医用镁合金激光熔覆羟基磷灰石涂层的生物活性分析

孙金娥，刘 杰

（1.北京科技大学天津学院，天津 301800；2.天津第四市政建筑工程有限公司，天津 300000）

镁是一种对人体温和的元素，医用镁合金属于可降解医用材料的一种，被誉为第三代生物医用材料。作为现代临床常用的一种生物体植入材料，镁合金除了良好的可吸收性和生物相容性以外，还具有与骨接近的密度和弹性模量，因而广泛应用于骨科植入领域。

但镁合金在生物环境下耐腐蚀性差，降解产物会使周边环境pH升高和氢气的产生导致炎症反应，这将严重限制其在骨板、骨钉等骨固定材料中的应用。因此，如何基于人体复杂的生理环境，寻找有效途径解决医用镁合金耐蚀性较低的问题成为了当前医用镁合金研究的重点与热点所在。

近年来，随着临床研究的不断深入，越来越多的证据表明，在医用镁合金表面激光熔覆羟基磷灰石涂层可同时发挥医用镁合金可吸收、生物相容好和羟基磷灰石涂层耐腐蚀的优势，使医用镁合金得以在骨固定材料中得到广泛应用。其中，羟基磷灰石属于磷酸盐系无机非金属材料的一种，其化学成分、晶体结构与脊椎动物的骨、牙齿的矿物成分十分接近，是近年来被广泛关注的一种生物陶瓷涂层材料。

多项研究证实，在医用金属材料表面覆盖羟基磷灰石涂层，不仅能够解决羟基磷灰石作为一种生物陶瓷材料力学性能差的问题；同时能够克服金属材料无生物活性、易腐蚀的缺点。与此同时，采用激光熔覆技术实现二者的结合，可进一步实现其他表面改性技术无法达到的效果，如提高涂层生物相容性、使涂层结构更加接近自然生物的组织结构等。

就我国现阶段对于医用镁合金激光熔覆羟基磷灰石涂层的研究来看，大部分研究依旧集中材料的制备工艺之上，关于材料生物活性的研究相对较少。而本文主要论述了医用镁合金的发展，探讨了镁合金表面激光熔覆羟基磷灰石涂层的生物活性等内容，这对于两者的进一步结合与应用具有较好的借鉴价值。

1 医用镁合金

镁合金作为生物可降解材料的应用可以追溯到1878年，Edward C.Huse首次用纯镁丝为出血血管缝扎并提出临床报告[1]。在这方面最有影响力的先是内科医生Erwin Payr，其临床应用和报告启发了许多其他临床医生，使得镁植入物应用到不同的外科领域。1900年，Chlumsky在狗与兔子膝关节的骨表面间插入厚度为0.1mm～0.8mm的镁片，不同厚度的镁片在18d或几周后完全腐蚀。

试验结果表明在对动物与人体的强直关节骨分离后，镁片植入手术能够成功预防关节僵硬，恢复关节运动。1944年Troitskii等[2]报道了多例使用镁植入物来治疗各种骨折的病例，手术结果反映良好，在患者血清未发现镁离子的升高，植入物也未引起明显的炎症反应。1945年，Znamenski等[3]用含10%Al的镁锡合金医治两例枪伤，四周后两例病患的镁骨钉均消失，六周后骨折处融合，镁骨板消失。20世纪40年代，由于镁金属在人体内的腐蚀问题得不到足够的解决，外科医生开始使用耐腐蚀性强的V2A钢，因此镁及其合金不再是生物材料的研究重点。1999年，随着镁在心血管介入器械中的应用，镁及其合金作为医用材料再次被关注。2005年，Witte[4]报道了用四种商业镁合金进行动物试验的结果，为后来的医用镁合金的研究打下基础。Janning等人[5]报道指出在六周时间内，植入兔子膝盖的纯Mg(OH)2柱体在六周内缓慢溶解损失了19%的体积，其他的含镁金属盐显示出更低的溶解度，很难从植入部位中清除，然而却表现出良好的生物相容性。Yang等人设计了一系列Mg-Sn-Mn合金支架，发现当比例为Mg-3Sn-0.5Mn时，支架表现出最优力学性能和耐腐蚀性能。

