等^[17]分別對Mg-Zn-Zr-Nd合金和Mg-Zn-"Zr-Y合金進行對比研究。結(jié)果表明，2種合金都具有明顯的細化晶粒，但二者的平均晶粒尺寸沒有顯著差異。二者和純Mg顯示出相似的陰極電流密度，表現(xiàn)出相似的耐腐蝕性能。對MC3T3-E1細胞進行培養(yǎng)24"h后，細胞附著并擴散到所有樣品上，可見具有指狀突起的多邊形成骨細胞形態(tài)。然而，在高倍鏡下觀察到細胞在Mg-Zn-Zr-Nd合金表面上比在純Mg和Mg-Zn-Zr-Y合金表面上分布更多的絲狀體和豐富的細胞質(zhì)。

稀土（REs）對鎂合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能有顯著影響，少量REs可引起鎂合金的細化強化、固溶強化和第二相強化，從而改善鎂合金的力學(xué)性能，同時低質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.2%～1.0%）的REs對細胞無明顯毒性；然而，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)（gt; 10%）的REs卻存在著潛在的危害。最常用的REs包括Nd、Sc、Y、Sm、Gd和Dy等。

TONG等^[18]采用鑄造法制備了一系列Zn-1Mg-"0.1RE（RE = Er、Dy、Ho）三元合金，主要由α-Zn基體相和中間相Mg₂Zn₁₁和ErZn₅、DyZn₅和Ho₂Zn₁₇組成。稀土元素的加入使α-Zn基體晶粒和Mg₂Zn₁₁的第二相得到了明顯的細化。在合金表面直接培養(yǎng)的MC3T3-E1細胞和在合金提取物中培養(yǎng)的MG-63細胞中，Zn-1Mg-0.1Er的細胞相容性最高，Zn-Mg- 0.1Dy的抗凝血性能最好，幾種合金的溶血率均低于5.0%，滿足臨床應(yīng)用種植材料的血液相容性要求。

ELKAIAM等^[19]以Mg-Zn-Nd-Y-Zr為材料體系，制備了4種不同Nd質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0、1%、2%、3%）的鎂合金。在浸泡測試、動電位極化和電化學(xué)阻抗譜分析方面，測試合金的腐蝕性能基本相似，這說明添加Nd對鎂合金的耐蝕性影響相對較小。與Mg-5Zn合金相比，含Nd合金的斷口出現(xiàn)了疲勞條紋，腐蝕產(chǎn)物的數(shù)量也相對增加。疲勞條紋可能是在滑移帶和孿晶界處形成的，而滑移帶和孿晶界是裂紋萌生的最佳位置。Nd的加入對合金的屈服強度沒有太大提高，反而降低了其延伸率，沒有起到良好的應(yīng)用特性。

1.2 ""合金化過程中的熱處理改性

目前，壓鑄鎂合金產(chǎn)品的用量大于變形產(chǎn)品，但變形鎂合金具有更高的強度和更好的延伸性，具有鑄造鎂合金產(chǎn)品無法取代的優(yōu)良性能。在鎂合金的變形過程中，最為有效的方式就是進行熱處理改性，熱處理改性對于提高鎂合金的耐腐蝕性以及力學(xué)性能都有著極其優(yōu)異的作用。對于熱處理改性而言，最常用的手段則包括熱處理和熱塑性形變^[20]。

常用的熱處理方法包括：固溶處理（T4）、時效處理（T5）和固溶+時效處理（T6）。在熱處理過程中，鎂合金的形貌結(jié)構(gòu)以及化學(xué)組成并沒有發(fā)生變化，發(fā)生變化的是鎂合金內(nèi)部的晶粒結(jié)構(gòu)以及第二相的顯微分布結(jié)構(gòu)，這對于鎂合金的性能提升具有十分重要的意義。熱塑性變形是提高鎂合金力學(xué)性能和耐腐蝕性能最常用的工藝，該工藝主要包括擠壓、重度塑性拋光、軋制和等道角壓等。

