Mg-Y基生物材料研究进展

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1007-791X.2015.04.002

文章编号:1007-791X(2015) 04-0292-06

收稿日期:2015-06-18

基金项目:国家自然科学基金优秀青年科学基金资助项目(51422105) ;河北省自然科学基金杰出青年科学基金资助项目(E2015203404)

作者简介:*彭秋明(1979-)，男，湖南娄底人，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为镁稀土基结构/功能材料，Email:pengqiuming@ ysu.edu.cn。

0　引言

镁离子是人体中含量第四的阳离子，主要分布在骨骼组织中。同时镁离子在新陈代谢过程中起着重要的作用，是人体内多种酶的辅助因子 ［1］。镁与天然骨密度相当，同时镁的杨氏模量约为45 GPa，符合理想接骨板的力学性能要求 ［2］。而且，镁的标准电极电位较低，在PH为7.4～7.6和氯离子含量较高的人体生理环境中容易腐蚀降解，因此随着人体组织自愈合，镁移植材料会逐渐降解被人体吸收，无需二次手术 ［1，3］。从20世纪开始，镁作为医用材料在临床上就得到了应用。1907年，Lambotte ［4］用带有镀金钢钉的纯镁薄板来固定骨折的小腿，但是由于纯Mg在人体内降解速率太快，手术完成8天后纯Mg在皮下产生大量气体，导致手术失败。尽管镁合金作为生物材料有着诱人的应用前景，然而纯镁及其合金存在腐蚀速率过快的问题，而且在腐蚀过程中还会产生大量的氢气 ［5］。通过合金化可以增强镁合金的力学性能和降低其腐蚀速率。上世纪中叶以来，Mg-Al基、Mg-Zn基、Mg-Ca基生物材料得到了广泛的研究 ［6-8］。但是这些材料服役周期一般低于12周，降解过快而导致植入物提前失效 ［9］，受伤组织没有充分的痊愈时间。因此，提高镁及镁合金抗腐蚀性能成为其在生物材料领域应用的关键。

稀土元素作为一类重要的合金化元素，在冶金、材料领域起着独特的作用。在镁合金领域，稀土突出的净化，强化性能逐渐被人们所认识，被认为是镁合金中最具使用价值和最具发展潜力的合金化元素 ［10］。钇(Y)元素是类稀土元素，在镁中有具有较大的固溶度，质量分数约为12.3% ［11］，所以，Y元素在镁合金中能起到更好的固溶强化及时效析出强化效果，同时，Y元素的细化作用也很明显，可使Mg-Y合金的力学性能提高。更重要的是，Y元素可以与镁合金中的H、O、S等元素相互作用，并将溶液中的Fe、Co、Ni、Cu等有害金属夹杂物转化为金属间化合物除去，从而提高镁合金的腐蚀抗性 ［12，13］。而且，Y元素毒性低，已经有含Y元素的药物投入到癌症的治疗当中 ［14］。因此，Mg-Y基合金是一种应用前景广阔的镁合金生物材料。

1　生物用Mg-Y基合金的制备

1.1生物用Mg-Y基合金的冶炼

工程用Mg-Y基合金一般采用硬模铸造工艺来制备。其工艺流程为:在SF 6和CO 2混合气体保护作用下，将合金置入不锈钢坩埚中，在电炉中熔炼，达到所需温度和时间后，将熔体倒入已经预热的不锈钢模具中冷却成型 ［3］。通过传统铸造工艺制备出来的镁合金一般存在缺陷区域或夹渣，而且Fe、Co、Ni、Cu等杂质元素会加速镁合金的腐蚀，导致腐蚀不可控，使其容易产生沉淀脱落，造成医疗事故，故不适合用作生物材料。为了获得杂质含量少，洁净度高，成分准确的生物用Mg-Y基合金材料，传统的熔炼方法已不能满足要求，真空熔炼工艺、快速凝固工艺和区域凝固提纯工艺是制备纯度要求更高的生物用Mg-Y基合金的有效手段。

