纯镁含锌微弧氧化生物涂层的临床应用可行性研究

王 哲，于婷婷，刘亚琪

（佳木斯大学附属口腔医院，黑龙江 佳木斯 154002）

纯镁含锌微弧氧化生物涂层的临床应用可行性研究

王 哲，于婷婷*，刘亚琪

（佳木斯大学附属口腔医院，黑龙江 佳木斯 154002）

镁基金属材料具有生物可降解性和极其良好的生物活性。在纯镁金属表面通过超声微弧氧化、碱热处理以及镀锌技术制备表面含锌生物涂层，综合了超声微弧氧化技术及金属锌的生物学作用和抗菌作用，提高纯镁表面的抗菌性，即可缓解镁基材料降解过快又可预防植入前期的感染问题。开发抗菌性良好、生物活性及降解速度可人为调控的新型医用镁合金骨内固定材料具有很大的临床应用价值。本文评述了医用镁合金的研究历史、优势与现存的问题，超声微弧氧化技术的优点与锌元素特性，为纯镁含锌微弧氧化生物涂层应用于临床的理论可行性提供参考依据。

生物涂层；微弧氧化；镁基金属

随着医疗科技的进步、生物技术的迅猛发展，生物医用材料已成为研究热点，其中医用金属材料极早便应用于临床中。与其他生物材料相比较，因其具有极高的机械强度，优良的抗疲劳性，成为临床用于修复、替换并承担极高支撑作用的人体硬组织首选材料。目前应用于临床的医用金属材料多为生物惰性材料[1]，它们具有优异的抗腐蚀性，但同时也存在一些弊端，如因摩擦而产生有毒因子，可产生局部炎症和过敏反应，此外，由于其不可降解的生物特性，临床中只需短期植入需要二次手术取出，不仅增加了患者的痛苦也增加了医疗成本和感染风险[2]。为满足当今医疗情况的需要，各界研究人员正在寻找可暂存于体内，并可逐渐降解，最终完全降解并为人体吸收的植入材料。因此，可降解金属材料应运而生，其中镁由于具有极为优异生物相容性，力学相容性和可降解性，受到极为广泛的关注。

1 国内外镁合金研究历史及进展

1907年就已经有关于可降解镁合金的相关报道，Lambotte A将镀金钢钉和镁板用于骨折治疗，但手术因镁板的过快腐蚀致使材料失效而以失败告终。Zartner等曾在一女婴体内植入直径约为3mm的镁合金支架，有效治疗了其左肺动脉栓塞。Dyugulu在羊的骨髓中植入镁合金AZ31制成骨钉，成功证实了镁合金具有诱导骨生成的特性。Denkena等在研究中发现，AZ91合金除耐腐蚀性不符合临床应用标准外，其生物相容性及机械力学性能均能满足临床要求。

国内对于镁合金材料的研究起步较晚，但也取得了一定的成果。张佳等的研究发现高纯Mg和Mg-Nd-Zn-Zr镁合金在模拟人体体液环境下平均降解速率远远低于AZ91D，发生的降解反应的类型也不相同。且测定后Mg-Nd-Zn-Zr镁合金可以满足生物医用材料的力学性能要求。高家诚和Li观察发现经热处理和碱处理的纯镁表面会形成一层致密的氧化物薄膜，随后进行了模拟人体体液环境下的测试，发现致密氧化物薄膜可以明显地提高镁金属的耐腐蚀性。宋光玲等将镁与各种金元素制作的镁合金置于模拟人体体液的环境下，并发现含有锌和少量锰元素的镁合金抗腐蚀性较强，可充当较理想的生物医用材料。

2 医用镁金属的优势与现存的问题

2.1 医用镁金属的优势

2.1.1 良好的的物理性能

标准状态下，镁的熔点为649℃，沸点为1090℃。纯镁属轻金属，具有良好的导热性能[3]及极强的加工性能。

2.1.2 良好的生物相容性

镁元素大量存在于人体内，其含量仅次于钾、钠、钙元素[3]。且镁元素广泛参与人体的代谢反应。

2.1.3 良好的力学相容性

镁以及其合金拥有极高的比刚度和比强度，密度约为1.74～2.0g/cm³左右，极为接近人体皮质骨的密度（1.8～2.1g/cm³）[4]，可患者更易适应植入体，减少患者负担。镁元素的弹性模量约为41～45GPa，仅为钛合金的50%，更为接近人骨组织的弹性模度。

2.1.4 良好的可降解性

镁元素的标准电位很低，在人体体液环境下极易发生降解 ，过量的镁元素可以随尿液排出，不会使血清中的镁元素过高而引起中毒反应[5]。

2.2 医用镁金属的不足

镁基金属材料电化学活性活泼，容易发生应力腐蚀、电偶腐蚀、疲劳腐蚀且无法生成保护性氧化膜[6]，特别是体内存在大量的氯离子会与镁发生反应加速其降解，使其在植入机体后迅速发生腐蚀反应，在机体痊愈前就受损严重，极大损害植入体的力学性能和稳定，释放的氢气在机体来不及扩散而囤积于种植体周围，形成气泡，会在一定程度影响镁植入体周围组织的生理机能和植入部位的治疗[7]。