MIAO等^[21]對比研究了Mg-2.4Zn-0.8Gd 合金在擠壓前進行固溶處理的各項特性。結(jié)果表明，在固溶處理過程中，Mg₂Zn₃相溶解到基體中，w相析出。動態(tài)再結(jié)晶的織構(gòu)使得合金內(nèi)部的晶粒尺寸增大，這造成了屈服強度的降低。但是，由于第二相的分散程度增大，使得電偶腐蝕也同樣減弱，且均勻的第二相分布對合金的均勻腐蝕和緩蝕都有著十分重要的作用。

CHEN等^[22]研究了不同固溶處理溫度對擠壓態(tài)Mg-2Zn-1Gd-0.5Zr合金的各項性能影響。在固溶溫度升高過程中，第二相的數(shù)量先增加后減小，在510"℃時已經(jīng)完全熔于基體。由于第二相的消失使得合金內(nèi)部不存在晶間腐蝕，因此表現(xiàn)出最好的耐腐蝕能力，其腐蝕速率為0.35 mm·a^-1。但是，由于動態(tài)再結(jié)晶的位錯攀爬，使得合金的結(jié)構(gòu)強度降低，各項力學(xué)性能也有所下降。

CHLEWICKA等^[23]對比研究了在190、230、250、400"℃條件下退火處理的Mg₆₇Zn₂₉Ca₄合金非晶基體中不同晶相體積分?jǐn)?shù)對其耐生物降解性能的影響。結(jié)果表明，在不同溫度下淬火棒材的非晶基體中分別形成了37%、55%和70%的晶相，而在400"℃退火后，獲得了完全的晶體結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)與晶相的比例是影響材料腐蝕行為的主要因素，其中全結(jié)晶后的合金表現(xiàn)得最活躍。

HOU等^[24]對擠壓態(tài)Mg-3Sn-1Zn-0.5Mn合金進行研究，發(fā)現(xiàn)其組織為細小的等軸晶，擠壓過程中發(fā)生了完全的動態(tài)再結(jié)晶，并伴有較大的變形量和較高的變形溫度。擠壓態(tài)耐腐蝕性能和溶血性能均優(yōu)于鑄態(tài)合金。植入兔背側(cè)肌肉和股干后生物相容性良好，短期植入后未見異常。

1.3 "表面改性

鎂的快速降解是一把雙刃劍，植入后會導(dǎo)致骨溶解、早期快速機械損失、氫氣聚集、植入物與組織之間形成間隙等問題。因此，有必要控制材料的腐蝕速率，以滿足臨床需要。因此，表面改性被認(rèn)為是控制鎂合金降解的有效方法。在研究其表面改性的同時，有必要從分子水平出發(fā)，使研發(fā)的涂層能夠促進傷口處的愈合。對骨移植而言，它應(yīng)該提供骨誘導(dǎo)、骨傳導(dǎo)、適當(dāng)?shù)慕到?吸收和新骨組織的替代^[25]。此外，它還有望避免細菌入侵感染。對鎂及其合金進行涂層有很多可行的技術(shù)，其中包括微弧氧化涂層（MAO）、化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層、電沉積涂層、仿生沉積涂層等。

CHMIELEWSKA等^[26]在鎂合金表面制備了一層MAO涂層，涂層膜表面具有典型的粗糙表面和微觀孔隙。然后通過溶膠-凝膠涂覆工藝在其表面涂覆一種主要由TiO₂和Ca-P陶瓷組成的微鱗片陶瓷涂層。測量其水接觸角分別為29.6°±3.7°和14.7°±2.8°，表明涂覆了MAO和溶膠-凝膠涂層的樣品的親水性增強，有望降低負(fù)面炎癥或異物反應(yīng)的可能性。

JIANG等^[27]采用水熱輔助溶膠-凝膠法在鎂合金表面制備了耐腐蝕的氟化Ca-Mg-P復(fù)合涂層。這種復(fù)合涂層迅速誘導(dǎo)礦化層的形成，礦化層逐漸致密并與原始復(fù)合涂層相集成。當(dāng)F-涂層溶膠濃度為0.03 mol·L^-1時，涂層表面均勻致密，厚度達到""""32"μm，具有較高的電荷傳遞阻力，可達到"（312±12.69）"kΩ?cm²。經(jīng)過49天的浸泡，原有的復(fù)合涂層和新形成的礦化層厚度達到60"μm，為鎂合金提供了有效的長期保護。

