医用镁合金材料研究进展

董天宇

摘   要：由于具有可降解性、良好的生物相容性和力学性能等优点，镁及其合金近年来成了生物医用材料领域的研究热点。目前，已经开发的医用镁合金体系包括Mg-Ca、Mg-Zn、Mg-Si和Mg-RE（稀土）等多种合金体系。分析了镁合金材料作为可降解生物医用材料的优势和不足，对已经开发的部分医用镁合金体系作了详细的介绍。

关键词：医用植入材料;镁合金;可降解金属;生物相容性

近年来，生物医用可植入材料开始进入人们的视线，受到了学者的广泛关注和研究。以钛合金、不锈钢为主的金属材料和以氧化铝、氧化锆为主的陶瓷材料早在二十世纪六七十年代就已经作为医用材料正式进入临床并应用于人体[1]。但是，目前，临床常用的医用金属材料都具有弹性模量、强度高的特点，并且远高于人体骨骼，从而产生显著的应力遮挡效应，导致骨骼的强度和密度减小，影响骨骼的再生长和塑性[2]。而且，传统的医用金属材料生物相容性差，一旦植入体内，就会在体内长期存在，在不同程度上影响人体其他机体组织的功能。所以，由于传统医用金属材料的诸多限制，一些新的医用金属材料逐渐被开发出来以保证临床应用的安全性和可靠性。镁及其合金由于独特的优点和性能，近年来在作为生物可植入医用金属材料方面受到了学者的青睐。下面对医用镁基材料的优点和不足以及目前已经开发的部分镁基材料作了详细的介绍。

1    医用镁基材料的优点和不足

1.1  医用镁基材料的优势

镁及其合金在生物医用领域的应用得到广泛研究，主要因为其具有以下优点：（1）镁及其合金具有良好的力学性能。镁的密度约为1.738 g/cm3，与人体的骨骼密度非常接近（1.75 g/cm3），弹性模量为41～45 GPa，与人体骨骼的弹性模量相近，并且镁及其合金与人体骨骼具有相似的机械性能，这些特點能在一定程度上减少应力遮挡效应，促进骨骼的修复和再生长[3]。（2）镁及其合金具有良好的生物相容性。镁元素是参与人体新陈代谢、维持人类机体组织正常运转的重要元素。正常成人体内Mg的质量在21～28 g，其中骨骼中大约包含了53%，其他的镁元素则存在于肌肉组织以及肝、脑、肾等人体器官中。新的美国RDA标准规定成年人镁的日摄入量180～350 mg[4-5]。（3）镁及其合金具有可降解性。镁及其合金的电极电位低、抗腐蚀性能差，在体内易于降解，然后被人体吸收或者排除，临床植入人体后不需要二次手术，不会对人体造成二次创伤[6]。（4）镁及其合金具有良好的骨诱导性。研究表明，镁离子可以诱导新骨的生成，主要因为镁离子可以刺激释放更多降钙素基因相关肽（Calcitonin Gene Related Peptide，CGRP），从而进一步促进骨膜内干细胞的成骨分化[7]。

1.2  医用镁基材料的缺点

虽然镁及其合金作为新一代的医用植入材料具有许多优势，但是目前来说，医用镁基材料仍然存在一些不足：（1）镁的标准电极电位很低，容易腐蚀，在人体内极易分解，从而导致植入镁合金材料在人的机体尚未恢复以前就被腐蚀，严重影响植入材料的性能和稳定性，从而降低了植入材料的功效[8]。（2）植入人体中的镁及其合金在降解的过程中会产生过量氢气，这些过量氢气来不及扩散而在机体中形成气囊，在一定程度上影响植入材料和骨骼的相互作用，从而影响骨组织的愈合[9]。

2    常见的生物医用镁合金体系

2.1  Mg-Zn系镁合金

Zn是人体必需的微量元素之一，在人体的生长发育、免疫、内分泌等生理过程中起着极其重要的作用，被人们冠以“生命之花”“智力之源”“婚姻和谐素”的美称。Zn是镁合金中最常见的强化元素之一，在镁中具有较高的固溶度，时效处理后，表现出很高的时效强化效应，可以显著提高镁合金的力学性能。石国梁等[10]制备了一种高强度的Mg-6Zn基镁合金，通过热处理控制强化相β?（MgZn2）的析出，显著提高合金的力学性能。但是MgZn2与基体之间的电极电位差较大，腐蚀最容易发生在MgZn2和镁基体的连接处，降低了合金的腐蚀性能。有文献指处，可以通过固溶处理，使MgZn2重新溶入镁基体，降低第二相的电偶腐蚀作用，从而提高Mg-Zn合金的抗腐蚀能力。

