镁合金骨植入材料表面改性的研究进展*

秦浩添 翁鉴 于斐 张卫飞 李国庆 张晟 齐天天 曾晖**

（1.骨科生物材料国家地方联合工程研究中心，北京大学深圳医院，广东深圳 518036；2.北京大学深圳医院骨关节科，广东深圳 518036）

随着社会发展及人口结构的变化，骨损伤患者的数量逐年递增[1]。目前，不锈钢、钛合金、钴铬合金等传统金属植入材料因其具有良好的机械强度和生物相容性在骨损伤修复领域得到了广泛的应用[2]。然而，这类传统金属植入材料的弹性模量大，与骨不能良好的匹配，加之存在应力屏蔽等局限，用于治疗骨科疾病尤其是骨质疏松性骨折患者，易发生再次骨折[3]。而且此类传统金属植入材料需要进行二次手术来移除，以避免骨折愈合后的潜在副作用[4]。因此新型的金属材料应运而生，其中研究最广和应用最多的是镁合金植入材料，镁合金植入材料可生物降解，中间降解产物可被人体吸收或代谢，同时可刺激新骨形成，有利于骨折愈合，此外还有接近皮质骨的机械强度，解决了多种骨损伤患者治疗的担忧，使其成为医用组织工程材料研究的热点[5]。但是，镁合金骨植入材料在体内降解过快，限制了其临床应用[6]。表面改性是指在保持材料或制品原性能的前提下，通过物理、化学等方法赋予其表面新的性能。目前研究可通过表面改性技术有效地提高镁合金骨植入材料的抗腐蚀性和生物相容性，以及赋予其良好的抗菌性能、促进成骨能力，使其有广阔的临床应用价值。

1 镁合金植入材料的特点

镁是人体新陈代谢和骨组织构成的重要元素，是酶促反应不可缺少的辅助因子，其可通过血液吸收和肾脏代谢快速排出，在维持生命健康等方面起到重要作用，而且有强化骨骼、减少骨折和骨质疏松、降血脂及减轻动脉硬化等功效[7]。镁合金植入材料相对于标准金属植入物的主要优点有5个：①镁合金质量轻，密度1.7～2.0 g/cm3，远低于生物医用钛合金(4.4～4.5 g/cm3)，并且更接近自然骨(1.8～2.1 g/cm3)，因而更适合作为植入材料[8]；②与传统金属材料的弹性模量相比，如不锈钢（200 GPa）、钴基合金（230 GPa）、钛合金（115 GPa）等，镁的弹性模量（40～45 GPa）能够更好的匹配自然骨的刚度（11～20 GPa），从而减少骨与植入材料间的应力屏蔽效应[9]；③镁合金在水溶液中有腐蚀敏感性，生物降解能力增强[6]；④镁合金有良好的生物相容性，在植入和降解过程中释放的镁离子被用于正常的新陈代谢[10]；⑤镁合金有促进骨生长的作用。最新研究[11]表明，镁离子可通过刺激背根神经节，使得骨膜中降钙素相关肽的表达上调，从而促进了新骨形成。由此可知，镁合金在医用材料领域有较大的应用前景，但其降解速率难以控制在临床期待的理想范围内，因此需要提升制备工艺以达到作为骨科植入材料的要求。

镁合金的降解通常是通过腐蚀进行的[12]，机理为：Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2（图1）。在生理环境中，高氯化物浓度导致镁合金快速腐蚀；镁合金与周围介质还可以形成原电池，当与作为阴极的其他金属接触时，镁合金因电偶腐蚀而造成的体内降解也难以控制[13]。生理环境中存在的溶解氧、蛋白质、矿物质等也加速了镁合金的降解，进而造成镁合金材料的机械完整性破坏过快，从而引起裂缝形成，释放的氢气泡也能够在植入材料附近的气穴中积累而延迟愈合过程，甚至导致组织坏死，镁合金植入材料表面周围局部碱化而不利于细胞的存活等[14]。因此，通过镁合金表面改性使其与内环境相融合成为近年来研究热点。

图1 镁合金在溶液中降解示意图

2 镁合金植入材料的表面改性

表面改性是一种降低镁合金腐蚀速率，控制其降解行为，也是提高表面生物相容性的最有效途径之一[15]。与改变本体结构和成分相比，对镁合金进行表面改性更简单、方便，表面改性一方面保持了材料良好本体属性，另一方面可调整表面的耐蚀性，使降解可控；同时通过表面改性可以调整植入材料的硬度，赋予其抗菌、促进骨生长和更好的生物相容性[16]。目前镁合金材料表面改性方法主要包括离子注入改性、表面化学改性和表面涂层改性。

