骨科可降解镁合金生物材料的研究进展

李玉国

（山东省兰陵县人民医院（骨科），山东 临沂 277700）

在十九世纪中叶，科学家们发现了人体中存在镁离子，但是直到二十世纪初期人们才证明了镁元素是有机体中必须的营养因素。镁元素在人体中的含量很大且分布的区域十分固定，在人的骨骼中镁的分布最多，大约在53%左右。所以人们就尝试将金属镁作为骨科材料用于人体疾病的治疗[1]，之后的研究人们发现金属镁的机械性能与人体中的皮脂骨十分相似，所以有学者又尝试用镁合金用于治疗人体骨折，但是最初的镁合金因降解速率过快而导致骨折的治疗失败比例比较高。因此镁合金作为骨科治疗材料应用逐渐减少[2]。

但是随着人们不断对镁合金材料的研究，使得镁合金的生产加工工艺不断提高，现在二十一世纪的镁合金材料在机械性能，力学性能和耐蚀性上都有了很大的提高[3]，并且镁合金的生物相容性和生物安全性能并没有下降，因此，镁合金又一次成为了骨科可降解材料的研究热点之一。镁合金在体内降解之后生成的镁离子会参与到人体的新陈代谢中，调节骨代谢活动并有助于新骨的合成。大量的研究人员已经研究了镁离子可以通过多个信号通路调节人体的新陈代谢功能，并在体外细胞实验证明了这个观点。所以因为镁合金可降解和调节新陈代谢的这个特点，有望成为骨科治疗中的一种新型材料。

1 镁合金生物可降解材料作为骨科材料的优势

传统的医用金属材料，例如316L不锈钢、金属钛以及钛合金、钴合金等，大都属于生物惰性材料，当这些材料被用作医用材料植入人体之后，不能在人体内自动降解，还需要后续的二次手术取出这些生物惰性材料，给患者带来二次手术痛苦和高额的医疗费用。并且这些生物惰性材料在人体内时间长了之后会与人体体液发生腐蚀反应形成具有毒性的金属阳离子，会给人体带来过敏反应或者局部炎症，导致这些生物材料的生物相容性降低，严重的会导致植入失效。还有一点就是传统的生物惰性材料的机械性能和力学性能过高，和人体骨骼的力学性能不匹配，很容易造成应力遮挡以影响治疗效果。上述的这些缺点正是镁合金可降解生物材料的优势。与这些传统的生物惰性材料相比，镁合金生物可降解材料的优势有以下几点:

（1）镁合金作为骨科材料的良好的生物相容性，可满足人体内安全性的要求。镁元素在人体内的总含量大约人体重的0.05%，其中有一大部分的镁以镁离子的形式存在，还有一部分以碳酸盐、草酸盐等有机盐类存在，还有另外一部分镁存在于人体的蛋白质中。Gu等[4]为了研究镁合金的生物相容性，选取了多种二元镁合金作为实验材料，实验结果表明多种二元镁合金均有良好的生物相容性，且在人体内无毒性。Li等[5]通过对表面改性后的镁合金进行体外细胞实验发现，在与小白鼠骨髓细胞共同培养72h之后，镁对小白鼠细胞的活性以及细胞增殖依旧具有促进作用，证明了镁合金的良好的生物相容性。陶海荣通过动物实验发现，在镁合金降解的过程中，发生巨噬细胞吞噬颗粒的现象，生物组织没有明显的增生，肾小球也无明显的水肿，没有出现肝细胞水肿和脂肪病变[6]。这些研究都证明了镁合金作为生物可降解材料在骨科植入材料的生物安全性和良好的生物相容性。