2.2  Mg-Ca系镁合金

众所周知，Ca是人体内最重要的元素之一，人在各个年龄段都需要不同程度的Ca元素摄入，享有“生命元素”之称。Ca是人体内含量最多的无机盐，占人体质量的1.5%～2.2%，主要分布在骨骼和牙齿之中，是骨骼发育的基本原料[11]。Ca加到镁合金中，一方面可以形成稳定的化合物，另一方面可以显著地细化镁合金晶粒，从而提高合金的力学性能。Ca在镁合金中的平衡固溶度较低，大约为1.34%。当Ca的添加量小于固溶度时，Ca全部溶入镁合金，不会形成Mg2Ca二元相。随着Ca含量的增加，形成Mg2Ca相，沿着晶界呈网状分布，导致晶界的脆化，裂纹沿着晶界萌生和扩展，从而导致力学性能的降低。而且，当Ca的含量过高时，大量的Mg2Ca相会增加电偶腐蚀发生位点，降低合金的抗腐蚀能力。所以，控制镁合金中Ca的含量就显得尤为重要。

2.3  Mg-Si系镁合金

Si是人体必需的微量元素之一，可以促进人体软骨的形成，在人体免疫系统中发挥重要作用。Si在人体中不易被吸收，研究表明，成人每日Si的摄入量为20～50 mg[12]。Si在镁中的固溶度不高，最大固溶度约为0.003%，所以，Si添加到镁中会形成汉字形状的Mg2Si第二相。由于Mg2Si具有熔点低、硬度高的特点，可以通过热处理来提高Mg-Si合金的力学性能。但是由于大量Mg2Si的存在，显著提高了Mg-Si合金的腐蚀速率，降低了合金的抗腐蚀能力。

2.4  Mg-Re系镁合金

近年来，对稀土元素的研究受到了越来越多学者的关注。在Mg中添加稀土元素，可以显著提高合金的力学性能，包括强度和韧性以及抗腐蚀能力。而且，有报道指出，Re具有抗癌的作用，所以，Re在生物医用领域也受到了广泛关注[13]。

对于固溶度较高的Re元素，溶入镁基体后可以起到很强的固溶强化作用。通常在Mg-Re合金中加入适量的Zn元素，可以形成稳定的Mg-Zn-Re三元相，起到第二相强化作用，其中I相可以显著增加合金的塑形[14]。对于固溶度不高的Re元素来说，Mg-Re合金会形成较多的Mg-Re第二相，这些第二相会显著降低Mg-Re合金的抗腐蚀能力。所以，一般选用固溶度较高的Re元素，避免形成过多的第二相降低镁Mg-Re合金的抗腐蚀能力。

3    结语

生物医用镁基材料由于具有良好的力学性能、生物相容性和可降解性等独特的优点，在医用植入材料方面受到了广泛关注。目前，生物医用镁基材料还处于发展的初级阶段，有许多问题亟待解决。特别是在人体内降解速度过快和在人体中的安全问题，严重限制了镁基材料的应用。所以，未来对医用镁基材料的研究应该会集中在以下几个方面：

（1）添加适量的合金元素，改善合金的性能，得到高强高韧的镁合金，满足医用植入材料的需要。

（2）在提高合金力学性能的基础上，控制合金元素的添加含量，研究合金的腐蚀机理，提高合金的抗腐蚀能力，减小镁合金在人体中的降解速度，保证植入人体的镁合金材料的应用年限。

（3）对植入人体的镁合金材料需要进行安全性评估，评估植入材料的生物相容性，保证植入材料不影响人体各个器官的正常运转。

[参考文献]

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Research progress of medical magnesium alloy materials

Dong Tianyu

（Langfang Branch of Hebei Special Equipment Supervision and Inspection Institute， Langfang 065000， China）

Abstract：In recent years， magnesium and its alloys have become a research hotspot in the field of biomedical materials due to their advantages of biodegradability， good bio-compatibility and mechanical properties. At present， The medical magnesium alloy systems that have been developed include a variety of alloy systems such as Mg-Ca， Mg-Zn， Mg-Si and Mg-RE（rare earth）. In this study， the advantages and disadvantages of magnesium alloy material as biodegradable biomedical material are analyzed， and some developed medical magnesium alloy systems are introduced in detail.

Key words：medical implant material; magnesium alloy; degradable metal; biocompatibility