革命性的生物材料——生物镁合金

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   随着社会人口的老龄化和生物技术的重大突破,生物医用材料已逐渐步入各大医院并实现临床医疗。目前,生物医用材料是可以用来对人体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料,其中可降解生物镁合金在心血管植入和骨植入修复上会有很好的应用,生物可降解镁合金实际/可能的应用见图1。而且,随着人民生活水平的提高和人口老龄化的加剧,对可降解生物镁合金植入材料的需求会越来越高,生物医学材料及制品存在着巨大的潜在市场,因此研发新一代具有革命性的生物镁合金材料具有重要意义。

图1 生物可降解镁合金实际/可能的应用

(Chen Y J, Xu Z G, Smith C, et al. Recent advances on the development of magnesium alloys for biodegradable implants[J]. Acta biomaterialia, 2014, 10(11): 4561-4573.)

为什么镁合金可以作为生物材料?

Mg的密度为1.74 g/cm3,在所有的金属结构材料中密度最小,与人的骨密度相近。镁的断裂韧性比陶瓷生物材料羟基磷灰石要高,且其弹性模量约为41~45 GPa,更接近人骨的弹性模量,可有效缓解应力遮挡效应,促进骨的生长和愈合并防止发生二次骨折。早在1907年,人们就使用镁合金来固定骨折的小腿。金属植入物通常机械强度和断裂韧性较好,承载力也较高,综合力学性能优于陶瓷和聚合物复合材料。生物镁合金是轻质金属材料,具有很好的生物相容性,并具有与天然骨骼相似的力学性能,因此可以称为新一代生物可降解医用材料,生物镁合金因具有可控的腐蚀速率,在心血管植入和骨修复上有很好的应用前景。

生物镁合金有哪些好的性能?

(1)生物镁合金表面涂层性能

表面涂覆技术包括微弧氧化、化学转换和电泳沉积涂覆等,涂层能很好的调控基体镁合金在植入初期较快的腐蚀速率,并最终达到一个稳定范围的降解速率。而且还可以加强镁合金在体内的生物活性等,使植入体特别是在开始植入阶段,能与周围骨组织有机结合在一起,从而加快骨组织的愈合。Liu等研究了ZrO2涂层在WE43镁合金基体上的生物活性,结果发现涂覆ZrO2涂层的镁合金(CPE)表面有助于成骨细胞的吸附和增殖,增加了镁合金对成骨细胞的活性,如图2所示。

图2 成骨细胞在镁合金上吸附的荧光图和MMT比色

(Liu C J, Zhao Y C, Chen Y S, et al. Surface modification of magnesium alloy via cathodic plasma electrolysis and its influence on corrosion resistance and cytocompatibility[J]. Materials Letters, 2014, 132: 15-18.)

(2)生物镁合金力学性能

选取特定的合金化元素和最佳的热处理工艺,有望制备具有低腐蚀速率,高强韧性等力学性能统一的生物材料,并开发出更具有应用前景的生物材料。好的力学性能使可降解镁合金在植入初期有很好的承载能力,并在长期服役期间,保持力学性能完整性,促进血管重构、骨的生长和愈合。Xu等开发的新型Mg-Li基合金,经过热挤压、固溶处理、水淬(WQ)、低温时效(<100 ℃;WQA)和冷轧(WQAR)后,与常用的商用镁合金相比,具有最佳的强度、伸长率和耐腐蚀性,见图3。因此,对工艺和合金成分的调控后,生物镁合金力学性能会有极大改善,更好地应用于临床医学,实现产品研发。

图3 Mg-Li基合金的力学性能和腐蚀性能

(Xu W Q, Birbilis N, Sha G, et al. A high-specific-strength and corrosion-resistant magnesium alloy[J]. Nature materials, 2015, 14: 1229-1235.)