2.1 镁合金植入材料的离子注入改性

离子注入是微电子加工中的一项标准技术，装置示意图见图2，其可用于修饰镁合金的表面性能，同时保留镁合金本体特征。与表面涂层不同，近表面的原子分布是梯度的，改性层与基体之间没有突变界面，因此，离子注入材料分层相关的问题并不明显[17]。离子注入是提高镁合金耐蚀性的有效途径。Cui 等[18]将氮气导入AZ31B（Mg-3Al-1Zn）镁合金中，发现其耐蚀性显著提高，同时骨细胞相容性未受影响，并且其效果取决于注入电压和离子通量。Cheng等[19]用等离子体浸没离子注入的方法，将锆（Zr）和氮（N）离子同时注入到AZ91（Mg-9Al-1Zn）镁合金中，通过体外耐腐蚀性实验、抗菌实验和细胞相容性及碱性磷酸酶活性实验发现，Zr和N的双离子注入不仅提高了AZ91 镁合金的耐腐蚀性，而且提供了更好的抗菌性能。不仅如此，在Zr-N注入的AZ91镁合金的近表面形成生物相容性金属氮化物和金属氧化物层为细胞黏附和生长提供了有利的植入表面，进一步促进了骨形成。因此，离子注入的镁合金材料显示出其在骨科疾病治疗领域的潜力。但离子注入无法对合金提供长期保护，并且复杂器件存在注入困难的问题，因此有待进一步的探索。

图2 离子注入装置示意图

2.2 镁合金植入材料的表面化学改性

表面化学改性是通过化学或电化学反应在镁合金表面形成新相。这种方法除去了镁合金表面不具有防腐蚀的天然氧化层，使其更耐腐蚀，表面化学改性一般包括酸蚀、碱热处理、氟处理、阳极氧化、微弧氧化（micro-arc oxidation,MAO）等[20]。

酸蚀是一种预处理方法，是通过产生更致密的钝化层取代原生氧化层的化学改性方法。Turhan[21]认为，2.5%硫酸溶液的酸蚀能够提高AZ91D 镁合金的抗腐蚀能力。碱热处理可在镁合金表面形成Mg(OH)2阻挡层，减缓其降解速率。还有研究认为，碱热改性后的AZ31B镁合金样品具有更好的内皮细胞黏附和扩散能力，即同时提高了镁合金的耐蚀性和生物相容性[22]。经氟处理的镁合金则在镁表面形成更薄、更均匀、极化电阻更高的MgF2层，从而取代了原来的氧化膜使镁合金更耐腐蚀。有研究者[23]发现，氟还可以刺激成骨细胞增殖，增加松质骨中新的矿物质沉积，降低骨组织的溶解度；氟化物修饰的镁合金植入材料在骨愈合的早期阶段可促进骨整合。阳极氧化是在金属表面产生一种厚而稳定的氧化物膜的电化学改性过程[24]。Cipriano 等[25]通过恒流阳极氧化在AZ31B 镁合金上形成了镁氧化膜，该膜能有效延缓AZ31B 镁合金的降解，且不影响成骨细胞增殖或新骨形成。图3 为MAO 装置示意图，MAO 是一种通过高压等离子体辅助阳极氧化工艺进行镁合金表面改性的方法；MAO涂层非常坚硬，有良好的耐磨性和耐腐蚀性、较好的热稳定性和介电性能[26]。Qi等[27]通过在ZK60（Mg-6Zn-0.5Zr）镁合金上添加MAO涂层，减缓了镁合金的降解，并提高了镁合金的生物性能。与裸ZK60 镁合金相比，MAO 涂层ZK60 溶血率明显降低，对L929细胞无细胞毒性。相关研究证实，随着制备电压的增加，MAO 涂层的耐蚀性增强。水热处理工艺简单，但涂层容易被破坏，氟处理过程使用强酸，存在一定危险性，MAO 工艺简单涂层易调，是镁合金表面改性的一个重要研究方向。

图3 MAO装置示意图

2.3 镁合金植入材料的表面涂层改性

增加涂层可通过形成基体与外部生物环境之间的屏障来控制镁合金的降解速率，同时改善其生物相容性[28]（图4）。涂层按其化学成分主要可分为无机涂层、合成聚酯涂层、天然高分子涂层和复合涂层。

