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镁合金生物材料的研究现状及发展趋势

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  摘 要:可降解生物材料因植入生物体后可在体内不断分解、且分解产物能被生物体所吸收或排出体外,已成为当前生物材料领域的国际研究前沿与热点。目前在骨植入材料中应用较多的可降解生物材料主要是高分子聚合物如聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA),然而这些材料的强度一般较低,很难承受较大的负荷,而且降解产物呈酸性,容易引起炎症。镁及其合金不仅具有良好的力学性能,而且对人体无毒、通过腐蚀可在体内逐步降解,因而作为一种极有发展潜力的可降解植入生物材料日益受到人们的青睐。但是现有的镁合金在生理环境下降解速率太快,往往在骨组织没有愈合就失去了应有的承载能力。所以制备出既有一定力学性能,又具有较好耐腐蚀性的镁合金,具有较高的实用价值。
中国论文网 http://www.egsf.org/2/view-3955594.htm
  关键词:镁合金;生物材料;可降解
  1. 镁合金生物材料的研究现状
  镁及其合金可用做可降解生物材料,但是其高的腐蚀速率是一个焦点问题。H,Wang等用三种不同手段加工出来的AZ31在Hank模拟体液中浸泡1、2、5、10、15、20天,然后称重,用光学显微镜观察形貌,用TEM观察显微结构,结果表明,通过机械处理,AZ31在Hank溶液中生物降解速率明显降低。德国汉诺威尔大学F·Witte 等人对AZ31、AZ91、WE43、LAE442进行了在活猪体内植入试验,研究了不同可降解镁合金在骨环境中界面降解机制及合金降解速率,得到镁合金的降解取决于合金元素,植入的四种合金都与骨结合良好,并且得到镁离子对骨生长有诱导作用,只是合金降解过快,导致皮下产生氢气气泡;香港城市大学研究了AZ63在模拟体液中的降解情况,并研究热处理对降解情况的对比,通过比较得出,430℃在空气中保存24小时T4处理后,合金的降解速率是铸态合金的1/2[21];北京大学郑玉峰系统研究了Mg-1x(x为Zn、Mn、Al、Si、Ag、Zr、Y、ln)二元合金的组织性能、力学性能、耐腐蚀性能、细胞毒性、血液相容性,通过研究得到,添加Al,Si, Sn,Zn或Zr元素能改善合金的力学性能,添加Al, In, Mn, Zn,或 Zr元素能降低合金在模拟体液和汉克斯溶液中的腐蚀速率,Si和Y合金元素却加速了合金的腐蚀[23-24]等等。目前通过动物实验等,正在推进镁合金作为生物医用材料的应用。
  2. 镁合金生物材料的发展趋势
  迄今为止,被详细研究过的生物材料已有一千多种,医学临床上广泛使用的也有几十种,涉及到材料学的各个领域。目前生物医学材料研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性更好、耐腐蚀、持久性更好的多用途生物医学材料。其发展趋势必然要求:
 ?。?)提高生物医学材料的组织相容性,增加材料与活体组织之间相互容纳的程度,避免材料周围组织的局部反应;
 ?。?)金属材料在生物医用材料中的应用将越来越广泛,金属生物医学材料的应用已有较长的历史,随着科学技术的发展和外科医疗水平的提高,先后开发了不锈钢、钴合金、工业纯钛及钛合金等一系列金属生物医学材料;
 ?。?) 生物医学材料的治疗特性增强,生物医学材料的发展不仅局限于作为人体相应器官的假体和代用品,利用多种学科的交叉研制具有治疗特性的生物医学材料也是未来的重要方向;
 ?。?) 具有多种特殊功能生物材料的研制和应用,对合金进行深加工,使其具备多种功能,满足不同情况的需求,也是未来生物医用材料的发展趋势之一。
  3. 镁合金生物材料研究意义及应用展望
  镁及镁合金具有比强度和比刚度较高、生物可降解吸收性等特点,作为现有金属生物植入材料的新一代替代产品表现出巨大的优势与潜力,已经引起国内外越来越多研究者的关注,但由于人体环境的复杂性,这种新材料的研究还需一个长期过程。生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有极其重要的意义,生物医用材料具有很高的附加值,其每公斤达1200-150000美元,而建筑材料仅为0.1-1.2美元,宇航材料也仅100-1200美元。
  随着人口老龄化和各类创伤的增加,近几年来生物医用材料和制品的市场一直保持20%左右的年增长率,发展态势已可以与信息和汽车产业在世界经济中的地位相比,正在成长为本世纪世界经济的一个支柱,对国民经济的发展有着不可忽视的重要作用。例如,随着人口老龄化和中青年创伤的增加,对生物医学材料和制品的需求持续增长。在我国,人口老龄化已成为社会问题,同时中、青年创伤高速增加,生物医学材料及制品存在着巨大的潜在市场,特别是随着国民经济的发展和人民生活水平的提高,对生物医学材料和制品的需求急速增高。
  因此对于我国发展医用金属材料是一个趋势。伴随着新型金属材料的研制和表面改性技术的采用,生物医用金属材料腐蚀研究又开辟了新的研究和发展空间;镁合金具有足够的强度,良好的生物相容性和体内可降解性,有望成为新型骨植入材料。但是它的力学性能不够,且耐蚀性较差;不含对人体有害元素的合金,其力学性能相对钛合金、不锈钢等医用合金强度低,不能用于承载部位;作为骨植入材料,其目的是维持骨折复位、重建后的稳定,因此从力学角度考虑要求其在骨组织完全愈合之前必须保持原有力学性能基本不变。
  4. 结束语
  可降解生物医用镁合金相对于传统金属医用材料来说,具有无可比拟的优越性,如作为骨内植物,可有效避免应力遮挡效应,并可避免骨折痊愈后二次手术给病人带来的痛苦和费用;作为心血管支架材料,可有效减少血管内膜增生、再狭窄、晚期血栓等问题。因此,被誉为“革命性的金属生物材料”而受到全球高度瞩目。
  尽管目前已有动物体内及人体临床实验,然而绝大多数为商用镁合金,缺乏生物安全性。作为生物医用材料,在设计时必须考虑材料的生物安全性、强韧性、耐蚀性(特别是类似于均匀腐蚀降解方式)。因此,需要设计具有生物安全性、高强韧性、耐蚀性和腐蚀均匀性的新型生物医用镁合金;需要对其强韧性设计制备理论、在体内的降解代谢机制及体内降解产物的生物安全性、降解行为的可控性等方面进行系统深入的研究,进而为可降解生物医用镁合金的临床医学应用提供更加可靠的科学依据。上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心团队近年来在上述领域进行了一些有益的探索,并取得了令人鼓舞的进展。相信经过科研工作者的不断努力探索,可降解生物医用镁合金一定会有光明的应用前景,成为惠及人类健康的新型金属生物材料。
  参考文献
  [1] 李世谱. 生物医用材料导论M.武汉理工大学出版社. 2000:20–40.
  [2] R.J. Schultz, The Language of Fractures, 2nd ed. Williams and Wilkins, 1990, p. 27.
  [3] D.F. Williams, D.M. Brunette, P. Tengvall, et al. Titanium in Medicine[J]. Springer, 2001, p. 15.
  [4] R. McRae. Practical Fracture Treatment, 3rd ed., Churchill Livingstone,1994, p. 91.

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