（2）相比于传统的生物惰性材料，镁合金生物材料的力学性能很好地匹配人体的骨组织。镁合金属于轻质合金的一种，镁合金的晶体结构属于密排六方结构，它的金属密度和屈服强度都与人体的骨组织接近，可以很好地匹配人体骨组织的力学性能要求，不至于过高或者过低。不锈钢的弹性模量大约在200GPa,钛合金的弹性模量大约在110GPa，都远高于人体骨组织的弹性模量（3～20 GPa），只有镁合金的弹性模量（约40GPa）与人体骨组织接近，镁合金植入体内可以很大程度上减小植入生物材料与人体骨组织之间力学性能不匹配引起的应力遮挡效应。这样就可以增加植入后骨组织的再生速度，预防出现局部骨质疏松的现象发生。此外，Zheng等[7]还通过对多种二元镁合金的力学性能测试表明，在镁合金中加入不同含量的钙，可以改善镁合金的断裂韧性，使得镁合金的力学性能符合体内植入材料的要求。Geng等[8]还通过改变镁合金材料的孔隙率来改善镁合金的力学性能使得其力学性能与人体骨组织相匹配，实验结果表明，当多孔镁合金的孔隙率在45%左右时，镁合金的弹性模量和抗压强度可以很好地匹配人体骨组织。Teng等[9]通过实验探索了镁合金作为生物植入材料的生物力学性能，首先将镁合金植入人体肋骨骨折模型中，发现镁合金的生物力学性能明显优于现在临床上使用最多的聚左旋乳酸，可吸收肋骨髓内钉内固定产品，证明镁合金是肋骨内固定的理想生物植入材料。通过以上论述可以证明镁合金生物材料的力学性能很好地匹配人体的骨组织。

（3）相比于传统的生物惰性材料，镁合金生物材料的可降解性能十分优异。众所周知，镁合金是一种活泼的碱金属，化学性质十分不稳定，镁合金的标准电极电位在-2.37 V，远远小于铁、钛、铬等金属材料，无论是中性、酸性还是碱性环境中，镁合金都十分的不稳定容易产生腐蚀。尤其是镁合金在含有氯离子等有腐蚀性离子的电解液中，更容易发生腐蚀反应。人体内的体液是一个十分复杂的电解质环境，含有多种腐蚀性离子，其中也包含大量的氯离子，所以镁及镁合金在人体内很容易发生腐蚀反应，腐蚀产物为氢氧化镁和氢气[10]。这样镁及镁合金就在人体内实现了可降解性。发生腐蚀的镁及镁合金的表面会变得凹凸不平，并且镁合金的表面还会附着一层降解产物（氢氧化镁），这些降解产物可以将镁合金和人体的组织液隔开，抑制了镁合金的腐蚀反应的继续进行，有利于植入物周围细胞在植入物表面的粘附和攀爬。有学者的研究表明，镁合金在人体内的降解产物中除了含有镁、氢、氧元素之外，还富集了大量的钙元素和磷元素，都是人体骨骼自组织的形成的重要元素，可以很好地促进新生骨组织的愈合，促进新生骨组织的形成[11]。

（4）相比于传统的生物惰性材料，镁合金生物材料的生产资源十分丰富，价格低且生产加工工艺成熟。镁元素在地壳中的分布元素总量为2.3%，由于在地壳中的含量丰富，所以镁元素的价格不贵，目前市场价还不到纯钛的四分之一，与其他临床上常用的贵金属相比价格优势更为明显。所以现在镁合金生物材料成为了骨科领域研究的热点之一。此外，镁合金作为一种金属材料，与其他非金属医用材料（生物陶瓷材料、生物高分子材料）相比，镁合金的表明光滑度更高，更容易进行灭菌处理，保证植入材料的生物安全性。

2 镁合金种类

因为纯金属镁的化学性质十分活泼，性能达不到骨科植入材料的应用要求，所以目前的解决方法是将其他的金属元素添加到金属镁中构成镁合金，通过调整不同元素的添加或者控制元素的添加量来改变镁合金的性能。经过合金化的镁合金耐蚀性、力学性能和机械性能都有了显著的提高，同时还没有降低镁合金的生物安全性。目前来说，最常用的镁合金化元素有锌、钙、铝等。下面对不同元素添加构成的镁合金研究现状进行综述。

2.1 二元镁合金

（1）镁-锌二元合金。镁-锌二元合金是最常见的二元镁合金之一，锌元素是人体必需的微量营养元素之一，微量的锌可以促进人体的生长发育。在金属镁中添加锌元素后可以改善纯金属镁的耐蚀性能和机械强度，锌的添加还提高了镁合金的力学性能，使得镁合金的屈服强度有了一定程度的提高。有研究表明，镁锌合金中锌元素的质量分数为6%时合金的的屈服强度可以达到最大值，锌元素的质量分数为4%时合金的延展性和抗拉强度达到最佳值[12]。还有学者研究了不同锌含量对镁合金耐蚀性的改善情况，实验结果表明，当合金中锌元素的质量分数在2%～3%时，镁合金的耐蚀性最好[13]。

