医用镁合金及其涂层生物相容性的研究进展

王闯等

摘要查阅近年来国内外镁合金生物相容性方面的相关文献，从血液相容性、细胞相容性、组织相容性等方面对镁基合金及其生物相容性研究进展进行了综述。

关键词镁合金； 生物相容性； 涂层； 表面改性； 医用植入材料

中图分类号S859文献标识码A文章编号0517-6611（2014）21-07034-03

Research Progress on Biocompatibility of Medical Magnesium Alloy and Coating

WANG Chuang，ZOU Yuhong et al （College of Chemical and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology， Qingdao，Shandong 266590）

Abstract Referring to relevant literatures of magnesium alloy biocompatibility at home and abroad in recent years，from aspects of blood compatibility，cell toxicity and tissue compatibility，the research advance of magnesium alloy and biocompatibility were reviewed.

Key words Magnesium alloy； Biocompatibility； Coating； Surface modification； Bone implant material

目前，醫用可降解镁合金逐步成为材料化工领域和医学研究领域的热点研究方向之一。与目前临床应用的医用金属材料（如不锈钢、钴基合金和钛合金等[1]）相比，可降解镁合金拥有以下特性和优势：①镁原料资源比较丰富，容易获取；②人类骨骼的密度约为1.74 g/cm3，与镁合金的密度相近；③镁合金在比强度和比刚度上具有较大的优越性，加工性能良好[2]；④镁合金弹性模量较其他医用金属材料更接近人类骨骼的弹性模量，作为骨植入材料可以避免不利的应力遮挡效应[3]；⑤镁合金具有良好的降解吸收性，避免了二次手术给病人带来的痛苦以及其他毒副作用 [4]；⑥镁是人体必需的常量元素之一，镁合金植入材料中微量释放的镁离子可以促进组织愈合，对人体有益。

然而，目前镁合金作为医用材料植入人体存在的较大问题是其腐蚀降解速度过快。如果镁合金的腐蚀降解速度过快，将会导致以下问题：①析出氢的速度要比人体的容许值大很多；②植入部位的pH快速升高，使人体机能发生异常的反应；③植入材料的抗疲劳强度、抗压屈服强度和抗拉强度等力学性能会迅速劣化，失去力学完整性。综合目前的研究现状，为提高镁合金的耐蚀性，主要的改善途径有：表面改性、非晶化、材料合金化和变形加工。其中，表面改性（包括可降解高分子聚合物、生物活性陶瓷、化学转化膜、阳极氧化膜、金属镀层和惰性生物陶瓷涂层）更能显著改善镁合金材料的耐腐蚀性能，进而改善其生物相容性[5]。

生物相容性评价是所有生物材料进入临床应用前所必须进行的一项工作，良好的生物相容性是材料植入的安全保障[6]。因此，必须对镁合金植入材料进行完整的生物相容性评价。目前，主要是通过体内试验和体外试验的方式来评价生物材料的生物相容性。其中，体外试验的研究模式更为接近材料应用时的生理状态，可靠性高[7]。笔者针对不同评价方法对近些年在镁合金生物相容性方面的研究进展进行了综述。

1医用镁合金生物相容性研究

随着医用镁合金的研究进程，针对其生物相容性的评价方式，具体的工作主要有血液相容性研究、细胞毒性研究和组织相容性研究。综合这些方面的研究评价，可以很好地反映镁合金用于临床上的安全性。

1.1血液相容性研究作为生物相容性评价的重要组成部分，血液相容性的研究结果是镁合金能否作为新型医用材料推广使用的关键。为了研究经表面处理后纯镁的血液相容性，高家诚等[8]将99.99%纯度的纯镁经切割、打磨和清洗后，在500 ℃温度下保温10 h再空气冷却，然后将试样在氯仿/硬脂酸混合溶液（0.1 mmol/L）中浸泡约1 h，取出静置30 min。对纯镁和表面处理后的纯镁进行溶血检测，结果表明未经处理的纯镁试样在试验中溶血较为严重，而经热处理一有机膜改性和热处理过的试样的溶血率分别为0%和22%，均在生物材料允许的溶血范围（<5%）内。因此，经过表面改性的纯镁在溶血方面有了很大的改善，有望作为医用生物材料使用。

在镁合金的血液相容性方面，也有很多学者做了相关研究。Gu等[9]利用一定的工艺将9种不同的元素（Al、Ag、Sn、Y、Zn、In、Mn、Zr和Si）分别制成了二元镁合金，通过溶血试验发现镁合金相对纯镁溶血率更低，而且血小板的黏附数量也更少，表现出良好的血液相容性。为考察MgZnCa镁合金材料的血液相容性，陈克勤[10]曾采用体外非直接接触的方法进行试验，发现MgZnCa三元镁合金的溶血率能满足生物材料对溶血率的要求（<5%），约为0.79%，这说明未发生溶血，该三元镁合金材料对血液红细胞没有破坏作用，其血液相容性良好。因此，在纯镁材料中适当地添加合金元素能够有效地改善其在溶血上的性能。

