镁合金在可植入医疗器械中的应用展望

郑州大学 材料科学与工程学院 张 晔

镁合金在可植入医疗器械中的应用展望

郑州大学 材料科学与工程学院 张 晔

镁是一种可被人体吸收的常量元素，具有较高的强度和刚度。此外，镁合金还具有良好的可降解性，可以被人体吸收从而避免了异物在人体内长期存留以及二次手术等问题。因此，利用镁合金独特的性能，开发新型可植入医疗器械，可以广泛地造福于人类，并可产生巨大的社会和经济效益。可降解生物镁合金材料可以应用在骨内固定器件、骨内填充器械及心血管支架等可植入器械，目前，镁合金已经成为生物材料的研究热点。

一、传统可植入医疗器械面临的问题

目前，临床应用的骨内固定器件以其是否可被人体吸收而被分为2大类：不可吸收类和可吸收类。不可吸收类骨内固定器件主要由不锈钢、钛合金和钴基合金金属材料制成。可吸收类主要由可降解高分子材料、可吸收生物陶瓷等制成；不锈钢、钛合金等金属医疗器械在临床使用中普遍存在一个重要问题，就是医用金属材料植入体内后将会作为异物长期留存在体内，会不同程度地刺激周边肌体组织，从而产生不同程度的组织反应。金属材料在体内由于腐蚀、磨损等造成的有害金属离子溶出和颗粒物的形成，还易引发人体过敏及体内的炎性反应，严重时甚至导致畸变、癌变等重大疾病的发生。因此病愈后，患者往往需经二次手术将金属植入物取出，这又给患者带来了新的临床风险及额外的经济负担。植入心血管支架的患者一般需长期服用抗凝血药物来减少金属支架植入后的心血管再狭窄发生率。聚乳酸类可降解高分子材料与金属材料相比，其力学性能还存在明显不足，且降解过快，价格昂贵。因此，能否实现植入金属在人体内的完全降解并被体内安全吸收或排泄，一直是临床医学工作者需要解决的一个问题。

二、可降解镁合金作为医用材料的优势

1.从本世纪初开始，以生物可降解镁合金为主要代表的具有生物可降解特性的新一代医用金属材料的研究发展迅速，受到了人们的特别关注。这类新型医用金属材料抛弃人们通常将金属植入材料作为生物惰性材料使用的传统思想，而巧妙地利用镁基金属材料在人体环境中易发生降解的特性，来实现金属植入物在体内逐渐降解直至最终消失的医学临床目的。此外，由于镁合金所具有的金属材料特性，其强塑性、刚度、加工性能等都要远优于现已开始临床应用的聚乳酸等可降解高分子材料，因而更适于在骨等硬组织修复和介入支架方面的临床应用。可以推断，生物可降解镁合金的医学临床应用，可大大提升现有相关金属植入器械具备的医疗功能，并可能产生新的医疗效果，从而会为广大疾病患者带来新的福音，因此在金属植入器械的应用和发展中具有里程碑性的重要意义。

2.生物可降解镁合金的相关特性。

（1）镁的有益性。镁是哺乳动物和人体必需的一种元素。镁是人体细胞内主要阳离子，它集于腺粒体中，仅次于钾和磷，在细胞外液中含量仅次于钠和钙居第3位，是体内多种细胞基本生化反应的必需物质。成人每日对镁的需求量为400 mg左右。

（2）镁的生物活性。人体中的镁离子可促进成骨细胞的增殖及分化。镁植入生物体内后，可在表面形成磷酸盐类物质，促进周围成骨细胞的大量生成，表现出生物的活性特征，这也是聚乳酸等可降解高分子材料以及不锈钢、钛合金等金属材料所不具备的。

（3）镁的力学性能。与目前已经临床应用或正在开发的可降解（吸收）植入材料相比，镁合金具有更优异的强度、塑性和弹性模量等力学性能，与骨组织的力学性能更为接近，如表1所示；与现已临床应用的金属植入材料相比，镁合金的弹性模量也更接近骨组织。因此，可降解镁合金在临床应用上的优势非常明显。

表 1医用植入材料性能对比

（4）镁的降解特性。聚乳酸等可降解高分子在体内的降解方式为体降解，降解过程中其力学强度损失较快。而镁合金在体内的降解方式主要为均匀腐蚀和点蚀，降解过程中镁合金的力学强度与植入时间基本上呈线性下降关系，在体内可提供更长和相对稳定的力学强度维持时间。更重要的是可通过表面改性处理，来减缓和控制镁合金在体内的降解速率，以满足临床的不同的实际需求。目前，镁合金在模拟体液中的降解速率可控制在0.1～2 mm/a。

（5）镁的密度。与目前临床应用和正在开发的骨科植入材料相比，镁与骨组织的密度最为接近，如表2所示。

表 2 部分生物医用材料及骨组织密度

（6）镁的原材料成本低廉。镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，在地壳中镁的储量约占2.77%，海水中有0.13%的镁。我国目前在镁产业方面有3项“世界冠军”：首先是镁资源大国，储量占世界首位；其次是原镁生产大国，产量占全球的2/3；第三是出口大国，出口量约占总产量的80%～85%。目前，镁合金的市场售价在40元/kg左右，而聚乳酸类可降解高分子则在30 000元/kg以上，价格为镁合金的近千倍。

因此，镁合金医学应用前景极为广阔。上至颅骨修复、颌面外科，下至全身各处的骨折内固定、骨缺损填充支架，再到以心血管支架为重要代表的介入支架等众多不同类型的植入器件，都可采用可降解镁合金来进行制作，从而实现病愈后在体内逐渐降解并最终消失的特殊功能。这对于医用金属材料来说，将是一次具有革命性意义的变革，因此可降解镁合金在欧美已被誉为是一种革命性的金属生物材料。

三、生物可降解镁合金的研究发展与医学应用面临重大挑战

生物可降解镁合金的研究发展历史还非常短暂，从材料研究到未来医学应用的过程中仍面临许多挑战，还存在一些关键的科学与技术问题迫切需要解决，尤其是可降解镁合金在体内方面的相关研究工作及数据还非常有限，已成为可降解镁合金实现医学临床应用的重要瓶颈。包括生物安全性更优的新型可降解镁合金的设计和制备、面向临床应用的可降解镁合金的力学性能优化、镁合金在体内的降解机制及其与体外研究的相关性、镁合金体内降解产物的生物安全性、镁合金降解产物的体内吸收与排泄机制、镁合金在体内降解中的力学强度退化、可降解镁合金植入器件在体内降解中的力学性能有效性、可降解镁合金植入器件的结构优化设计等在内的诸多科学问题还有待更加系统和深入地研究和认识，进而为可降解镁合金的医学应用提供更加可靠的科学依据。

四、生物可降解镁合金的研究方向

目前，生物可降解镁合金的研究主要是在材料组成、表面改性、降解行为、生物相容性等方面。镁合金是以镁为基加入其他金属元素组成的合金，通过加入其他元素，可以控制其降解速率，提高生物安全性。对可降解镁合金进行表面改性，不仅可以提高镁合金的耐腐蚀性能，降低镁合金的生物降解速度，还可以进一步提高镁合金的生物相容性及表面的生物活性，促进损伤组织的愈合。目前，科学家对可降解镁合金的生物安全性已开展了体内外实验研究，表明在合理控制镁合金的降解速率的条件下，可降解镁合金科研表现出较好的生物安全性。