正是由于镁合金较快的降解速度以及因此导致的一系列并发问题，影响了镁合金在临床上的应用，也使镁合金的进一步研究成为必然趋势。

3 微弧氧化技术的研究现状

微弧氧化技术是一种在钛、镁、铝及其合金表面经高温高压处理，原位生长以基体金属氧化物为主的均匀致密的高硬度陶瓷膜的新型技术。该技术生成的陶瓷膜层具有许多优势：优异的耐磨性能、硬度极高（可达1000～2000HV）、抗腐蚀性、膜基结合力强以及不含有毒物质，对人体无害等[8]。纯镁表面通过超声微弧氧化涂层表面由于微弧氧化过程中放电和大量气体外逸，形成疏松多孔表面结构，可为口腔植入材料[9]植入后与成骨细胞的结合提供有利空间，利于骨组织朝孔内生长，促进骨生成[10]。因此近年来得到极为广泛的应用。

4 锌元素的抗菌性

自然界中的许多种金属及其释放的离子都具有一定的抑制乃至灭杀微生物的能力，但经过研究发现这些金属或离子中的大多数都对人体有害，目前临床上应用较为广泛的抗菌金属多为铜、银、锌三种。其中锌元素具有优异的抗菌性， Hanke最先于1949年发现锌具有抗牙菌斑的能力。Steinman等人通过实验证明，将一定量的锌离子添加到漱口液当中可以提高抑菌能力、减少牙菌斑的形成[11]。有研究表明，锌离子及其镀层均对成骨细胞的粘附及增殖起到了重要的作用。也就是说，锌不仅具有抗菌性，也具有一定促进成骨的能力。

5 纯镁含锌微弧氧化生物涂层的临床实用性讨论

综上所述，在镁基金属材料研究还不成熟的前提下，超声微弧氧化和碱热处理及化学镀锌技术在纯镁表面制备出表面含锌元素的抗菌生物涂层，极具研究价值。

纯镁含锌微弧氧化生物涂层可充分发挥纯镁上述的可降解性和生物相容性，使植入体在体内降解吸收，不需二次手术取出，减少患者的痛苦和经济负担。且纯镁经碱热处理后，在纯镁表面形成的氧化物薄膜可延缓纯镁植入体在人体体液环境下腐蚀速度，增强耐腐蚀性，可部分解决镁植入体腐蚀过快的问题。其表面含有的锌元素的镀层，可发挥其抗菌性能，增加植入体的抗菌性，降低局部感染的发生的可能性，也可发挥其促进成骨的能力，加快骨愈合速度。纯镁含锌微弧氧化生物涂层所应用的微弧氧化技术也可适当增强植入体的耐磨性和机械强度。这些技术的结合将大大改善镁金属的易磨耗，降解过快的不足，增加纯镁大范围应用于临床的可能性，将有不可估量的医学前景。

[1] 郑玉峰,吴远浩.处于变革中的医用金属材料[J].金属学报,2017,53(3):257-297.

[2] 刘 辰,骨植入用新型可降解镁金属材料设计及生物医学功能研究[D].南京:南京理工大学2016:1-129.

[3] 李 涛,张海龙,何 勇,等.生物医用镁合金研究进展[J].功能材料2013,20(44):2913-2918.

[4] 王建利,马 斌,张 楠,等.生物可降解医用镁合金研究进展[J].热加工工艺.2015,44:5-11.

[5] 冯晓伟,黎小辉,戚文军,等.稀土镁合金在生物医用材料领域的研究进展[J].材料研究与应用,2015,9(1):1-5.

[6] 赵 虹,刘西伟,候理达,等.医用镁合金生物降解行为研究进展[J].材料导报A:综述篇,2013,27(10):78-85.

[7] 张 晓,梁敏洁,廖海洪,等.生物医用镁合金腐蚀与防护的进展研究[J].热加工工艺,2014,43(8):9-12.

[8] 王军华.微弧氧化工艺及其成膜机理研究[D].佳木斯:佳木斯大学,2014:1-78.

[9] 李小康.抗感染金属植入物的设计制备及其抗感染效果研究[D].第四军医大学,2013.

[10] 王 湛,杨 军,李建军.新型骨科植入物镁合金材料抗菌性能的体外实验研究[J/OL].中国医科大学学报,2014,43(12):1142-1144.

[11] 孙千月,梁 丹,郭天奇,等.纳米锌抗菌机理的研究进展[J].口腔医学研究,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

佳木斯大学大学生科技创新项目（xsyd2016-09）

王哲（1994-），男，汉族，吉林舒兰市人。通讯作者：于婷婷，E-mail：59818634@qq.com