采用真空熔炼工艺可以提高Mg-Y基合金的纯度。真空熔炼可以防止镁及其它合金元素被氧化，从而减少镁合金中的夹杂物含量，但是真空熔炼过程中常常伴随着Mg元素的蒸发，导致合金成分的变化 ［15］。往真空室中反充氩气可以明显的减小熔体中元素的挥发损失量，精确控制镁合金成分。而且可采用多次抽真空反充氩气方法，来大大降低熔炼炉中的杂质气氛 ［16］。Chou ［17］用高纯镁锭(99.97%)、钇锭(99.7%)和钙锭(99.5%)为原材料，通过真空熔炼工艺制备了组织均匀、晶粒尺寸小的高纯度的Mg-Y-Ca-Zr合金，该合金具有优良的力学性能和降解性能。

快速凝固是指合金熔体以极快的冷却速度

(约10 4～10 9K/s)冷却，使合金在很大过冷度下从液态转变为固态的一种材料成型方法 ［18］。快速凝固技术能够抑制镁合金的晶粒长大，消除成分偏析，得到无偏析或少偏析的细晶组织 ［19］。Peng ［20］以Mg-7Y-0.2Zn(质量分数，下同)合金锭为原料，对合金锭进行快速凝固甩丝处理，得到组织均匀，力学性能优异的微米合金丝，而且该合金丝具有良好的耐蚀性能，可以作为制备心血管支架的原材料。

区域凝固提纯工艺是指在合金凝固过程中，加载扇形温度场，使熔体在温度梯度的作用下定向凝固，将夹杂物排到周围。同时，由于合金冷却速度增加，容易截留高温组织，有效减少合金化元素偏析，组织更加均匀 ［21］。Peng通过区域凝固提纯工艺制备了高纯Mg-Y合金。与传统铸造制备的镁合金相比，该合金不仅洁净度高，而且晶粒尺寸小，二次枝晶间距小，从而使合金的力学性能和耐蚀性能有了明显的提高 ［21］。

1.2生物用Mg-Y基合金的热处理和变形加工

Mg-Y基合金的热处理工艺包括均匀化退火，固溶处理(T4)和时效强化(T6)。通过应力时效和高压时效等创新工艺，改变析出强化相的形貌和尺寸，达到同时提高合金的强度和耐蚀性能的目的 ［22］。Mg-Y基合金退火温度一般在500℃左右 ［23］，固溶处理温度范围一般为420～540℃ ［13］，而时效温度范围一般为150～280℃ ［24］。

为了进一步提高合金的性能，铸态合金和热处理后的合金还需进一步的加工处理，最常用的就是轧制和挤压。传统的挤压工艺主要为正向分流挤压来得到棒材，对于正向挤压主要是通过分流压头挤压实现，即在高温下先分成几股合金，然后在大压力下挤压成管材。正挤压的主要缺点是压力高，温度高，再结晶组织明显，同时由于不同股合金之间是通过机械挤压连接，不能形成完全致密无缝的管材，一方面降低了管材的力学性能，另一方面也降低了合金的耐蚀性。反向挤压工艺由于铸锭表面和挤压筒内壁之间没有激烈摩擦，挤压力大大减少，降低能耗，而且变形均匀。

2　Mg-Y基生物材料的性能

2.1生物用Mg-Y基合金的力学性能

纯Mg的力学性能较低，作为硬组织植入材料时不能满足人体的生物力学能。纯镁的压缩屈服强度和断裂韧度分别为65～100 MPa和15～40 MPam 1/2，而天然骨的压缩屈服强度和断裂韧度分别为130～180 MPa和3～6 MPam 1/2［1］。因此提高镁合金的力学性能，能扩展镁合金生物材料的使用范围。

当纯Mg中加入Y元素或其它合金元素时，合金原子和位错之间的交互作用，会阻碍位错的运动，起到固溶强化效果，从而提高镁合金的力学性能。Chou ［17］研究了可降解生物用的Mg-Y-Ca-Zr合金的力学性能，研究发现，相比纯镁，铸态合金的压缩率和极限压缩强度有了明显的提升。而且，铸态合金经过固溶处理之后，压缩强度和压缩率均降低。随着Y元素含量的增加，合金的晶粒尺寸增大，铸态和固溶态合金的压缩强度和压缩率反而下降。