（2）镁-锆二元合金。锆是镁合金中最常用的晶粒细化剂，在镁合金适量的添加锆元素可以起到细化晶粒的目的，晶粒细化之后的镁合金会具有更好的机械强度和更高的耐蚀性。当镁合金中锆的含量（质量分数）小于3.8%时，镁-锆合金会有良好的性能，当锆的含量超过3.8%时，镁合金中会产生纯锆的颗粒，不能完全合金化从而影响整体的性能[14]。

（3）镁-钙二元合金。人体的骨骼组织的一个重要的组成矿物质元素就是钙元素，而镁-钙二元合金又具有良好的生物相容性和生物可降解能力，所以镁-钙二元合金在骨科应用中有非常好的前景。钙元素的添加改善镁合金的性能的原理也是晶粒细化，当镁-钙二元合金中钙含量在0.6%时，镁合金的抗压强度和机械性能达到最佳值，且镁合金的耐蚀性也相对纯金属镁有提高[15]。

（4）镁-铝二元合金。将铝元素加入到镁合金中可以起到固溶强化的作用，固溶后的镁-铝二元合金强度和硬度都有了一定程度的提高。同时铝元素的加入还会产生时效硬化的现象，使得镁-铝二元合金的机械强度和耐蚀性提高，同时也提高了合金的可铸造性。除了以上提到的二元镁合金，常见的二元镁合金还有镁-锶二元合金、镁-铜二元合金等。

2.2 三元镁合金

二元的镁合金的性能相对于纯金属镁就有了提高，三元的镁合金的性能会相对于二元镁合金有进一步的提高。有研究人员将三元镁合金ZK30（Mg-Zn-Zr）和羟基磷灰石的生物相容性相比较，实验结果表明，ZK30合金的生物相容性更好且ZK30合金还会促进细胞的增殖[16]。在镁锌合金中添加钙元素，可以进一步改善合金的性能，当Mg-4Zn 合金中钙的添加量为0.2%～0.5%时，三元镁合金的抗拉强度最好，力学性能最佳，且三元合金在Hank溶液中生成H2最少，表明耐蚀性也得到了提高[17]。还有很多类似的三元镁合金：在镁锌合金中加入锶元素形成的三元镁合金的机械性能和力学性能也会得到改善；在镁铝合金中加入钙、锰、锌、镧、铈等元素都会一定程度提高镁合金的性能[18-19]。

3 可降解镁合金生物材料现面临的问题

镁锌合金和镁钙合金都有良好的生物相容性和生物安全性，是目前骨科医用材料首选的合金化元素，但是这两种合金面临的问题是在人体中降解速率过快导致其机械性能的下降，所以还要进一步提高镁锌合金和镁钙合金的耐蚀性，使得其在人体中的降解速率适当的减慢。镁锶合金面临的问题也是耐蚀性较差，在体内降解速率过快，虽然在镁锶二元合金的基础上添加元素形成三元镁合金可以提高耐蚀性，但是三元镁锶合金的长期生物相容性还需要进一步的实验证明。镁铝二元合金虽然耐蚀性和机械强度都有保证，但是过量的铝元素在人体中会造成人中枢神经的损伤，还会影响骨细胞的增殖。而且镁铝合金的长期生物相容性到现在还没有明确的实验，所以临床使用镁铝合金还是要谨慎。

镁合金在骨科移植材料中面临的另一个问题也是主要的挑战，就是如何控制镁合金的降解和氢气的产生速率。理想中的骨科可降解内植物材料在骨折完全愈合之前是不能被降解的，需要提供一定的机械强度可以起到固定的作用。在骨折完全愈合之后骨科可降解内植物材料不能快速的降解，避免产生大量的氢气聚集造成对人体的损害。所以目前需要开发研究一种镁合金在植入人体早期可以提供一定的力学支撑作用，痊愈后需要镁合金的缓慢降解且能持续地提供镁离子来提高骨骼修复效果[20]。

4 展望

镁合金作为骨科可降解生物材料具有良好的可降解性，与人体骨组织力学性能匹配良好且生物相容性和生物安全性都较好。作为目前可降解生物材料的研究热点之一，是未来骨科可降解材料的理想材料。但是镁合金可降解生物材料能否完全取代传统内固定材料并广泛应用于临床骨科治疗，还要看未来能不能达到镁合金在植入人体早期可以提供一定的力学支撑作用，痊愈后需要镁合金的缓慢降解且能持续提供镁离子来提高骨骼修复效果。相信随着医疗水平和材料制造工艺的不断提高，各种二元、三元或者更多元的镁合金可降解生物材料可以应用到骨科临床治疗之中。