镁合金作为生物医用材料的潜在优势、存在的问题及解决思路(共4页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上镁合金作为生物医用材料的潜在优势、存在的问题及解决思路摘要近几十年来，镁及其合金在医疗领域的价值正飞速提升，应用也日益广泛，其作为硬组织植入材料与现有的各种临床金属植入材料相比有许多突出的优点1。然而，镁合金当然也不完美，也存在缺点，令其应用受到限制1。那么，这些优势和缺陷究竟是什么？如何让其性能更完善呢？本文就这些问题进行了简要论述。然而由于笔者才疏学浅，加之时间仓促，文中疏漏之处在所难免，尚有待进一步修改和完善，同时敬请各位读者多多批评指正。关键词：镁合金，医用材料，植入体，腐蚀一、 引言目前的生物医用材料主要有部分金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料及仿生材料等1。医用金属材料与高分子材料和无机非金属材料相比，具有较高的强度、韧性和加工性能，因此应用最为广泛2。目前，临床应用的医用金属主要有不锈钢、钴基合金、钛合金、形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、镐等。但临床应用表明，以上材料均存在弊端3，如：1. 某些金属植入体含Al元素4。该元素可对器官造成损伤，且能导致骨软化、贫血56、老年痴呆及神经紊乱等多种病症56；2. 某些材料会在体内释放出毒性金属离子1，引起受体发炎和排异反应7；3. 部分不锈钢植入体在生理系统环境中会发生缝隙腐蚀、摩擦腐蚀与疲劳腐蚀破裂等状况89，并因此释放出Ni2+、Cr3+及Cr5+等离子，同时造成假体松动，最终引起植入体失效10；4. 相当一部分材料的弹性模量与人骨不够相近，例如：不锈钢的弹性模量约为200GPa，钛合金约100GPa4，而人骨仅1040GPa。这必然会导致应力遮挡效应，进而减少对新生骨组织生长和重塑的诱导作用1，并最终造成植入体的不稳定、组织愈合迟缓甚至植入失败等后果111。5. 不锈钢、钴基合金和钛基合金皆为生物惰性材料，在人体中不发生或仅发生微弱的化学反应，因而在生物环境中相当稳定4，无法自行降解1。故病人完全康复后必须再次通过手术将其取出2，徒增了患者的痛苦及医疗费用1。然而近年来，镁及其合金的横空出世和飞速发展使这些问题的解决成为了可能。那么，这种金属到底有什么优点，能克服这么多棘手的困难呢？接下来的一段将回答这个问题。二、 镁合金作为生物医用材料的潜在优势近几十年来，国内外研究发现312131415：镁合金作为硬组织植入材料，与现有的各种临床金属植入材料相比有许多突出的优点：1. Mg是人体必需的微量元素之一1，在动物体内含量仅次于钙、钠、钾，且在细胞内仅次于钾4，与神经、肌肉及心脏功能密切相关16，对维持细胞膜结构和调节细胞的生长具有重要作用17，是能量传输、贮存和利用的关键元素，还是新陈代谢过程中各种酶系统的重要活化剂，并参与人体内几乎所有的新陈代谢过程，如骨细胞的形成、蛋白质的合成等。另外，镁具有诱导骨生长的作用，能加速骨愈合，还可以调节DNA和RNA结构，降低癌症发病率，增强心血管的抗病毒能力1，减少血液中胆固醇的含量，从而防止高血压、动脉硬化和心肌梗塞等疾病16。而以镁作为医用植入材料势必能增加人体内Mg的含量，这样就可以为患者带来上述诸多好处。2. 镁及其合金的密度约1.7g/cm3，与人骨密度（1.75g/cm3左右）几乎完全相等1，符合理想接骨板的要求4，植入人体后不会增加患者的负重感和不适感，对其康复十分有利。3. 镁及镁合金的杨氏模量与人体骨骼（1040GPa）最为相近，约为45GPa，能有效缓解甚至避免应力遮挡效应，因而不会阻碍骨骼的生长和愈合1。4. 镁及其合金的比强度和比刚度均很高。纯镁的比强度约为133MPa/（g/cm3），而超高强度镁合金可达480MPa/（g/cm3），完全满足植入材料的力学性能要求4。5. 镁及其合金具有良好的生物相容性，可以在体内自动降解，所以无需再次通过手术取出。此外，镁的标准电极电位很低，在体内生成的离子可被机体组织吸收，然后通过体液排出体外1。6. 镁资源丰富，成本低廉，适合大量开发生产18。