图4 镁合金表面涂层示意图

无机涂层材料主要是磷酸钙(Ca-P)。Ca-P 是骨组织中主要的无机成分，也是镁合金上常用的涂层。Ca-P涂层有不同类型，如羟基磷灰石（hydroxyapatite,HA）、磷酸三钙（tricalcium phosphate,TCP）、磷酸八钙(octacalcium phosphate,OCP)等。该涂层有良好的生物相容性、生物活性和骨诱导性，且可提高镁合金的耐磨性和耐腐蚀性，目前广泛用于镁合金骨植入材料制备[29]。HA 是磷灰石家族的重要成员，与骨矿物的化学成分接近，也是镁合金的常用涂层材料之一[30]。Johnson 等[31]在ZK60 镁合金上研发了一种HA 涂层，发现它可减缓合金降解，提高L929 细胞的细胞相容性，使ZK60 镁合金更适用于骨科。β-TCP 包覆的AZ31 镁合金，比未包覆的基体有更好的表面生物活性、细胞相容性、骨传导性和成骨能力，且有更小的可降解性。OCP是牙齿和骨骼磷灰石晶体的前体，存在于磷灰石层和水合层的交替层中，可修复骨缺损，增强骨传导率；体外研究[32]表明，OCP 能促进小鼠骨髓基质细胞向成骨细胞分化。OCP常与其他Ca-P化合物结合，以提高镁合金植入材料的耐蚀性和骨电导率。HA、OCP 和二水合磷酸氢钙（dicalcium phosphate dehydrate,DCPD）组成的涂层降低了AZ31镁合金的降解率,促进了骨修复[33]。Ca-P 涂层生物活性好、应用广，但脆性大、疏松多孔易渗透、结合力较差。

合成聚酯涂层材料主要包括聚乳酸（polylactide,PLA）、聚己内酯（polycaprolactone,PCL）、聚乙烯亚胺(polyethyleneimine,PEI)、聚 苯 胺(polyaniline,PANI)等。此类聚合物有良好的生物相容性和生物降解性，可作为药物控释和骨植入材料的载体[34]。Liu 等[35]在AZ91D 镁合金上添加PLA 涂层，结果表明，AZ91D 镁合金耐蚀性显著增加。Liu等[36]在MAO/Mg 上制备一种均匀的PCL涂层，将其浸泡于Hank's溶液中7 d，并对涂层的耐蚀性进行了评价，结果发现，与未包覆MAO/Mg的试样相比，多孔MAO/Mg/PCL（4.7%w/v）基体有明显的耐蚀性。Witecka等[37]研发了聚乳酸-羟基乙酸涂层Mg-6Zn 镁合金，抗腐蚀速率提高了2 个数量级，细胞附着也有所增强。Xu 和Yamamoto[38]报道了在AZ91D镁合金上制备由PEI、聚苯乙烯磺酸盐和8-羟基喹啉组成的逐层防腐涂层，并采用电化学测试方法进行研究，发现该涂层能在改进型模拟体液（simulated body fluid,SBF）中耐蚀4 d。此外，通过对成骨细胞碱性磷酸酶活性的研究，发现与未涂层镁合金相比，涂层使镁合金材料有更高的骨分化能力。Jimenez等[39]在ZM21镁合金上的丙烯酸黏合剂中制备了一种PANI保护层，使镁合金在0.5%NaCl作用75 d后也没发生基体金属的降解。镁合金与高分子聚合物优势互补，还可作为载药平台，但两者为物理连接、存在明显界限，涂层容易脱落。因此仍需要继续探究探讨。

