镁应用:中国科学院金属研究所谭丽丽研究员:医用可降解镁合金的研究及应用 ...

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前言

据统计,每年因外伤、肿瘤造成的骨折和骨缺损患者高达数千万。临床上常用于治疗的医用生物材料有:316L不锈钢、钛及钛合金、钴铬合金、镍钛合金等,但这些传统的金属医用材料在临床使用中存在不足:

①材料的弹性模量较高,在修复损伤骨组织时易诱发“应力遮挡”效应,导致局部骨质疏松或骨折;

②因生物腐蚀释放的金属离子或颗粒,易诱发损伤骨组织周围炎症反应,延长损伤骨组织愈合时间;

③制备骨钉、骨板、骨针、支架材料等临时性植入材料时,愈后需二次手术取出,不仅造成患者身心和经济负担,还极易引发二次损伤,严重时可导致二次骨折。

因此,研发新型的高性能可降解金属医用生物材料,成为医用材料研究领域的热点和难点。镁合金具有良好的力学性能,与人体生物相容性好,且在人体内具有可生物降解等优点,是一种高性能的金属材料,成为生物医用材料领域研究热点。

国内外研究现状

镁是组成生物骨骼的主要成分,能够促进骨骼、牙齿及细胞形成,并在骨骼的矿物质代谢中具有重要的调节作用。镁合金作为新一代可降解材料具有金属特性,其塑性、刚度、加工性能等都要远优于现已开始临床应用的聚乳酸等可降解高分子材料,它的临床应用将大大提升现有金属植入材料及心血管支架的医疗功能!

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1907 年国外就有关于生物可降解镁合金 的报道,研究者用镁板和镀金钢钉在一起医治骨折,但因为腐蚀过快材料失效。随着商用镁合金的发展,研究者为降低镁合金的腐蚀,开始采用商用镁合金作为生物植入材料。

■ 1945 年,镁合金作为植入材料成功用于骨伤治疗的案例被报道;随着国内外材料学和生物学等学科的发展,生物 医用材料进入高速发展期。

■ 2006年,镁合金腐蚀产物被提出对人体无害,镁合金植入材料的可降解性能初步被报道。随后,镁合金材料被应用于临床治疗的案例被研究学者们广泛报道,应用镁合金材料得到飞速发展,出现各种商业化产品。

常用医用镁合金体系

Mg-Zn系镁合金

Zn具有良好的生物相容性,是镁合金中最常见的强化元素之一,在镁中具有较高的固溶度,时效处理后,表现出很高的时效强化效应,可以显著提高镁合金的力学性能。已有研究证明Mg-Zn合金无细胞毒性,且具有优良强度,高耐腐蚀性和生物相容性,在可降解植入物领域前景广泛。

Mg-Ca系镁合金

众所周知,Ca是骨骼的主要成分,也是人体内最重要的元素之一。Ca加到镁合金中,一方面可以形成稳定的化合物,另一方面可以显著地细化镁合金晶粒,从而提高合金的力学性能。Ca在镁合金中的平衡固溶度较低,大约为1.34%。随着Ca含量增加,Mg-Ca合金的腐蚀速率逐渐增大,建议医用镁合金中Ca元素含量应制控在0.6%~1.0%。

Mg-Si系镁合金

Si是人体必需的微量元素之一,可以促进人体软骨的形成,在人体免疫系统中发挥重要作用。Si在人体中不易被吸收,研究表明,成人每日Si的摄入量为20~50mg[12]。Si在镁中的固溶度不高,最大固溶度约为0.003%,所以,Si添加到镁中会形成汉字形状的Mg2Si第二相。由于Mg2Si具有熔点低、硬度高的特点,可以通过热处理来提高Mg-Si合金的力学性能。但是由于大量Mg2Si的存在,显著提高了Mg-Si合金的腐蚀速率,降低了合金的抗腐蚀能力。

Mg-Al系生物镁合金

Al元素是镁合金中重要的合金元素之一,有研究表明,添加1%~5%Al元素后,材料的微观组织会显著细化。同时,由于Al元素被证明是引起老年痴呆症主要的原因,因此在设计和制备镁合金生物材料时,必须考虑Al元素对细胞的影响。

Mg-Mn系生物镁合金

Mn影响免疫系统的功能、骨骼生长和血液凝固,在脂类、氨基酸和碳水化合物代谢循环中起重要作用。在镁合金中,锰主要用于增强延展性。更重要的是,在含铝的镁合金中,形成铝锰金属间相。这些相可以吸收铁,抑制铁对腐蚀行为的有害影响,用于控制镁合金的腐蚀。已有研究证明,镁锰合金具有良好的生物相容性,且可促进新骨生长。

Mg-Re系镁合金

近年来,对稀土元素的研究受到了越来越多学者的关注。在Mg中添加稀土元素,可以显著提高合金的力学性能,包括强度和韧性以及抗腐蚀能力。而且,有报道指出,Re具有抗癌的作用。因此,Re在生物医用领域也受到了广泛关注。

医用镁基材料的应用优势

(1)镁合金生物力学相容性好:与传统金属骨修复材料相比,镁合金的物理机械性能与骨组织更接近。

(2)镁合金的可降解性能:镁的标准电极电位(-2.37 V)较低,在生物体环境介质中容易腐蚀降解形成镁离子,参与生物体的新陈代谢并自然排出体外。

(3)镁合金良好的生物相容性:Mg可以催化和激活300多种酶,是细胞新陈代谢活动中各种酶的重要活化剂,参与蛋白质和DNA的合成、能量的储存和运输、神经信号的传导以及肌肉的收缩等各种生理活动。

(4)我国镁合金资源丰富、价格低廉,便于机械加工。

尽管镁基金属有着良好的应用前景,但在临床应用上技术难点依旧存在。为全面综合了解可降解镁合金材料在生物医用领域发展现状,组委会特诚邀 中国科学院金属研究所 谭丽丽研究员 莅临本次论坛,做《医用可降解镁合金研究》专题报告。谭老师的报告从可降解镁合金的材料性能、存在的问题及解决方法,以及目前的应用研究现状这几方面展开讨论。

专家介绍

INTRODUCTION

谭丽丽,中国科学院金属研究所

谭丽丽,中国科学院金属研究所研究员,博士,博士生导师。以 生物医用可降解金属材料与器件为主要研究方向,获得中科院青年创新促进会优秀会员称号、沈阳市领军人才称号,获得辽宁省医学科技奖二等奖。担任中国生物材料学会医用金属材料分会常务委员。已累计发表包括Biomaterials和Acta Biomaterialia在内的论文170余篇。编写英文书籍章节2章,中文书籍4章。已申请国家专利50余项,获授权专利27项。作为负责人承担国家科技支撑计划项目课题、重点研发计划课题、973项目子课题、863项目子课题、国家自然科学基金面上项目、中科院青年创新促进会项目等。作为技术负责人,负责多项地方政府项目和企业合作项目。作为项目骨干已完成10余项包括国家863项目、院知识创新项目、国家自然科学基金项目以及地方政府项目。

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本文作者2021-6-23 14:11
镁途
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