含Sr生物镁合金在模拟体液中的创新实验探索

李梦君 宋述鹏 万天

摘 要：对生物镁合金的部分研究现状及进展进行阐述，介绍了模拟体液中含Sr生物镁合金材料腐蚀的大学生创新实验过程及结果。

关键词：生物镁合金；模拟体液；创新实验

中图分类号：O614.22 文献标志码：A 文章编号：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 国内外生物镁合金的研究现状

生物镁合金作为可降解医用材料被誉为新一代生物医用材料。镁是一种对人体温和的元素，具有很好的可吸收性、生物相容性和机械性能，较陶瓷和高分子材料又有很好的力学性能，在骨科植入中，具有与骨接近的密度和弹性模量，以致不引起应力遮挡，生物镁合金还具有可控的腐蚀速率，在心血管植入和骨修复上有很好的应用前景。目前研究的镁合金主要包括WE43、AZ31、Mg-Ca、Mg-Zn-Ca等。与此同时生物镁合金有存在以腐蚀速率过快，机械强度不够为主的问题[1]。最先广泛用于临床治疗的金、银、铂等贵金属，具有良好的稳定性和加工性能，但因其价格较贵，广泛应用受到限制。钽、铌、锆，具有很好的化学稳定性和抗生理腐蚀性，氧化物基本上不被吸收和不呈现毒性反应，可以与其他金属结合使用而不破坏其表面的氧化膜。并且表现出良好的生物相容性，但也因其价格较贵，应用受限。而Sr可以起到细化晶粒的作用，从而提高材料的力学性能和耐腐蚀性能，因而受到广泛关注。

2 高强度生物支架的研究新进展

由于表面涂层技术的发展，目前介入用血管支架各类药物涂层技术较从前已经获得长足的进步，涂层支架的临床使用数量也远远超过了裸支架，但远期疗效仍有待继续验证。无论何种药物涂层支架，当其被植入生物体内一段时间后，表面携带的功能药物涂层都会被生物体逐渐吸收而最终露出裸支架，因此并不能彻底改善现有支架所存在的诸多问题。因此，生物可降解支架應运而生，由于其具有独特的可降解性，随着植入时间的延长而逐渐在生物体内被完全降解，最终代谢出体外，同时，血管自有的部分原始功能也得到一定恢复，如同从未被植入过支架一般，因此生物可降解镁合金的性能优势尤为突出。

新一代生物可降解镁合金支架是有93%的镁和7%的稀有金属元素组成的合金制成。镁合金可降解支架的机械特性类似于不锈钢金属支架，具有低弹性回缩、高爆破压，和支架膨胀后最小程度回缩的性能。例如，德国Biotronik公司在WE43镁合金的基础上开发了一系列的血管支架。首先将AMS-1镁合金裸支架植入猪的冠状动脉中，研究支架在动物体内的安全性和有效性，然后植入人下肢动脉闭塞患者膝下动脉，最后用于冠心病患者临床实验。Biotronik公司开展了不少于3种镁合金全降解支架的动物及临床实验[2]。

最近，高强度生物可吸收的聚合物基复合生物支架取得新进展。美国某生物医药公司的科研团队与哈佛大学及麻省理工学院的研究人员合作[3]。研究发现，从聚乙醇酸衍生物出发，经编织后用乙交酯-己内酯共聚物覆盖其表面，再通过交联形成复合生物支架。体系具有优异的机械强度是因为覆盖在高强度衍生物表面的高弹性橡胶的存在，而且经橡胶包覆后的复合生物支架在力学测试中表现出更优异的性能，尤其在拉伸性能方面能与金属复合生物支架相当。

3 生物镁合金的应用优势

首先，生物镁合金可以作为骨内植入材料，由于生物相容性较高，可以加快骨组织的愈合能力。并且生物镁合金有与人体骨骼相适应的力学性能，不会引起应力遮挡，从而导致新生骨再次骨折等二次伤害。

其次，生物可降解镁合金也可以作为心血管支架材料，只是一种暂时性的支架，当患者血管自身舒缩性能得以恢复之后，便可自然由身体吸收，可以避免尚存的由于金属材料残留所造成的麻烦和二次手术取出的伤害，可以减少血管内增生、晚期血栓等问题。

