医用镁合金合金化与表面处理的研究现状

原啸虎，孙金娥，王舒云，聂佳璇，程佳浩，王姣瑛，柏兴盛

（北京科技大学天津学院，天津 301800）

传统医用植入材料主要分为惰性医用金属材料和可降解高分子材料，惰性金属材料在人体生理环境中不可降解，为永久性植入材料，必需二次手术取出，而高分子材料的降解会引起局部炎症反应，造成植入失败，而镁合金作为新型医用材料，因其具有良好的体内可降解性和生物兼容性，以及与人体骨组织匹配的力学性能等特点，受到了国内外研究学者的广泛关注[1]。因此，本文重点阐述了国内外研究学者通过合金化与表面处理的方法来改善生物可降解镁合金的耐腐蚀性能的研究情况。

1 医用铝镁合金的性质及问题分析

1.1 生物医用镁合金的优点

与传统的医用植入材料相比，镁合金兼并了生物兼容性、可降解性和良好的力学性能等优势。在体内降解方面，由于镁的标准腐蚀电位仅为-2.372V，在正常人体生理环境下，镁合金可以腐蚀方式实现完全降解[2,3]；在生物兼容性方面，Mg元素作为人体必需的元素之一，它可促进人体内一系列的酶系参与所有能量代谢，当人体中的镁高于人体所需时，可通过泌尿系统将其排除，使得血浆的Mg浓度保持稳定[4]。镁作为植入材料，和其他医用金属材料的力学性能对比如表1所示，与其他医用植入材料相比，其性能指标是最接近人体骨骼的力学性能。

1.2 生物医用镁合金的现存问题

镁合金是一种非常活泼的材料，在人体介质中容易发生局部腐蚀，应力的不均匀分布会使材料多处出现不均匀腐蚀，从而导致在患者未痊愈时而体内植入材料却已降解完全，最终造成植入失败。因此改善镁合金的耐腐蚀性能获得更为均匀的腐蚀，是镁合金作为医用可降解材料进行临床应用的关键[5，6]。当前，对于医用镁合金的研发还主要集中在传统的商用镁合金，由于传统镁合金在制造时并未考虑生物兼容性的问题，可能会导致植入人体后产生排异反应，因此，研发新型高性能医用镁合金也是目前所面临的挑战[7]。

2 生物医用镁合金材料的研究现状

镁合金作为新型医用金属材料，巧妙地结合了传统医用材料的优点，但由于镁合金在体内的腐蚀速率过快，降解行为难以控制，现在还无法达到医用降解材料的临床应用标准，因此，根据镁合金在人体介质中发生腐蚀的原理，结合影响性能的因素，如何提高镁合金的耐腐蚀性能，使其降解行为可控，是目前国内外针对生物医用镁合金材料的研究重点[8,9]。

表1 不同医用植入材料的力学性能对比

表2 常用合金化元素对镁合金性能的影响

2.1 镁合金材料合金化设计

医用材料对材料自身的强度、韧性、降解行为和生物相容性都有着很高的要求，合金化设计是改善和提高金属镁性能的重要手段，目前作为合金元素广泛使用的有Al、Zn、Mn、Ca、Sr、Zr、Nd等，这些元素对其性能的影响如表2所示。

（1）Al是商用镁合金中最为重要、添加最多的元素，添加Al可改变镁合金的晶粒大小，从而细化镁合金晶粒；Al还可以改善镁合金耐腐蚀性能，镁合金腐蚀主要原因是由于形成Mg（OH）2腐蚀层，添加Al后，在腐蚀表面形成的富铝层和β-phase（Mg17Al12）网络可有效阻止镁合金的进一步腐蚀。但Al的摄入量过高会导致人体骨钙的缺失，同时还可能损害人体神经系统，引起老年痴呆，因此其生物相容性仍有待确认[10]。目前国内外研究人员对于Mg-Al系的研究主要集中在商用镁合金上，尚无生物镁合金供研究学者进行研究，商用镁合金只能作为实验载体，不能进行临床应用。因此，商用镁合金仍是可降解镁合金作为人体外实验的主要载体[11]。