三、 镁合金作为生物医用材料存在的问题虽然镁及其合金具备很多优于其他金属医用材料的性能，但也存在一些缺陷，使其作为医用植入材料受到限制：1. 常规方法制备的镁纯度较低。目前金属镁的生产主要采用硅热法和电解法，制出的成品中Si、Fe及Cl-等杂质较多，限制了镁合金的应用。2. 镁植入人体后将长期处于弱酸环境中，极易发生腐蚀。若腐蚀速度适中，释放出的Mg2+对人体是有益的；但如果腐蚀速度过快，降解过程中产生的过量H2就会对人体造成伤害1，而同时生成的过量Mg2+也将导致肌肉麻痹、血压过低及呼吸道疾病等19。另外，在机体完全恢复前，植入体的消失殆尽将导致治疗失败。因此，控制镁合金的腐蚀速度是将其投入临床使用前亟待解决的关键问题之一1。四、 镁合金作为生物医用材料存在问题的解决思路由上文可见，提高镁合金的耐蚀性对于医用镁植入材料来说是颇为重要的，目前可行的途径主要包括以下几个方面：1 开发高纯镁合金和新合金杂质是影响镁合金耐蚀性最重要的因素之一，尤其是有害元素如Fe、Ni、Cu和Co等的含量4。控制其在容许极限以下，降低重金属杂质的含量，可以有效提高合金的耐蚀性能20。2 加入稀土元素稀土的低微合金化是开发耐腐蚀镁合金的一个方向。向镁合金中添加适量的轻稀土元素不但能有效增强其耐腐蚀性和力学性能，同时初步研究表明这样还有利于提高生物植入体的抗凝血行为。3 形变加工轧制、挤压等形变加工工艺可以使合金晶粒细化，提高致密度，减轻成分偏析，从而使镁合金更均匀，提高耐蚀性。4 表面改性研究表明，通过在镁合金表面构筑生物活性涂层，不仅能提高植入体的生物相容性，促进其与骨组织间形成直接的化学键性结合，有利于其早期稳定，缩短术后愈合期，而且可以延缓基体在体液中的腐蚀和降解速率。涂层材料主要是生物活性陶瓷，也可以是生物活性聚合物，目前人们的研究主要集中在磷酸钙基生物陶瓷涂层上。5 仿生法沉积羟基磷灰石涂层羟基磷灰石（Ca10（PO4）6（OH）2）晶体属六方晶系，每个晶胞含10个Ca2+，6个PO43-和2个OH-。其理论密度较大，为3.1568g/cm3，折射率为1.641.65，莫氏硬度为5，微溶于水，呈弱碱性（pH为79），易溶于酸而难溶于碱，是构成骨和牙的主要无机质，具有良好的生物相容性和生物活性，对人体无毒、无害、无致癌作用，且作为人体骨骼的替代材料已有临床应用。镁合金的力学性能可以通过改变羟基磷灰石颗粒尺寸和分布来进行调整。羟基磷灰石颗粒稳定了材料的降解速率并使腐蚀更为均匀地进行，与成骨细胞的培养表明复合材料具有较好的细胞相容性4。该方法是近几年发展起来的新方法，适于在多种材质、各种形状的基体上制备磷灰石类涂层。它具备其他方法无可比拟的优越性：1. 由于涂层是在近似于人体组织环境条件下沉积出来的，故其成分更接近人骨无机质，有更好的相容性和骨结合能力。2. 仿生法在低温下进行，能够避免高温引起的相变和脆裂，有利于增加金属基体和陶瓷涂层之间的结合力。3. 低温条件能为蛋白质等生物大分子的共沉积提供可能。通过改变溶液成分来改变涂层成分，可以使蛋白质、骨生长因子、抗生素等有机物在仿生溶液中与羟基磷灰石共沉积。4. 涂层形成后无需再次热处理即可形成致密的晶体层。5. 该技术可在形状复杂和多孔的基体上形成均匀涂层。6. 所需设备简单，操作方便，沉积工艺易于控制，费用较低21。6 微弧氧化微弧氧化技术（又称微等离子体氧化或阳极火花沉积）是近几年才发展起来的一项在有色金属表面原位生长氧化物陶瓷层的新技术，可在金属表面形成多孔、耐蚀、耐磨的薄氧化层，已在钛种植体表面成功应用，是一种很有希望的医用金属植入体表面生物改性技术4。五、 总结综上所述，镁及其合金具有其他诸多材料所无法相比的优点，但其腐蚀速率的控制仍是该材料发展和应用的一大瓶颈。虽然目前已出现了很多解决方案，却皆无法投入实际应用。但是我们相信，随着科学技术的进步，这些困难一定能克服，镁与镁合金也必将成为未来医用材料中不可或缺的组成部分。参考文献1 彭友霖，周丽丽，周艳红 镁合金作为生物医用植入材料的临床应用 期刊论文 中国组织工程研究与临床康复2011年 第42期 第79237926页2 李世普 生物医用材料导论 武汉：武汉理工大学出版社 2009年3 Stagier MP，Pietak AM，Huadmai J，et al. Magnesium and its alloys as orthopedic biomaterials: A review. Biomaterials. 