WE43镁合金的成骨性能探究及展望

冯哲，喻正文，2，杨岚，3，韦纪英，3

1.遵义医科大学，贵州 遵义 560000；

2.贵州省普通高等学校口腔疾病研究特色重点实验室，贵州 遵义 563000；

3.遵义医科大学附属口腔医院，贵州 遵义 563000

近年来，随着生物材料的不断进步与发展，镁合金、锌基合金、钛合金等因其各自的良好性能被应用于医学不同领域，不断有研究表明镁及其合金是一种在生物医学应用领域具有巨大潜力的材料，研究镁合金引导骨再生修复材料在临床医学中的应用具有十分重要的意义和广阔的市场应用价值，镁合金有望成为继钢铁、铝合金之后第三大结构材料，被誉为“21世纪绿色工程结构材料”，其在心血管支架、人体硬组织以及引导骨再生膜修复材料研究方面具有十分重要的意义和不可估量的医学应用前景。由镁合金制成的可生物降解的支架也在21 世纪初首次引入后进入人类的临床前试验，本文将对目前在镁合金中较有发展前景的WE43 铸造镁合金在动物实验中的影响、反应及WE43 铸造镁合金在临床医学中的应用进行综述，系统讲解WE43铸造镁合金研究现状，并对其亟待解决的科学问题和应用前景进行展望。

1 WE43铸造镁合金研究现状

与已临床使用的生物材料不锈钢、钴铬合金、钛及钛合金、镍钛合金、贵金属等相比，镁及镁合金具有密度接近人体骨组织密度和力学性能[1]、与人骨弹性模量相差较小、良好生物相容性[2]、较好的强度、热成形性、良好的铸造能力、隔音能力，良好的电磁干扰屏蔽，优异的机械加工性和可回收性、适宜的腐蚀降解性能以及相对低廉的价格等优点，另外，镁不仅是地球表面第六大丰富的元素，约占其成分的2.5%，并且作为一种重要的成分，在人体中大量存在，参与着体内所有能量代谢，对神经运动机能、生理机能、预防缺血性心脏病和循环系统疾病有着重要作用。正常成人每天摄入的镁约为300～400 mg，尿液中不必要的镁离子可以无效且有效地消除。同时，镁合金是可生物降解的材料，具有出色的生物性能。生物可降解镁植入物的历史始于1808年Sir Humphrey Davy发现元素镁之后不久[3-4]，此后，不断有学者对镁合金在生物、医学领域的应用及发展进行学习及探究。

镁合金可分为三大类[5]：①纯镁和少量其他元素的镁合金，即镁合金中除给定的元素铝和锌[6-7]外，还含有少量的锰。②含铝镁合金—AZ91、AZ31、AE21，AZ31 和AZ91 多年来一直用于工程应用，AE21 合金由镁、铝、稀土元素(RE)以及少量锰组成。此外，AE21组合物与商业抗蠕变合金AE42非常相似。为了开发出更低密度，且与其他镁合金相比较更具有好的延展性和抗腐蚀性能的镁合金，LAE442基于合金AE42孕育而生：它含有铝、锰、RE 和锂[8]。③无铝镁合金，无铝镁合金分为WE、MZ、WZ 和Mg-Ca 合金。其中，WE43作为经改善后具有更好的抗蠕变性和高温稳定性[9]的典型代表，WE43 的主要成分分别是钇(Y)、锆(Zr)和稀土金属(RE)，与Mg-Zn 和Mg-Al 合金相比，WE43 合金中含有稀土金属(RE)，由于其独特的物理和化学性质，添加到镁合金中可净化除杂，具有细化组织和合金化的综合作用，在大幅度改善其高温性能的同时，提供了良好的机械性能和改善的耐腐蚀性，从而降低了生物降解率[10-11]。此外，与传统不锈钢、镍钛合金、钴铬合金等对比，它们植入后作为异物将永久性存留在体内，可能会刺激到周边肌体组织，导致不同程度的炎症反应、血管内膜增生、再狭窄等问题，或者需要二次手术进行去除，这在一定程度上增加了患者的痛苦及经济负担，而WE43镁合金因具有无毒、可降解且降解周期适宜等特点，作为植入物有着无可比拟的优势。