挤压成型可显著细化晶粒、改善组织、提高材料的强度和塑性。Mg-Y基合金通过挤压或反挤压工艺，由于细晶强化作用，力学性能得到进一步提高，能满足生物材料力学性能的要求。Fan ［25］研究了热处理和挤压工艺对可降解的Mg-1.5Y-1.2 Zn-0.44Zr合金生物材料力学性能的影响。挤压处理能够明显地细化晶粒、消除缺陷和使强化相的分布更加均匀，因此相比于铸态和固溶态合金，挤压态合金的力学性能有着明显的提升。Leng ［26］研究了挤压态Mg-8Y-1Er-2Zn合金生物材料的力学性能，合金经过挤压处理之后，晶粒细化，长程有序堆垛相分布更加均匀，显示出优良的力学性能。Peng ［27］研究了反挤压工艺对Mg-8Y-0.5Zn合金生物材料力学性能的影响。反挤压态合金经过时效处理，相比于铸态合金，晶粒尺寸减小，析出相分布更加均匀，同时固溶强化作用导致合金力学性能得到极大地提升。

2.2 Mg-Y基合金的的耐蚀性能

镁的化学性质较为活泼，在中性、酸性和弱碱性环境中都容易发生氧化和电化学腐蚀。镁在腐蚀介质中会生成一层疏松的氧化薄膜，膜的主要成分为MgO和Mg(OH) 2，不能对基体起到有效的保护作用，尤其是在氯离子含量较高的生理环境中，氧化膜中的Mg(OH) 2会转变成稳定的MgCl 2，Mg(OH) 2的分解导致膜层的完整性遭到破坏，加速合金的腐蚀 ［28］。

随着Y元素含量的增加，Mg-Y合金在不同的温度区间形成3种不同的金属间化合物:Mg 24Y 5、Mg 2Y和MgY ［29］。一般常用的Mg-Y合金铸态组织由α-Mg基体和Mg 24Y 5相组成。Mg 24Y 5相对Mg-Y合金的腐蚀行为有着重要影响。一方面，Mg 24Y 5相与α-Mg形成的共晶组织呈连续的网状分布，能有效的减缓腐蚀速率;另一方面，Mg 24Y 5相与α-Mg基体构成了微电偶，加速了两相界面的腐蚀。而且，随着Y元素含量增加，Mg 24Y 5相的体积分数增加，导致合金腐蚀速率的增加。Mg-Y合金的腐蚀首先发生在Mg 24Y 5相周围，接着向富Y区域延伸，最后α-Mg基体内发生点蚀 ［30］。

Mg-Y基合金降解速率过快会影响其在生物材料领域的良好应用。通过提高Mg-Y基合金的纯度、合金化和表面处理可以提高合金的耐蚀性能。

镁合金的纯度对镁合金耐蚀性能具有重要影响。镁合金中的主要杂质元素Fe、Cu和Ni等易与Mg形成网状的晶界相，并且由于活跃的阴极特性，促进了镁合金表面微电池的形成，降低了镁合金的耐蚀性能 ［31］。所以，如果能有效减少镁合金中有害重金属杂质的含量，可显著提高镁合金的耐腐烛性能。Peng ［21］研究了区域凝固提纯工艺制备的Mg-Y合金的耐蚀性能，铸态Mg-Y合金在3.5%NaCl溶液中的平均腐蚀速率是7.11 mmy －1，而经过提纯工艺制备的高纯Mg-Y合金的平均腐蚀速率只有2.17 mmy －1，完全能够满足生物材料腐蚀速率的要求。

通过添加合金化元素能提高Mg-Y基合金的耐蚀性能。因为对于活泼的镁合金基体，第二相大多为阴极相，添加合金元素会使第二相得到细化，即合金基体上阴极相变得细小弥散，降低了局部腐蚀的倾向。易建龙 ［32］研究了Ce元素的添加对Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.6Zr合金耐蚀性能的影响。结果表明，随着Ce元素含量的逐渐增加，Mg-9Gd-4Y-1Nd-0.6Zr-xCe合金的腐蚀速率逐渐降低，当Ce的质量分数为0.5%时合金的腐蚀速率最小，由此可见适量Ce元素的添加可提高镁合金的耐蚀性能。