（2）Zn对人体的生长发育具有重要作用。Mg-Zn系镁合金作为目前新型医用材料的主要研究载体之一，具有很好的生物兼容性。Gu等[1]研究表明，Mg-1Zn（Zn质量分数为1%）合金提取物对细胞的存活率无显著影响，同时还对L929和MG63两种细胞在Mg66Zn30Ca4、Mg70Zn25Ca5两种合金材料上的存活状况进行了研究统计，结果显示，细胞在这两种合金材料上的存活率高于纯镁，并且出现了黏附和繁殖的现象。但有相关报道指出，Zn具有极高的毒性，当含量过高时会抑制细胞的活性，Zn作为合金元素时可以在镁合金中形成功能性保护膜，有效的改善腐蚀状况。因此，Mg-Zn系镁合金具有很好的临床应用的前景，但需要对Zn的含量极限进行更多的研究[12]。

（3）Mn是人体必需的微量元素之一。在对Mn的生物相容性研究中发现，生物体的感觉上皮细胞和听觉神经会遭受Mn的损害，并使神经元和毛细胞产生严重的病变。此外，Mn可使杂质Fe从中析出，降低杂质元素对材料性能的影响，因此镁合金中添加Mn可有效降低其晶粒大小。周世杰等[2]研究显示，当镁合金中添加0.2%Mn时，可有效提高合金的强度和抗腐蚀的性能。

（4）Ca是生物体内必须的元素。Mg-Ca合金的优势在于其生物相容性好，Li等人[3]在Mg-Ca合金的体内测试的研究结果表明，L929细胞活性未受到Mg-1Ca合金的不良影响，且该材质的骨钉植入体内后，在90天内得到降解，并且生成了新的骨组织。Mg-Ca合金的耐腐蚀性能与Ca含量的高低密切相关，且当Mg-Ca合金中的Ca含量小于1%时，其耐腐蚀性能表现良好，但目前尚未明确Mg-Ca合金中Ca含量为多少时，其耐腐蚀性能最优。

（5）Sr是人体内的微量元素之一，人体内的Sr几乎都存在于骨骼之中，锶盐也是治疗骨质疏松药物的成分之一。Mg-Sr材料同样具有良好的生物相容性，Ragamouni等[4]在兔子体内进行了实验，结果表明，加入Sr的Mg-Zr在兔骨组织中与新骨组织融合的更好。Mg、Ca、Sr三者的化学性质相似。Sr作为合金元素时，可有效降低镁合金的晶粒大小，提高其综合性能。

（6）在二元合金的研究基础上，许多研究人员通过添加多种合金元素，研发了一些力学性能良好、生物兼容性高、耐腐蚀的新型医用镁合金。如Mg-Nd-Zn-Zr基合金系列，以Nd作为低合金化元素，提高了镁合金的均匀腐蚀的性能，同时加入Zn和Zr进行微合金化，提高了镁合金的强韧性和可塑性。

2.2 镁合金表面改性处理

表面改性也是提高医用镁合金的生物相容性和耐腐蚀性能，降低降解速率的主要方式之一，镁合金的表面改性包括化学转化处理、电化学涂层、可降解高分子涂层、Ca-P涂层、激光处理、表面渗透、复合涂层等方法。以下是镁合金进行表面改性处理的研究进展：

（1）化学转化涂层：由于镁合金自身形成的氧化膜较为疏松，因此无法对镁合金表面形成长期的保护作用，而通过化学转化的方法，将镁合金与特定的溶液接触产生化学反应，从而在其表面生成致密的保护涂层，实现对镁合金的长期有效地保护作用。Gu等[5]以镁钙合金为样品进行碱热处理，处理后的样品生成了致密的氧化膜，实验结果显示，该方法降低了Mg-Ca合金的降解速率，无细胞毒性。