2006，27（9）：172817344 张佳，宗阳，付彭怀，袁广银，丁文江 镁合金在生物医用材料领域的应用及发展前景 期刊论文 中国组织工程研究与临床康复 2009年 第13卷 第29期 第57475750页5 张玉梅，郭天文，李佐臣 钛及钛合金在口腔科应用的研究方向 期刊论文 生物医学工程学杂志 2000年 第2期 第206208及第217页6 Long M，Rack HJ. Titanium alloys in total joint replacementa materials science perspective. Biomaterials. 1998，19（18）：162116397 Jacobs JJ，Gilbert JL，Urban RM. Current concepts review corrosion of metal orthopedic Implants. J Bone Joint Surge Am. 1998，80（2）：2682828 Thomann UL，Uggowitzer PJ. Wear-corrosion behavior of biocompatible austenitic stainless steels9 闫建中，吴荫顺，李久青，张琳 316L不锈钢微动磨蚀过程表面钝化膜自修复行为研究 期刊论文 中国腐蚀与防护学报 2000年 第6期 第355360页10 任伊宾，杨柯，梁勇 新型生物医用金属材料的研究和进展 期刊论文 材料导报 2002年 第2期 第1215页11 Nagels J，Stokdijk M，Rozing PM. Stress shielding and bone resorption in shoulder arthroplasty12 McBride ED. Absorbable metal in bone surgery：A further report on the use of magnesium alloys. J Am Med Assoc. 1938，111（27）：2464246713 Witte F，Kasey V，Haferkamp H，et al. In vivo corrosion of four magnesium alloys and the associated bone response. Biomaterials. 2005，26（17）：3557356314 Wan Y，Xiong G，Luo H，et al. Preparation and characterization of a new biomedical magnesium-calcium alloy. Materials & Design. 2008，29（10）：2034203715 Li Z，Gu X，Lou S，et al. The development of binary Mg-Ca alloys for use as biodegradable materials within bone. Biomaterials. 2008，29（10）：1329134416 许涛，贺春宝 元素镁概论 期刊论文 微量元素与健康研究 2004年 第3期 第6061页17 张忠诚，徐祗云，张素洁 镁与人体健康 期刊论文 微量元素与健康研究 2006年 第4期 第6769页18 黎文献 镁及镁合金 专著 长沙：中南大学出版社 2005年版 第501503页19 Brail G，Pébère N. The corrosion of pure magnesium in aerated and desecrated sodium sulphate solutions. Corrosion Science. 2001，43（3）：47148420 Boyer HE，Gall TY. Metals Handbook. Materials Park，Ohio：American Society for Metals. 1984：821 龚沛，王欣宇，郭洁 仿生法制备纯镁/羟基磷灰石复合涂层的研究 期刊论文 生物骨科材料与临床研究 2008年 第5卷 第4期 第3942页专心-专注-专业