然而，并非所有镁合金都有较好的血液相容性，在这种情况下对镁合金进行生物涂层以改善其血液相容性的研究成为人们关注的热点。郭磊等[11]以铸态AZ31B镁合金和经碱热处理及恒电压阴极电沉积法制备的CaP/AZ31B镁合金材料为考察对象，溶血试验过程如下：分别取体积为1 ml的双蒸水、生理盐水和镁合金浸提液做样品，随后向3个样品中各加入稀释的兔血悬液（2%）1 ml，水浴（37 ℃）1 h后，离心取上清液1 ml分别加入Na2CO3溶液（0.2%）3 ml，使用722型分光光度计测定各样本的OD540 nm值，计算溶血率。结果发现，对于未涂层的AZ31B镁合金，其浸提液中Mg的含量非常高，约为正常值的30倍，而且其溶血率为69%，溶血现象严重；而经涂层处理的Ca-P/AZ31B合金的浸提液中Mg含量处于正常范围内，其溶血率为2.5%，符合国家标准 （<5%）。由此可见，经CA-P涂层后，镁合金降解产物的释放速度大大降低，从而使镁合金在血液相容性方面有了很好改善。生物涂层的方式还有很多，李绮等[12]通过化学转化的方法成功制备了氟涂层的AZ31B镁合金，并结合体外试验发现氟涂层能够很好地降低AZ31B镁合金的溶血率，因此氟涂层的添加能够帮助改善镁合金的血液相容性。

为了探讨镁合金浸提液与溶血率之间的关系，陈旭琼等[13]发现当镁合金浸提液的稀释度分别为1%、2.5%、5%、10%、25%、50%和100%时，其溶血率分别为-0.3%、03%、6.2%、11.8%、33.8%、66.7%和65.3%，镁离子浓度与稀释度呈负相关；此外，对于稀释度分别为100%、50%、25%、10%、5%和2.5%的镁合金浸提液，其pH差异不显著（P>0.05），但均高于稀释度1%的浸提液（P<0.05）。因此，在镁合金体外溶血试验中镁离子浓度和pH直接影响镁合金的血液相容性。

另外，关于镁合金对凝血的影响，也有学者做过相关研究。黄晶晶等[14]以纯镁、316L不锈钢和AZ31B镁合金为考察对象，采用体外试验法测定了3组样品的血浆复钙时间、凝血酶原时间以及动态凝血时间，对比测定结果后发现：①以凝血酶原时间为指标时，3种材料的抗凝血性能顺序为：Mg

总而言之，在血液相容性方面，镁合金的溶血率较纯镁要低，应用性更强，但要进一步改善其血液相容性，还需要对其进行表面改性，可以通过各种方式在其表面进行涂层。

1.2细胞毒性研究体外细胞毒性试验同样是评价植入材料生物相容性的重要组成部分，其研究结果直接关系到生物植入材料的可行性及前景。陈克勤[15]将L929细胞与不同浓度的Mg-Zn-Ca镁合金浸提液进行接触式培养，并以MTT比色法为主要测定方法，评价该镁合金材料的细胞毒性。结果发现，对2、4和7 d的镁合金浸提液试验组，其细胞相对增值率（RGR）与生理盐水阴性对照组均无显著差异。由此可见，该镁合金材料的细胞相容性良好，不存在影响细胞正常生长代谢的毒性作用。Wang等[16]发现钙镁锌合金材料浸提液对培养的L929细胞没有细胞毒性作用，表明该合金材料的细胞相容性良好。Huan等[17]利用体外细胞毒性试验研究镁锌锆合金ZK30时发现其对骨髓基质干细胞的生长没有明顯的细胞毒性作用。

为了提高镁合金的生物相容性，也有不少学者对表面改性后的合金进行细胞毒性研究。Xu等[18]以磷酸钙涂层的镁合金材料为研究对象，在体外细胞（L929细胞）增殖试验中，通过评价细胞的生长率、增殖特征以及黏附特性发现磷酸钙涂层的镁合金的细胞相容性大为提高。耿芳等[19]采用低温化学沉积的方法成功制备了具有生物活性的Ca3（PO4）2涂层的镁合金材料支架，并利用单细胞凝流式细胞术（ECM）、胶电泳技术（SCGE）和MTT比色法进行试验研究。结果发现，镁合金支架经表面处理后未呈现出细胞毒性的作用，并证实支架（β-TCP处理）的浸提液没有损伤细胞中的DNA，也没有影响细胞的周期。郭磊等[20]以MTT比色法为手段，并结合体外直接接触式的细胞毒性试验，评价成骨细胞合成碱性磷酸酶（ALP）的活性，结果发现 AZ31B合金材料有氧化膜和无氧化膜与正常情况相比无显著差异，从而证实AZ31B材料和氧化膜对成骨活性和成骨细胞的增殖没有毒性作用。这表明镁合金阳极氧化膜具有良好的生物相容性，可用于镁合金表面改性研究。