再次，跟传统钢架及其他类型医用植入材料相比，新型的植入材料镁合金具有以下突出的优点：生物相容性好，是神经系统所必不可缺的元素，许多的病例状况都与它的缺乏有关系，镁元素也是新陈代谢的人体必要元素。镁还是人体骨骼生长的必要元素，它能促进新骨的增长。可降解性，镁合金在人体内的腐蚀产物人体可以通过自身生成代谢排除体外，从而不对人体产生有害影响。

4 含Sr生物镁合金的创新实验探索

我国人口结构逐渐老龄化，同时随着生活水平的提高，冠心病和车祸骨折老年患者也越来越多，从而对血管支架及骨骼固定材料的需求也越来越多。但是，现有的医用材料性能不太完善，但是，研究人员发现含Sr生物镁合金通过改变成分配比来提高合金的比刚度、比强度和耐蚀性，可以提高生物镁合金材料的综合力学性能并同时具有好的耐蚀性性能。

镁合金在含Cl离子环境中腐蚀速度很快。纯镁在人体内的腐蚀速度很快，所以想要控制镁在人体内的腐蚀速度，就必须对镁进行处理，其中主要办法有：添加合金元素、改善加工工艺、表面处理及改性。元素合金化是目前常用的镁合金强化方法，现如今的商业用镁合金的耐蚀性及力学性能还达不到作为合格的医用植入材料的程度，例如，心血管支架必须增强延展性和耐蚀性。无论如何，当添加了其他元素之后，当植入材料在人体内进行工作时，合金元素固然会随之进入人体内，所以得添加一些对人体无害的元素。因此，研究添加合适元素也具有重大意义。对于在生物镁合金中添加Sr元素：Sr能够维护骨骼健康，增强骨强度和骨密度。Sr可以在一定程度上防备患上高血压和心血管病症，并能激发肌肉神经的对外界事物的兴奋度。缺锶会导致龋齿以及骨质疏松，影响身体健康。本文重点介绍了Sr加入到Mg-Zn系生物可降解镁合金的性能特点以及其中突出的问题。

本創新实验选取了Sr元素作为镁的合金化元素。Sr是生物营养元素和骨组织的组成元素，具有良好的生物相容性。添加少量的合金元素能极大的改善镁合金的性能，实验材料选取了在镁合金里，Sr的含量范围为0～1.1Wt%，作为成分的变量，来研究Sr成分的改变对镁合金性能的影响，余量为Mg。其中，选取Sr的含量为0、0.1、0.3、0.5、0.8、1.1Wt%，从而研究合金性能随添加合金含量的变化规律，选出一个最佳的镁合金成分。熔炼合金所使用的原材料为纯Mg、Mg-25%Nd中间合金、Mg-20%Sr中间合金、Mg-20%Ca中间合金和Mg-30%Zr中间合金。此外，熔炼过程中所选择镁覆盖剂为常用的RJ-II型镁覆盖剂，用来隔绝空气，防止镁液面的烟花燃烧。熔剂主要由MgCl2、NaCl和KCl组成。MgCl2能在高温下与空气中的氧气和水反应，生成保护气氛，防止镁液的氧化，且MgCl2能与MgO形成MgCl2-MgO，有较强的去氧化物夹杂的作用；KCl有降低熔剂表面黏度和张力的作用；而NaCl可以调节熔剂的密度和熔点。在RJ-II型熔剂里，除了主要的氯化物组成，还辅助添加了BaCl2、CaF2、CaCl2和MgO等。

本创新实验采用高频感应加热法熔炼镁合金。高频感应加热的原理是通过在线圈中输入高频交流电（10kHZ以上），产生交变磁场，而在金属表面产生同频率的感应电流，可以使表面的温度急剧增加，产生“集肤效应”，使熔炼合金原材料迅速的融化，实现快速熔炼，减少耗损，且在高温下磁场对金属液会有涡流搅拌作用，使合金的成分更加均匀，晶粒细小，并减少合金熔炼过程中的杂质。熔炼设备为长江精工出厂的型号为GP-28E的高频感应炉，其它需用到精度为0.01g的电子天平，口径25mm、长150mm的石英管，试管夹，药匙，称量纸等实验用品。实验结果显示：随着Sr含量的增加，Mg-2.4Nd-0.3Zr的显微结构都是先变小后变大，在Sr含量为0.5Wt%时，合金的晶粒尺寸最小且均匀。

参考文献：

[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.