近年来，不断有学者对现有的WE43 镁合金进行材料表面改性，包括使用粉末冶金法制备内含网状MgF2 的WE43[12]、铸造和热处理时添加Zn 元素的WE43[13]，均能提高WE43 的耐腐蚀性；或于WE43 基础上使用人工老化方法制备的WE43-T5[14]，较WE43降解速度减缓，更利于植入部位及相邻组织的长期稳定性；添加了SiC颗粒的WE43合金，在硬度提高的同时，抗张强度和耐蠕强度也得到了提升[15]。不论是物理、化学、物理-化学改性，都优化了WE43镁合金更佳的原性能甚至赋予其更多的新性能，一步步的推进着WE43镁合金作为植入物的发展和运用。

2 WE43铸造镁合金在动物实验中的影响及反应

潘锋等[16]在SD大鼠股骨内分别植入WE43镁合金棒及Mg-Mn合金棒，术后不同时间(9周、18周)处死动物，取肝、肾行HE染色后行病理分析、观察移植物及新骨界面区，并计算降解率及分析合金元素分布状态。结果发现两种镁合金均发生不同程度降解，WE43镁合金比Mg-Mn合金具有更好的新骨诱导性和耐腐蚀性能，两种材料降解均未对大鼠肝、肾造成不良影响。实验组WE43中的稀土元素可在大鼠股骨体周围形成少量存留，并对骨生成起促进作用，两种合金中的镁元素及Mg-Mn合金中的锰元素在大鼠股骨体周围均不形成存留(图1)。从而得出结论WE43镁合金相较于Mg-Mn合金降解速率更慢，更适合与新骨重建形成良好平衡关系，是一种更加精良的可降解性内固定材料。

LEVOROVA 等[17]在兔胫骨人工钻孔缺损处分别植入WE43 镁合金螺钉及钛合金，待术后伤口处皮肤愈合后，以四周的间隔期处死动物，对有植入物的骨组织进行CT 扫描和组织学检查。结果发现WE43 镁合金螺钉周围的骨愈合质量与钛合金螺钉相似，并且无明显副作用产生。从而得出结论WE43镁合金同钛合金一样能满足骨组织合成材料的要求，且骨组织愈合质量良好，具有与骨皮质相似的机械性能、较合适的腐蚀性和生物学特性。

TORRONI 等[18]在绵羊额鼻区骨组织的骨膜下分别植入WE43镁合金和T5镁合金，后在不同时间内对植入材料区域进行检测：通过附属淋巴结的LA-ICP来分析植入材料区域的免疫反应及合金材料积累量、通过植入区域的骨组织、植入物及软组织的组织学检查分析局部反应，从而观察两种合金的生物相容性。结果发现WE43镁合金和T5镁合金与空白组(无植入物)的淋巴结镁积累量无明显差异。得出结论：WE43镁合金同T5 镁合金同样具有出色的生物相容性和促成骨生成的能力，该大动物模型实验为进一步研究WE43镁合金在颌面部骨折的应用提供了基础。

图1 WE43镁合金和Mg-Mn合金植入物与周围骨组织的横截面(↑表示新生类骨质，500 μm)

LUKYANOVA 等[19]在体外和体内条件下研究了镁合金WE43的生物相容性。将WE43于小鼠皮下植入后，生物降解率显著降低，WE43镁合金的样品表明能与周围组织之间在不对组织产生损伤的情况下形成紧密接触，且通过组织形态学研究后发现，WE43镁合金在植入小鼠皮下后，没有产生任何对心脏、肺、肾、肝和脾等内脏器官有害的影响，也未引起任何局部或全身症状的化脓性炎症、水肿或出血(图2)。

图2 植入物(WE43镁合金)于小鼠皮下植入区域

WAIZY 等[20]、DIEKMANN 等[21]也分别通过豚鼠、兔子(图3)等动物实验将WE43 镁合金材料植入于动物骨组织内，在观察植入部位骨组织形成和植入材料降解的同时，通过检测分析血液成分以评估镁离子水平，与正常值相比，未发现WE43镁合金植入后血清镁离子浓度明显升高，且血镁的调节只要发生在动物肾脏中，并通过尿液排泄，生化检查显示，肌酐中镁离子浓度在正常值范围内，组织病理学检查肾脏亦未发现任何病理表现，表明WE43具有良好的骨结合能力、骨诱导性、促成骨性，且具有替代成骨作用，皮肤致敏性能实验结果也表明WE43 镁合金无致敏性能[22]，可作为可降解植入物的应用。