2 羟基磷灰石涂层

羟基磷灰石与人体的硬组织具有相似的成分，可以很好的诱导骨的生长。但其脆性十分大，很难应用于人体承重的部位，所以经常被用于涂层的应用。医用镁合金表面覆盖羟基磷灰石，很好地降低了医用镁合金在人体降解速率过快的问题，提高其生物相容性。研究表明覆盖羟基磷灰石的医用镁合金在生理盐水和细胞溶液中被均匀的腐蚀，这一特点提高了人工置换关节的长期疗效。

获得羟基磷灰石的方法主要有化学沉积、电化学沉积、离子束辅助沉积以及激光熔覆。其中，激光熔覆是将HA熔覆于AZ91镁合金表面，涂层与基体呈冶金结合，涂层的相组成为HA和β-TCP。

3 激光熔覆羟基磷灰石涂层的生物活性分析

激光熔覆技术，是一种经济效益很高的新技术，它可以在廉价金属基材上制备出高性能的合金表面而不影响基体的性质，降低成本，节约贵重稀有金属材料，此外，激光熔覆技术比生物陶瓷涂层具有其他表面改性技术所无法比拟的优点；界面结合方式为牢固的冶金结合；涂层具有择优取向、有序分布的胞状微晶组织特征，这种组织与自然生物的组织结构有相似之处，提高涂层生物相容性；改善生物硬组织的匹配性与植入材料弹性模量。因此，世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。

在Erlin Zhang等人[6]的研究中，其通过激光熔覆方法在医用镁合金的表面覆盖一层羟基磷灰石涂层后，涂层与基体的交界面之间发生了相互扩散的现象，体现了良好的生物相容性和生物活性与此同时，涂层表面未见空隙，这证实了激光熔覆羟基磷灰石涂层在提高镁基体耐蚀性中的积极效果。HA是亲水化合物，导致血浆纤维蛋白吸附减少血小板难以黏附，有研究测得激光熔覆涂层的PT（凝血酶原）值约为19.508s，镁合金的PT值约为11.025s，激光熔覆涂层的抗凝血性能远远高于镁合金，体现出良好的血液相容性。

HA具有人体硬组织相似的化学结构，当其植入人体会有轻微的溶解，溶解的钙磷与周围骨组织形成化学键，从而和骨原细胞结合，慢慢的骨原细胞逐渐进入HA，并演变成骨细胞。研究发现成骨细胞均匀地铺在HA表面，呈长条形和多角形生长，表面细胞皱褶较多，有大量的细小细胞伪足呈散射状分布于细胞四周。表明了HA涂层具有适宜骨原细胞的生长和分化，具有很好的细胞相容性。赵常利等人[7]通过激光熔覆法在镁合金表面得到了致密均匀，耐蚀性好，降解周期较长的羟基磷灰石涂层。与此同时，研究证实了羟基磷灰石涂层植入人体会有轻微溶解的现象，可能产生弹性回缩、导致酸性产物降解、引发炎症反应的问题，对此，应当谨慎长期应用。

4 医用镁合金激光熔覆羟基磷灰石的应用展望

从目前生物材料发展来看，镁及其合金确实为一种具有优越性的生物医用材料，开发研究镁基生物陶瓷复合涂层不失为生物材料领域很有前途的一种发展方向。然而，迄今为止，并没有开发出一种单一的表面改性技术，能够充分保护镁不受腐蚀，目前的制备羟基磷灰石涂层的方案为几种工艺混合使用。另外，由于人工合成的纯 HA 自身所属陶瓷性质的限制，导致涂层材料脆性大、强度低，抗折强度和断裂韧性等指标均低于人体骨的，使它在人体承重部位的应用受到限制。为改善这些情况，通常将羟基磷灰石和其他材料复合制备成HA生物复合材料，如：金属-HA生物复合材料，生物惰性陶瓷-HA生物复合材料，高分子复合物-HA生物复合材料[8-11]。

由于HA在人体骨中为纳米级别并有序沉淀于骨胶原基体中，而目前的制备工艺方法很难制备出均匀的生物复合材料，进而影响生物医用镁合金的耐腐蚀性能及生物活性，因此HA作为金属基体表面涂层的应用受到关注，但HA涂层薄、和基体结合力较弱等仍是制约其作为生医用材料应用的关键问题。因此，开发更为理想的表面改性工艺，制备更高质量的生物陶瓷涂层，提高涂层与基体的结合力，来改善生物医用镁合金的耐腐蚀性能及其生物活性仍是将来研究的方向。