生物医用镁基金属材料研究现状与应用进展

尚磊 上海康德莱医疗器械股份有限公司 （上海 201803）

内容提要：镁及镁合金作为一种经济型生物医用金属材料具有与生物体接近的力学性能，且具有良好的生物相容性和生物可降解性，同时易于加工成型，在血管腔道、非血管腔道、骨科、外科及口腔科领域具有广阔的应用前景。镁合金是一种具有广泛临床应用价值的功能材料，文章分析了镁合金的优劣势、应用领域、面临问题以及解决方法。

生物医用材料（Biomedical Materials）指的是以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的无生命的材料，是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料[1,2]。随着科学技术的进步和对材料科学的不断探索，生物医用材料已经是集材料学、生物学、化学等众多学科的交叉学科，也是近几年国内外研究的重点和热点学科[3]。镁及镁合金作为一种经济型生物医用金属材料具有与生物体接近的力学性能，具有良好的生物相容性和生物可降解性，且易于加工成型，在血管腔道、非血管腔道、骨科、外科及口腔科领域具有广阔的应用前景。本文对生物医用材料的发展进行阐述，着重探讨镁合金的优劣势、应用领域、面临问题以及解决方法。

1.生物材料的发展历程

生物医用材料的发展主要经历了惰性生物材料阶段、活性生物材料阶段、功能生物材料阶段三大阶段[4]。惰性生物医用材料具有与人体组织相当的物理特征，并且可以降低对人体的毒副作用，但这些材料具有显著的应力遮挡效应及较差的生物相容性的缺点，在临床应用受到严重制约；活性生物医用材料具有与人体组织更接近的生物力学性能和良好的生物相容性，率先应用在口腔科及骨科的修复手术中，但这些材料具有低温性能较差，力学性能与人体组织不匹配，易发生断裂破坏，强度和韧性都不能满足临床上的要求，致使其应用受到限制；功能材料主要以可降解/吸收材料为典型代表，具有在植入人体后逐渐被腐蚀降解被人体吸收，最终由人体新生组织所替代的优势受到医学领域的高度关注，生物材料的发展历程见表1所示。

表1.生物材料的发展历程

2.镁基金属性质

2.1 镁基金属的优势

2.1.1 镁基金属力学性能

镁基金属具有良好的力学性能，相比于不锈钢及钛合金，镁基金属的弹性模量、密度与人体骨骼组织更为接近并且具有相似的机械性能，在植入人体后能最大限度的减少应力遮挡效应，植入人体后稳定性更佳；并且具有良好的导热性及无磁性，增大患者后期诊疗范围，不同医用植入材料的力学性能对比见表2[5]。

表2.不同医用植入材料的力学性能对比

2.1.2 镁基金属生物相容性

镁是参与人体物质合成和新陈代谢的必要物质，在人体中的正常含量是25g，血清中正常的镁浓度为3.6～6.0mg，参与蛋白质合成、提高人体多种酶活性、调节神经肌肉和中枢神经系统及调节体温等活动，是人体必不可少的非微量元素，成年人镁的日摄入量为300mg左右[6-8]。镁合金具有极低的标准电极电位的镁很容易被人体体液中组织吸收并排除体外，因此镁是很有潜力的生物相容性金属材质。大量研究表明，镁对动物的免疫循环及生理系统未出现负面影响；Witte等[9]研究表明，镁的种植体表面有更多的钙磷酸盐形成并且周围骨量增加，表明镁提高了骨细胞活性并诱导骨生长；Kupetsky等[10]的研究表明镁可以有效降低人体血液中胆固醇含量，防止动脉硬化及心肌梗死。

2.1.3 镁基金属生物可降解性

镁是一种低标准电位（-2.37V）的活泼金属，表面的氧化膜疏松多孔，不能对基体不能有效防腐蚀。根据Pilling-Bedworth原理，镁合金的表面成形的氧化物膜的PB比只有0.84，因此不能形成有效的保护膜。并且在负责的生物体环境中，在作为植入体长期和体液接触过程中，体液中含有的氯离子及酸性离子对镁合金具有侵蚀作用，尤其当氯离子浓度较高时，对镁合金具有较强的破坏性，镁基金属在人体中的电化学腐蚀具体反应见公式（1）、公式（2）、公式（3）[11]。

由上述公式可知，当氯离子浓度较高时，氯离子可以将镁合金表面降解产物Mg（OH）2及Mg氧化物转化成MgCl2，降解产物的转化提高了基体表面活性，失去了减缓腐蚀的作用[12]；此外，生物基体中的蛋白质、氨基酸、各种活性酶等均对镁合金有腐蚀甚至加速腐蚀作用，绝大多数的镁合金在植入人体后，在组织自愈之前已经完成降解失去相关性能，这也是主要限制镁合金使用的关键因素[13]。

2.2 镁基金属的缺点

镁基金属具有较高的降解速率，过快的降解速率会严重影响作为骨填充物的镁基金属的固定支撑作用，这主要是因为镁基金属的降解速率大于人体的骨组织修复速度；降解过快的同时会有过量的氢气和镁离子产生，来不及释放的氢气会形成气泡，在一定程度上影响植入体周围的生理环境和人体恢复，过量释放的镁离子在超出人体正常范围，生物基体也会出现肌肉麻痹、低血压等症状[14,15]。