天然高分子涂层材料主要包括胶原蛋白、壳聚糖（chitosan,CS）、血清白蛋白等。天然高分子材料作为镁合金表面涂层材料具有良好的生物相容性。与无机材料和合成聚酯相比，天然聚合物具有良好的仿生性质。因此，基于植入材料的天然聚合物涂层增强了植入体表面与周围组织基质之间的相互作用，从而加快了组织的再生。胶原蛋白是骨基质细胞外物质的主要成分。有研究表明，Ⅰ型胶原蛋白（collagen Ⅰ,Coll-Ⅰ）可增强骨相关细胞的黏附功能，并为细胞增殖提供了良好的介面[40]。在镁合金表面增加一层胶原膜，可使其具有良好的耐腐蚀性能。有学者[41]指出，矿化胶原蛋白已经在临床上用作口腔应用中的骨移植材料，矿化胶原/Mg-Ca 合金材料在体外无细胞毒性，并可增强细胞增殖和迁移，促进骨再生，为矿化胶原和镁合金的联合应用提供了新的概念。Mushahary 等[42]在生物可降解的镁-氧化锆-钙（Mg-Zr-Ca）合金植入材料表面涂有Coll-Ⅰ后进行评估，结果表明Coll-Ⅰ涂覆的Mg-Zr-Ca合金与未涂覆材料的骨形成相比，覆盖有该涂层的材料可形成更好的骨小梁结构，有更好的骨诱导作用和植入物二次稳定。CS 涂层降解产物无毒，在骨愈合过程中可作为生长细胞的黏附基质发挥重要作用，并可增强镁合金的耐腐蚀性。Cai 等[43]发现CS 对Mg-Ca 合金进行表面改性后，可以减缓其在SBF 中的腐蚀，有更好的骨细胞黏附效果。Guo等[44]通过体内外实验发现，复合壳聚糖-镁（CS-Mg）膜可用作生物降解的骨再生膜（guided bone regeneration membrane，GBRM），有合适的降解速率及与商业GBRM 相似的细胞黏附和生物相容性。血清白蛋白是各种生物循环系统中含量最高的蛋白，它们在维持渗透压、药物配置和疗效方面发挥着重要作用。Harandi等[45]研究表明，牛血清白蛋白（bovine serum albumin,BSA）吸附在AZ91 镁合金上提高了其在SBF 中的耐腐蚀性，促进了合金材料表面的细胞黏附生长。也有研究表明，在浸泡的初期BSA吸附在合金表面，但随着时间的增加，BSA 与腐蚀产物螯合，导致保护膜破裂。因此BSA 可早期抑制AZ91 镁合金的腐蚀，其耐蚀性随BSA 浓度的增加而增加。天然高分子材料生物安全性好、种类丰富，其他天然高分子材料如海藻酸琼脂、纤维素、葡聚糖、甲壳素、酪蛋白、硫酸软骨素等[46,47]，可为进一步研究提供了丰富的涂层选择。

复合涂层则是由于单一涂层不能产生理想的效果，通过2种或2种以上成分复合而形成的涂层，甚至添加药物等成分以协同预防腐蚀和促进骨植入部位的愈合。Li等[48]研究表明,唑来膦酸-CaP双层包覆镁锶合金可促进成骨前细胞的增殖、成骨分化及矿化，但其也可诱导细胞凋亡，抑制破骨细胞的分化；有效的治疗了鼠骨质疏松骨折，为骨质疏松患者提供了一种潜在的治疗方法。庆大霉素负载的HA 涂层镁合金在体外实验中表现出良好的耐腐蚀、生物相容性、长期杀菌活性，有望用于骨髓炎的治疗[12]。Chen等[49]研究发现，AZ31 镁合金上添加左旋聚乳酸（L-Polylactide,PLLA）/HA/胶原复合涂层，该涂层材料降低了底层Mg 样品的降解速率，并表现出良好的组织相容性和骨诱导能力。此外，电沉积法制备的MAODCPD 复合镀层不仅降低了AZ80 的腐蚀速率，而且提高了镀层的磷灰石形成能力，从而提高了与骨细胞的相容性[50]。Lu等[51]采用浸渍法在WE42镁合金上制备了生物相容性MAO/PLLA复合涂层，并观察到其耐腐蚀性能和良好的血液相容性。在镁合金表面添加复合涂层可使其更适合细胞黏附和增殖，提高其生物相容性，并可按相应需求获得良好的抗菌、抑制破骨等性能，是镁合金骨植入材料未来的发展趋势。

3 总结与展望

镁合金是一种很有前景的生物材料，有与天然骨相当的杨氏模量，适宜的强度，优异的生物相容性和生物降解性。然而，如何处理生理条件下镁合金的降解问题仍是挑战；为了满足临床要求，在表面改性设计中不仅要控制降解速率，还要考虑力学性能和骨附着性、生物相容性，以及为了满足特定治疗效果所负载的药物等因素。目前国内外研究已证实了各种表面改性方法可极大的拓展镁合金植入材料未来的临床应用价值。

此外，在归纳镁合金骨植入材料表面改性技术方法中，各种处理技术均有优缺点（表1）。未来的表面改性方法会更多的倾向于多种技术的结合，取长补短，制造出最适镁合金骨植入材料。同时涂层改性方面则会更关注于天然高分子涂层、混合涂层及涂层作为局部药物传递平台的研究。此外新型镁合金骨植入材料工业生产难易程度及经济因素都需要综合考虑，为日后的临床应用做准备。总之，表面改性为镁合金进一步在医学领域的应用创造了可能。相信随着镁合金骨植入材料表面改性技术的不断发展，在将来镁合金将替代传统骨植入材料发挥更大的应用价值。

表1 镁合金骨植入材料表面改性方法及优缺点