对Mg-Y基合金表面进行处理，隔绝合金基体与腐蚀介质的直接接触，是提高合金耐蚀性能的有效手段。表面处理技术包括等离子喷涂、化学转化膜、电化学沉积、微弧氧化和有机涂层处理。Brar ［33］研究了Mg-3Sc-3Y合金的降解性和自钝化膜在体外降解中的作用。结果表明，自钝化膜的形成在最初的24小时起到了阻碍腐蚀的作用，但随着时间的延长到23天，这种阻碍作用变得不明显了。通过测试分析，得知氧化层成分主要为Sc 2O 3和Y 2O 3，且Sc 2O 3的含量高于Y 2O 3。与经过抛光的该合金的腐蚀速率相比，在长达23天的测试中，自钝化膜的形成显著的降低了合金的腐蚀速率，达到了0.01 ml cm －2day －1。研究表明，通过向镁合金中添加Sc和Y元素使之形成选择性氧化膜，是一种有效地控制植入材料降解速率的途径。Zhao ［34］研究了将Al和O元素等离子体植入Mg-Y-RE合金中的腐蚀行为。用Al-O双离子注入技术，使Mg-Y-RE合金表面生成一层Al的氧化膜结构，大大提高了合金的耐蚀性能。

3　Mg-Y基生物材料的应用

目前，Mg-Y基合金作为生物材料的研究应用领域主要集中在骨固定材料和心血管支架材料方面。

3.1 Mg-Y基生物材料在骨固定材料方面的应用

Mg-Y基合金作为骨固定材料，由于其能有效缓解应力遮挡效应，在骨折愈合初期能够提供稳定的力学性能，使骨折部位承受逐步增大直至生理水平的应力刺激，从而加速骨折愈合与塑形，防止局部骨质疏松和再骨折的发生 ［35］。

Castellani ［36］将新型可降解的镁合金WE43 (Mg-4Y-3RE)植入72只5周大小的雄性斯普拉-道来大鼠大腿骨内。实验结果表明，在镁合金移植物中具有很高的骨移植接触和很好的骨体积/组织体积比例，所有的镁合金植入物均表现为与骨头直接接触，任何时间在植入物周围都没有纤维组织层生成;另外，还发现在参与实验的所有大鼠中均未出现全身性炎症反应。由此可见，参与测试的可降解镁合金具有优良的骨移植界面强度和，这种镁合金有望在骨移植中得到应用。Lindtne ［37］使用类似的方法将可降解Mg-Y-Nd-RE合金和自增强高分子共聚物PLGA(85/15)作比较分别植入雄性斯普拉-道来大鼠大腿骨内，其结果表明移植4周之后可降解镁合金界面附近和其直径0.5 mm范围内出现骨的数量比高分子共聚物植入物多，但是在12周和24周后两者区别不大，而且，实验用到的两种可降解植入物在大鼠体内均未发生局部或全身性的炎症反应，这些数据说明可降解镁合金表现出比高分子共聚物更为优异的骨移植界面强度和在移植处周围有较高的骨组织数量。

Kraus ［38］将WZ21(Mg-2Y-1Zn)合金植入32只雄性斯普拉-道来大鼠体内，来研究在镁合金体内的降解行为和镁合金与骨头的相互作用情况。研究表明，WE21合金在植入物周围产生了较多的新生骨，这表明WE21合金具有较好的骨传导性能和骨诱导性能，这些结果对镁合金植入物在小儿科方面的应用具有重要的意义。

Ezechieli等 ［39］为了估计镁合金骨钉植入到新西兰白兔的股骨髁间降解后的产物对滑液和滑液膜的影响，将Mg-Y-RE-Zr镁合金骨钉植入到平均年龄只有6个月、体重为3.8 kg±0.2 kg的36只雌性新西兰白兔的股骨髁间内。临床观察表明，所有的Mg-Y-RE-Zr合金骨钉在体内均表现良好的承受能力，没有出现任何炎症、跛行或者皮下气体腔等现象，没有大量的气体生成，同时骨头的结构也没有发生改变。另外，血清中的镁、肌酸酐、谷丙转氨酶、血清谷草转氨酶和白细胞的含量与正常水平相比相当，在移植前血清中尿素的含量较高，但是移植镁合金之后尿素都含量不再升高。目前的研究表明实验用Mg-Y-RE-Zr镁合金有望在关节内可降解植入材料中得到应用。

