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

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1、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

2、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[5][6]、老年痴呆及神经紊乱等多种病症[5][6]；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

3、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[8][9]，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100GPa[4]，而人骨仅10～40GPa。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[1][11]。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

4、，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[3][12][13][14][15]：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

5、，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

6、好处。1.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。2.镁及镁合金的杨氏模量与人体骨骼（10～40GPa）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]。3.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]。4.镁及其合金具有良好的生物相

7、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]。5.镁资源丰富，成本低廉，适合大量开发生产[18]。一、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M

8、g2+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