3 WE43 铸造镁合金在体外法(细胞实验)中的影响及反应

王心玲等[23]使用直接法：将人脐静脉血管内皮细胞接种于WE43 铸造镁合金表面，培养24 h 后使用免疫荧光染色观察细胞形态；间接法：在100%、50%、10%浓度的AM50、WE43铸造镁合金浸提液内分别对人脐静脉血管内皮细胞进行培养，且同样于显微镜下使用细胞免疫荧光观察细胞形态，直接法与间接法均发现与WE43镁合金接触后的人脐静脉细胞仍可正常生长，细胞形态无异常；在12 h、24 h、48 h 分别使用CCK-8 法检测于浸提液中培养的细胞的相对增殖率(图4)，发现细胞相对增殖率≥100%。最终得出结果表明：WE43 铸造镁合金对人脐静脉血管内皮细胞增长及生长无毒性作用，具有良好的细胞相容性及生物安全性。

LIAO 等[24]从成年兔膝盖的关节软骨中分离软骨细胞，待培养10 d后分别接种到WE43、AZ31、JDBM、C-JDBM、纯镁及TC4圆形样品支架上，在1 d、3 d、5 d使用显微镜观察软骨细胞在材料上的黏附形态，所有样品表面均有细胞附着且细胞形态无异常，未见不规则、拉长及变形(图5)，并通过间接细胞毒性、细胞增殖及细胞凋亡实验测试，包括WE43 在内的各金属材料与软骨细胞在体外均有良好的生物相容性。

4 WE43铸造镁合金在临床实验中的影响及反应

现WE43已作为心血管支架材料并被投入人体临床研究[25-27]。国外的研究中，德国Biotronik 公司最早采用WE43 镁合金研制了全降解血管支架，并于WE43 基础上开发了一系列的血管支架，包括AMS-1镁合金裸支架、DREAMS 1G 和DREAMS 2G 镁合金药物洗脱支架，研究支架在动物体内的安全性和有效性，然后植入下肢动脉闭塞患者膝下动脉，最后用于冠心病患者(采用PROGRESSO-AMS支架)，临床实验技术已达成熟[28]。有Biotronik WE43支架植入新生儿心血管的单病例报道，如新生儿主动脉[29]、肺动脉[30]和主肺动脉分支[31]，可见镁合金支架不仅只应用于冠状动脉，其他血管均可使用镁合金支架作为植入物。镁合金在降解过程中产生的带负电的电荷具有抗血栓形成的作用，降解产物支架腐蚀和溶解的产物为无机盐，具有良好的生物相容性，能被人体安全代谢掉而不产生有害影响，即在体内不会产生慢性炎症，且血管内膜增生率低。尽管部分研究结果显示，与传统治疗方法相比，镁合金支架没有显著的优越性，但以上研究充分证实了镁合金支架的安全性。

图3 植入WE43镁合金螺钉的兔胫骨骨髓腔

图4 WE43、AM50浸提液中人脐静脉内皮细胞免疫荧光镜下形态(×200)

图5 第3天扫描电子显微镜下软骨细胞于各金属样品表面的附着形态(500 μm)

此外，WE43镁合金可用于替代皮质骨、下肢韧带和肌腱，也可用于替代选定的上肢和躯干韧带及相关组织[32-33]，且在对于较严重的整形外科创伤的修复中，WE43 镁合金作为颅面和整形外科植入物，也是较佳的材料选择[34-35]。此外，在口腔医学领域中，可作为牙釉质、牙本质、种植材料、修复材料、矫治材料等等，应用前景相当广阔。

5 展望

WE43等生物可降解金属材料在医疗领域的应用潜力无限[36-38]。但是，目前对于许多合金的毒性水平没有明确的数据说明，曾有报道：在中国蒙古地区常驻民体内，发现RE元素在肝脏、肾脏及骨骼中沉积未被代谢[39]；Biotronik公司的使用WE43镁合金制备的镁合金支架，因过多的稀土元素的释放可能会对人体脏器产生一定的伤害，所以在人体内使用时，必须对其成分含量进行调整，降低稀土元素含量以提高生物相容性并降低降解速率。关于RE元素的毒性水平，FEYERABEND等[40]评估了RE元素于体外短期内的影响：将单独的RE 元素按浓度不同分组，作用于不同细胞系，结果存在一定差异：当RE元素浓度较低时，RE元素对细胞表现出毒性作用。WE43合金中的元素，特别是RE 元素，是否存在纳米粒子级的长期潜在毒性问题，目前尚无系统性的研究及实验，且因人体内部环境的复杂性、系统性，在使用何种材料支架作为植入物时须慎重，因此仍待学者、科研人员进一步探究，望能不断完善WE43材料性能，取代一些传统生物医用材料，更好地应用于外科手术、创伤重建等领域。