对医用镁合金及其涂层的细胞毒性研究，还有很多学者做了大量工作，但研究普遍证实医用镁合金对细胞的增殖基本无毒害作用，另外，经表面改性处理还可以改善镁合金的生物相容性，对细胞增殖有一定的促进作用。

1.3组织相容性研究组织相容性研究主要体现在动物试验方面，通过体内植入、观察炎性反应和病理切片等手段来考察镁合金及其涂层的组织相容性，是目前较为普遍的研究方式。

黄晶晶等[14]在大鼠背部脊柱两侧部位植入处理过的镁材料，结果发现在1周和3周样品植入部位的周围均检测到Ca和P元素，认为有微量类骨质在植入镁材料的周围形成，说明镁材料可以在一定程度上增强骨的诱导能力。陈克勤[21]曾对镁锌钙合金生物材料在动物体内进行过肌肉埋植试验，埋植时间分别为7、14、30、45和60 d，通过观察组织病理切片发现所有实验动物的肾脏、肝脏和心脏都未出现明显异常。

经生物涂层后的镁合金在动物体内植入研究中也表现出较大的优越性。郭磊等[11]将AZ31B合金和涂层处理了的CaP/AZ31B合金材料分别植入家兔1、4、8周后，通过SEM观察发现在体内植入4周后，未涂层的AZ31B合金的表面出现了些许裂隙和片状疏松氧化层，所以单纯的AZ31B合金作为植入材料的耐腐蚀性能不够理想，而在涂层处理过的CaP/AZ31B合金的表面上，分布着一层类似物理屏障的均匀CaP颗粒，它既能减慢降解介质进入材料，又能减缓植入材料降解产物的释放；另外，通过HE染色观察植入材料周围的骨痴组织和肌肉的生理状态发现，在2只家兔的体内植入部位观测到明显的水肿现象，炎性反应为Ⅳ级，且这2只家兔均属于未经涂层处理的AZ31B合金组；而经涂层处理的Ca-P/AZ31B合金组虽然也伴随有一定的炎性反应发生，但其等级并未超过Ⅲ级，符合Ⅲ级以内的国家标准。此外，苗波等[22]采用微弧氧化法成功制备了钙磷涂层镁合金和钙磷银涂层镁合金植入体，并且与未经处理的镁合金植入材料一起植入了哈尔滨大白兔的下领骨部位，创造相同的条件饲养术后的动物，在创口一期愈合过程中均未出现明显的感染和炎性反应，通过对第4、8、12周试验兔进行肝肾病理切片，结果发现2种涂层镁合金植入材料对肝和肾的生理状态均未造成不利影响，说明其组织相容性良好，向镁合金植入材料中添加一定剂量的银离子是安全的，而且经表面涂层改良后的镁合金植入体还能够在一定程度上促进新生骨组织的形成。

另外，还有一些学者从致敏反应的角度来研究镁合金的组织相容性。吴婕等[23]和陈旭琼等[24]分别考察覆膜AZ91D镁合金材料和AZ31B镁合金材料的生物相容性，结果发现2种镁合金植入材料均未出现明显的致敏作用，生物相容性良好。Witte[25]等以4种镁合金植入材料（LAE442、AZ91、WE43和AZ31）为考察对象，通过豚鼠皮肤致敏反应和病理活性检测发现4种不同的镁合金植入材料均未引发皮肤过敏反应，在材料植入安全上是可靠的。

从关于镁合金及其涂层组织相容性的研究中发现，不论是在炎性反应和病理切片观察上还是从致敏反应的角度出发，镁合金及其涂层均表现出良好的组织相容性，为其应用于医学领域提供了可能。

2小结

镁基合金作为目前新型医用植入材料的发展对象，具有较多的优点，因此对其生物相容性的研究变得越来越重要。通过对近年来有关镁合金及其涂层生物相容性研究的回顾，可以发现：①与纯镁相比，镁合金作为医用植入材料在生物相容性方面拥有更大的优越性，并且具有一定的诱导成骨能力；②尽管有研究表明镁合金在血液相容性及细胞毒性方面还有一些不理想的地方，但对其进行表面改性的研究已取得长足进展，改性后的镁合金各方面检测结果均符合医用植入材料的要求；③目前，对镁基合金材料在生物相容性方面的影响因素及作用机理研究相对较少，这有可能成为今后的研究重点；④在新型医用植入材料的开发方面，研究镁合金及其涂层生物相容性问题并将其在临床上应用，具有相当大的研究价值。

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