Waizy ［40］将Mg-Y-RE-Zr合金螺钉植入15只成年的新西兰白兔的左股骨的骨髓腔内，其中白兔分别在1周、12周和52周时进行手术之后安乐处死。结果表明，血样测试结果和正常水平相当，植入物直接接触处有适量的骨形成并没有形成纤维囊。肺、肝、肠、肾、胰腺和脾等组织样品的组织病理学评价没有任何的异常。因此，Mg-Y-RE-Zr合金螺钉具有很好的生物相容性和骨传导性，而没有急性、亚急性和慢性毒性影响。

为了确定Mg-Y-RE-Zr合金螺钉是否和标准的钛合金骨钉具有相同的骨钉固定作用，Windhagen ［41］进行随机的、小规模的临床实验，将镁合金和钛合金植入具有中等拇指外翻的病人体内。26个病人自由分配接受相同尺寸的钛合金或者镁合金接骨手术。对植入病人进行6个月的临床观察。研究发现，在实验过程中没有检测到异体反应、骨溶解、和系统性的炎症等不良症状。结果表明，可降解镁合金骨钉和钛合金一样可以用于治疗中度症状的拇指外翻患者。

3.2 Mg-Y基生物材料在心血管支架方面的应用

镁合金因易降解性及力学性能符合植入材料要求，可被制成可降解心血管支架。支架移植已经在治疗先天性心脏病发挥着重要的作用，同时它在治疗肺动脉、分支狭窄和阻塞静脉系统这些方面也功不可没。而现在可降解支架已经成为了研究热点，尤其是可降解镁合金支架，这是一种有望提供暂时的支撑狭窄的动脉血管直到血管成形后又缓慢降解的材料。

Hnzi ［42］将直径为4 mm，厚度为0.4 mm的WZ21薄片植入到两只哥廷根小型猪(20～30 kg) 的4种不同类型组织内—肝脏、小网膜、腹直肌肌肉和皮下组织，结果发现，植入WZ21薄片21天后的小型猪炎症反应比91天的要更为严重，在组织观察中可以清楚的发现移植处形成了血管，这表明WZ21合金具有良好的生物相容性。

Erne ［43］最早将WE43合金制备成血管支架并植入人体中实验，其从动物和人体实验说明，镁合金在可降解支架方面具有很大的应用潜力。Mario ［44］将Biotonik公司研制的吸收血管支架(WE43)植入到猪的管状动脉，四周后可以看出血管造影最小腔内径(1.49 mm)高于不锈钢(1.34 mm)，另外，他们还进行了初步的临床试验研究，将WE43植入20个平均年龄为76岁的病人下肢(10个为糖尿病患者)，这些病人都是下肢严重的缺血，实验过程中没有任何病人出现过敏反应和中毒症状。但是，这种支架也存在使用的局限性，因为射线可完全穿透性使得要探测支架的栓塞情况变得很困难。

4　展望

生物医用镁合金材料被誉为“革命性的金属生物材料”，在医用生物材料领域有着广阔的应用前景。Mg-Y基合金是否满足生物材料的使用要求，材料的生物安全性、力学性能和降解速率的控制是3个基本条件。Mg-Y基合金的所有合金化元素最终将全部进入人体中，生物相容性的系统评价是其成为生物材料的基础。Mg-Y基合金需要在完成它的功能之前具备必要的强度和塑性，以保证服役功能需求。未来临床上需要的Mg-Y基合金降解是均匀腐蚀，要求材料的降解速度与组织新生或者愈合速度相匹配。由于动物及人体环境的复杂性，Mg-Y基合金在生理环境下的腐蚀本质和生物相容性还需进行长期的系统研究。

Mg-Y基合金作为生物医用材料，还有更多潜在医用价值值得挖掘。Mg-Y基生物材料的研究将集中在以下几个方面:1)通过冶炼工艺、合金化处理、变形加工工艺和表面处理技术，来实现Mg-Y基合金的均匀可控降解; 2) Mg-Y基合金在不同腐蚀介质中的力学性能分析; 3) Mg-Y基合金在活体内的降解代谢机制及体内降解产物的生物安全性、降解行为的可控性。相信经过科研工作者的共同努力探索，生物医用Mg-Y基合金一定会有更加成熟的发展，成为保障人类健康与长寿的新型金属生物材料。