WANG等^[28]通過層層組裝制備了一種由多巴胺和殼聚糖介導(dǎo)的骨誘導(dǎo)碳酸磷灰石和抗菌銀納米粒子，在AZ31鎂合金表面開發(fā)了一種新型的功能性和生物相容性涂層。所制備的納米多層膜可以將腐蝕電位提高到更正值，降低腐蝕電流密度。靜態(tài)浸泡測試結(jié)果表明，該涂層能減少Mg²⁺的量，降低模擬體液的pH，實現(xiàn)抗菌銀離子的緩釋，對于包被的AZ31，大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的菌落數(shù)都顯著減少。

LI等^[29]通過在金屬鎂上涂覆新型多層表面涂層來延緩和控制鎂降解，多層涂層為鎂基材提供了足夠的生物降解性和合適的機械性能。受保護鎂的腐蝕速率可以通過化學(xué)轉(zhuǎn)化類型或聚乳酸層的厚度來調(diào)節(jié)。X光、顯微計算機斷層掃描觀察和組織學(xué)分析表明，受保護的鎂不僅生物降解緩慢，而且能顯著促進大鼠脛骨周圍新骨的形成，從而縮短骨缺損的愈合時間。

2 "結(jié) 論

作為一種應(yīng)用于人體的生物可降解材料，鎂及其合金自身獨有的優(yōu)秀性能可以很好地實現(xiàn)對創(chuàng)處的修復(fù)作用。目前已經(jīng)存在的以鎂合金或以其為重要載體進行的臨床應(yīng)用都表現(xiàn)出令人矚目的效果。然而，不能單純地認(rèn)為對鎂及其合金的研究已經(jīng)完善。雖然針對鎂及其合金的相關(guān)研究眾多，然而目前的研究仍尚處于初始階段，在研究過程中的單一論斷無法作為對整體的考慮因素被人信服。因此，必須建立一套系統(tǒng)的研究方案。從對合金的固溶元素出發(fā)，再通過加工處理過程中的改性分析挑選出性能優(yōu)異的材料進行進一步探討；由于加工條件的影響也極其重要，因此針對加工過程中的各項因素也必須保持一致。針對涂層的研究方面也必須從實際出發(fā)，對涂層的厚度、附著程度、耐磨性、生物相容性等進行統(tǒng)一的探討。尤其是在對最后得到的復(fù)合型材料進行綜合性分析時，除了必要的耐腐蝕和力學(xué)性能研究，體外的生物相容性研究也極其重要，雖然它存在著諸多的缺陷，然而這將是對其是否可以進行體內(nèi)研究的最終論證。在進行專業(yè)化的動物活體實驗時，對整個實驗過程，特別是各個時間段的情況都要進行觀察分析，得到的最優(yōu)材料將進行最終的臨床測試，成功后的產(chǎn)品方可在醫(yī)療治愈中投入使用。在整個研究過程中，必須對所有的潛在影響因素進行分類探討、集中對比和分析論證，確保實驗過程的準(zhǔn)確性，并針對鎂及其合金應(yīng)用于不同部位時所需的不同要求之間建立相關(guān)聯(lián)系。

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Research Progress in Biodegradability of Magnesium Alloys

ZHANG Xinru ，LIN Changrui ，GU"Tingting

（School of Chemical Engineering， University of Science and Technology Liaoning， Anshan"Liaoning"114051，"China）

Abstract："As a biodegradable material with great potential， magnesium alloy implanted into human body can gradually disappear through dissolution， absorption and metabolism， avoiding the adverse effects caused by secondary surgery. In this paper， the relevant methods to solve the corrosion problem were"described in detail by means of alloying treatment， heat treatment"and"surface modification. The corrosion problem"was"related to the biocompatibility problem which had"been widely concerned. On the basis of previous studies， the analysis"was further expanded， and combined with the existing problems in the current research，"future research direction was put forward.

Key words："Biodegradable; Magnesium alloy; Corrosion resistance; Biocompatibility