(3)生物镁合金可持续降解

由于镁的化学性质比较活泼,于是镁合金器械在人体的长期植入过程中,会自动溶解,并释放无毒金属离子,促进伤患处愈合,因而,具有可降解性。且通过调控一系列关于镁合金的杂质元素、成分及工艺,可以达到生物体内稳定可持续降解的目的。这种生物镁合金的可持续降解性可以减少患者二次手术所引起的伤痛、额外费用及感染风险,且避免目前常用的钛合金等医用金属植入物在体内释放有毒离子造成的炎症反应等隐患。

人体体液是一个复杂的生物环境。当镁合金在体液中腐蚀时,环境中的氯离子会加速镁合金的腐蚀,而磷酸盐和碳酸盐却会促进表面保护性腐蚀产物层的生成。此外,人体温度37 ℃是高于室温,会加速腐蚀反应,但也会有助于不同形式磷酸钙等产物的形成。最后,其他环境因数,如血液pH为7.4、体内蛋白质、细菌等有机物也会进一步协同影响腐蚀反应的进程,部分化学反应过程见图4。

图4 镁合金在体液环境中可能发生的部分化学反应示意图

(Esmaily M, Svensson J E, Fajardo S, et al. Fundamentals and advances in magnesium alloy corrosion[J]. Progress in Materials Science, 2017, 89: 92-193.)

在长期体内植入过程中,一些生物镁合金在临床上的可降解过程已被观测到。Lee等将Mg-Ca-Zn合金螺钉植入29岁女性患者体内1年,进行桡骨远端的固定。经过1年的外科固定,桡骨远端结构已完全治愈,而且已不能完全区分镁合金螺钉和周围的新生成骨,镁合金在植入过程中逐步降解,如图5所示。在整个临床试验上,患者没有任何的不适和疼痛。这表明新一代的生物镁合金植入材料,由于其可展望的良好的可降解性和生物相容性,目前在临床上已有一定的研究基础。

图5 镁合金螺钉在1年内完全降解和骨愈合的临床实验观察

(Lee J W, Han H S, Han K J, et al. Long-term clinical study and multiscale analysis of in vivo biodegradation mechanism of Mg alloy[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2016, 113(3): 716-721)

(4)生物镁合金表面抑菌性能

当材料植入后,如果成骨细胞比细菌吸附得更快,则有利于骨组织增长;反之,则会引起感染。而镁可能因为其溶解产生的局部碱性环境,对细菌吸附有较好的抑制作用。此外,细菌主要进入骨缺损位置形成生物膜,而这种生物膜是骨科感染的主要因素,使在生物膜内的细菌很难被人体免疫系统杀死。镁可以抑制生物膜的形成,有很好的抗细菌感染性。Ma等对比了添加Mg的多孔复合支架PT5M、PT10M和PT15M与不含镁的多孔支架PT的抗菌性能,发现Mg基多孔复合支架的抗菌性能远好于不含Mg的多孔支架,见图6。在另一方面,添加一些抑菌的合金化元素,如Ag等,会使镁合金具有更加优良的抑菌性能。

图6 含镁和不含镁的多孔支架在6h后的细菌吸附对比

(Ma R, Lai Y X, Li L, et al. Bacterial inhibition potential of 3D rapid-prototyped magnesium-based porous composite scaffolds–an in vitro efficacy study[J]. Scientific reports, 2015, 5: 13775.)

综上所述,生物镁合金相比于传统植入材料有许多潜在的优势,在临床医学上有极大的发展前景和应用革新。然而,在研究成果和实际应用之间仍有一道需跨越的沟渠。需要更多的理论研究,包括通过高纯化、合金化、加工工艺改善和表面改性等方法精细调控和降低镁合金服役期间的腐蚀速率,和大量的临床实验结果,来构建一架到达彼岸的桥梁。相信在未来镁合金作为一种具有巨大潜力的可降解生物材料会广泛应用于临床医学。

原文出处:

生物医用镁合金腐蚀行为的研究进展

万天, 宋述鹏, 王今朝, 周和荣, 毛雨旭, 熊少聪, 李梦君

《材料工程》2020, 48 (1): 19-26.

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本文作者2020-5-1 16:50
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