3.镁基金属临床应用

3.1 血管领域应用

血管阻塞一直是影响人类生命健康的严重威胁，在心脑血管及外周血管领域的发病率逐年呈上升趋势，血管内支架术已经广泛成熟应用于治疗冠状动脉、脑血管及外周血管阻塞疾病。现阶段临床常用的金属支架均具有不可降解能力，即化学惰性，长期存在人体血管中金属支架会导致血管内表皮化延迟、支架内再狭窄、术后靠药物抗血小板治疗等缺陷。镁基金属具有良好的力学性能和生物相容性，在达到扩张血管的同时，克服永久植入所带来的一系列并发症，同时为病变的二次治疗提供可能。与聚合物支架相比，镁合金支架具有体积小、力学性能好、无额外锁定机制等优势。世界首例镁合金可降解支架由德国biotronik公司通过激光雕刻技术对WE43镁合金材料进行雕刻加工成冠状动脉支架，主要用于经球囊扩张达到扩张血管保持血流畅通的作用，在临床方面表现出良好的力学性能和生物相容性。Heublein等[16]在动物实验家猪冠状动脉内植入AE21镁合金支架，研究表面该支架6个月后有50%的质量损失，没有发血管炎症，血管可再内皮化，这项研究也证明了镁合金支架作为植入物的可行性和安全性[16]。Peeters等[17]对下肢严重缺血的20例患者植入了WE43支架，未发现有炎症或生物毒性等不良影响。

3.2 骨科领域应用

镁合金材料具有良好的生物相容性，并且与人体骨密度和弹性模量接近，可有效避免应力遮挡效应，镁合金材料的腐蚀降解性能可有效避免二次手术给患者的带来的经济负担及治疗痛苦，这样的特性使镁基金属成为最有前景的新型骨科医用材料。早在1932年，Erdmann N等[18]采用纯镁骨钉治疗肱骨踝上骨折，临床未发现并发症及组织疼痛，1年内骨钉完全降解消失[17]。随后利用纯镁骨钉和骨板治疗肱骨骨折，3周后骨板完全降解，骨折线消失。Tan L等[19]利用AZ31B镁合金作为骨内植入物研究发现该金属在生物降解方面具有良好的效果，具有临床应用研究前景。张广道[20]利用AZ31B镁合金骨修复支架植入兔下颚骨，手术后8周发现，骨板周围包裹了一层纤维结缔组织，组织被分离后骨板的边缘已经被新生骨组织所填充。

3.3 普外科领域的应用

目前在普外科领域，支架已经广泛应用于肠道植入术、胆道植入术以及食道植入术，这些支架大都是金属合金材质，如SUS、NITI、PtIr等，这些金属支架一旦植入需要永久置入人体管道组织，长期的存放会造成严重的慢性炎症、管道内壁纤维化以及炎症等副作用。镁合金支架具有良好的力学支撑性能、可降解性以及生物相容性，置入人体管道能提供短暂的有效职称效应，并且避免了因为长期置入对人体的危害及副作用，具有广阔的应用前景。

3.4 口腔科领域的应用

镁及镁合金金属具有更接近人体的骨密度和弹性模量，是最轻质的金属工程结构材料，具有良好的铸造性和切削加工性，可以通过精密铸造、挤压、冲压和机械加工等方式获得所需要的形状，并且易于回收、无污染[21,22]；并且镁合金具有生物活性、介导成骨作用及生物相容性等优势，其降解产物镁离子可以促进钙磷和胶原蛋白的沉积，促进成骨反应，材料表面含有镁离子又可以促进骨细胞的附着，因此在口腔种植、口腔整形及修复、口腔颌面外科等方面具有广阔的应用前景。

4.镁合金金属应用问题及未来研究

4.1 临床应用问题

目前镁及镁合金作为生物医用材料的应用很受限制，主要还是因为镁合金作腐蚀速度过快，植入后在没有得到组织完全愈合之前就已失去力学性能，并且在降解过程中伴随气体产生，当组织不能及时排除气体时，会造成炎症等并发症；降解过快也会导致更多的镁离子存于组织，导致局部组织pH过高，从而引起人骨成型蛋白-2分泌过量，激活破骨细胞，导致溶骨现象。

4.2 解决方法

提高镁及镁合金的耐腐蚀性，控制降解速率是有效改善镁合金临床应用的有效方法，主要有：材料合金化、变形加工、非晶化及表面改性。尽管合金化和变形加工工艺都可以明显改善镁合金的耐腐蚀性，但是，其耐腐蚀能力还不能满足植入材料的实际要求，非晶态镁合金的塑性远比晶态的差。因此，表面改性研究成为医用镁合金订单应用关键和研究重点。

5.小结与展望

①镁合金电磁屏蔽能力强、良好的铸造性和切削加工性能并且以回收、无污染等优势，是最轻质的金属工程结构材料；②镁合金金属具有优异的力学性能、生物相容性和可降解性，相较与其他金属合金，不但更经济并且是一种具有巨大潜力的生物医用金属材料；③镁合金过快的降解速度和降解过程的安全性是影响镁合金在临床应用的主要壁垒，主要是过快的降解速度会产生过高的镁离子浓度、降解过程伴随气体生产以及在组织愈合之前失去了力学性能等缺陷；④材料合金化、加工工艺、非晶化和表面改性是有效提高镁合金耐腐蚀方法，需要结合力学性能、降解速率、工艺成本等因素综合考虑；⑤为了让镁合金在临床得到更广泛的使用，需要进一步在降解过程的精准性、降解机制、降解动力学分析、体外与体外降解评价机制及降解过程安全性等方面进一步研究。