（2）电化学涂层：是指镁合金样品在电场条件的作用下，使其表面产生化学反应，从而生成某种涂层的方法，常见的方法主要有微弧氧化涂层、阳极氧化涂层等方法。Zhang等[6]通过微弧氧化的方式，在AZ91D样品表面形成陶瓷层。采用的制备方法为在Hank溶液中放置21d，处理后的样品的降解速率为普通镁合金样品的1/15，结果表明经微弧氧化处理的样品，降解速率得到有效的控制，耐腐蚀性能得到了提高。Zhang等[7]以AZ31镁合金为样品，进行阳极氧化和预钙吸附处理，而后进行浸没处理，使其表面均形成了Ca-P薄膜，且通过阳极氧化的AZ91在同步进行预钙处理后，镁合金表面形成了Ca形核点，获得了均匀细密的Ca-P薄膜。

（3）可降解高分子涂层：有机涂层种类主要有两种，分别为壳聚糖、聚乳酸及其共聚物，该涂层对表面处理工艺有一定要求，使获得的涂层与合金基体有良好的结合能力，同时保证涂层均匀无孔，具有良好的生物相容性和一定的自修复能力，且其降解产物能被人体降解并吸收。Xu等[8]通过不同的工艺，在镁合金表面制备了壳聚糖涂层，实验结果表明，经戊二醛和硅烷处理过的镁合金样品在覆盖了壳聚糖涂层后，该样品对细胞无害，且有效的降低了镁合金的腐蚀速率。

Huang等[9]以纯镁为样品，在其表面制备了聚乳酸涂层，并在模拟体液中进行耐腐蚀性能测试，得到的聚乳酸—羟基乙酸（PLGA）涂层相对分子质量为2×105的样品，其界面结合强度和降解速率达到了要求。

（4）Ca-P涂层：由于人体骨组织的成分与Ca-P类生物陶瓷材料成分相近，因此样品的Ca-P涂层具有很好的生物兼容性，可有效促进人体骨组织的生长。

Gao等[10]以AZ91D为样品，采用激光熔覆技术制备了羟基磷灰石涂层，结果表明涂层的体内兼容性得到了很大地提高。

（5）复合涂层：复合涂层和单一涂层相比，能够更有效地提高镁合金生物相容性和降解速率的可控性。通常预先在镁合金表面制备一层结合强度较为牢固的涂层，再在外部覆盖生物相容性较好的涂层。Shi等[11]以AZ31镁合金为样品，进行微弧氧化处理，制备了多孔的MgO涂层，随后在其表面构建PLA涂层，在样品表面形成了PLA-MAO复合涂层，该复合涂层与AZ31合金的界面结合强度达到了45MPa，经检测，高于单一的PLA涂层镁合金试样。此外，普通AZ31镁合金的腐蚀电流为61183μA/cm2，覆盖PLA涂层的AZ31镁合金的腐蚀电流为7.7283μA/cm2，而复合涂层的腐蚀电流仅为1.83μA/cm2，其耐腐蚀性能显著提高。Tian等[12]则以AZ31镁合金为样品，预先在样品表面使用微弧氧化的方法制备了羟基磷灰石涂层，随后又使用聚乳酸和聚己内酯对其表面的微弧氧化膜进行封闭，结果表明对镁合金样品表面涂层功能化，材料生物相容性和耐腐蚀性能良好。

3 总结

综合以上论述，尽管镁合金在医用领域仍处于实验和研发阶段，但因其具有可降解性、良好的生物体内兼容性和机械性能，在未来整形外科领域中有着很好的应用潜力。在成分方面，通过降低杂质元素对镁合金进行合理的高纯化处理，同时通过设计合金成分，对镁合金进行合理的合金化，以此来降低局部腐蚀，保证其机械性能，未来关于合金化方面，添加多种合金元素进行合金化，是研发新型高性能镁合金的关键；在镁合金表面改性方面，尽管涂层镁合金研究取得了巨大进步，但是仍然没有研发出降解速率与骨组织愈合周期完全匹配的生物降解涂层，关于镁合金表面改性的未来研究方向，多级复合型涂层是重点的发展趋势，涂层表面功能化也是未来满足特定医学需求的重点，此外，涂层制备工艺、技术还需符合绿色环保、制备成本低廉、可批量生产等条件。