鎂合金作為生物醫(yī)用材料的潛在優(yōu)勢(shì)、存在的問(wèn)題及解決思路
摘要
近幾十年來(lái)，鎂及其合金在醫(yī)療領(lǐng)域的價(jià)值正飛速提升，應(yīng)用也日益廣泛，其作為硬組織植入材料與現(xiàn)有的各種臨床金屬植入材料相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)[1]。然而，鎂合金當(dāng)然也不完美，也存在缺點(diǎn)，令其應(yīng)用受到限制[1]。那么，這些優(yōu)勢(shì)和缺陷究竟是什么如何讓其性能更完善呢本文就這些問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述。然而由于筆者才疏學(xué)淺，加之時(shí)間倉(cāng)促，文中疏漏之處在所難免，尚有待進(jìn)一步修改和完善，同時(shí)敬請(qǐng)各位讀者多多批評(píng)指正。
關(guān)鍵詞：鎂合金，醫(yī)用材料，植入體，腐蝕
一、引言
目前的生物醫(yī)用材料主要有部分金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料、復(fù)合材料及仿生材料等[1]。醫(yī)用金屬材料與高分子材料和無(wú)機(jī)非金屬材料相比，具有較高的強(qiáng)度、韌性和加工性能，因此應(yīng)用最為廣泛[2]。目前，臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬主要有不銹鋼、鈷基合金、鈦合金、形狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮、鎬等。但臨床應(yīng)用表明，以上材料均存在弊端[3]，如：
1.某些金屬植入體含Al元素[4]。該元素可對(duì)器官造成損傷，且能導(dǎo)致骨軟化、貧血[5][6]、老年癡呆及神經(jīng)紊亂等多種病癥[5][6]；
2.某些材料會(huì)在體內(nèi)釋放出毒性金屬離子[1]，引起受體發(fā)炎和排異反應(yīng)[7]；
3.部分不銹鋼植入體在生理系統(tǒng)環(huán)境中會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕、摩擦腐蝕與疲勞腐蝕破裂等狀況[8][9]，并因此釋放出Ni2+、Cr3+及Cr5+等離子，同時(shí)造成假體松動(dòng)，最終引起植入體失效[10]；
4.相當(dāng)一部分材料的彈性模量與人骨不夠相近，例如：不銹鋼的彈性模量約為200GPa，鈦合金約100GPa[4]，而人骨僅10～40GPa。這必然會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力遮擋效應(yīng)，進(jìn)而減少對(duì)新生骨組織生長(zhǎng)和重塑的誘導(dǎo)作用[1]，并最終造成植入體的不穩(wěn)定、組織愈合遲緩甚至植入失敗等后果[1][11]。
5.不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金皆為生物惰性材料，在人體中不發(fā)生或僅發(fā)生微弱的化學(xué)反應(yīng)，因而在生物環(huán)境中相當(dāng)穩(wěn)定[4]，無(wú)法自行降解[1]。故病人完全康復(fù)后必須再次通過(guò)手術(shù)將其取出[2]，徒增了患者的痛苦及醫(yī)療費(fèi)用[1]。
然而近年來(lái)，鎂及其合金的橫空出世和飛速發(fā)展使這些問(wèn)題的解決成為了可能。那么，這種金屬到底有什么優(yōu)點(diǎn)，能克服這么多棘手的困難呢？接下來(lái)的一段將回答這個(gè)問(wèn)題。
二、鎂合金作為生物醫(yī)用材料的潛在優(yōu)勢(shì)
近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)[3][12][13][14][15]：鎂合金作為硬組織植入材料，與現(xiàn)有的各種臨床金屬植入材料相比有許多突出的優(yōu)點(diǎn)：
1.Mg是人體必需的微量元素之一[1]，在動(dòng)物體內(nèi)含量?jī)H次于鈣、鈉、鉀，且在細(xì)胞內(nèi)僅次于鉀[4]，與神經(jīng)、肌肉及心臟功能密切相關(guān)[16]，對(duì)維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)具有重要作用[17]，是能量傳輸、貯存和利用的關(guān)鍵元素，還是新陳代謝過(guò)程中各種酶系統(tǒng)的重要活化劑，并參與人體內(nèi)幾乎所有的新陳代謝過(guò)程，如骨細(xì)胞的形成、蛋白質(zhì)的合成等。另外，鎂具有誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)的作用，能加速骨愈合，還可以調(diào)節(jié)DNA和RNA結(jié)構(gòu)，降低癌癥發(fā)病率，增強(qiáng)心血管的抗病毒能力[1]，減少血液中膽固醇的含量，從而防止高血壓、動(dòng)脈硬化和心肌梗塞等疾病[16]。而以鎂作為醫(yī)用植入材料勢(shì)必能增加人體內(nèi)Mg的含量，這樣就可以為患者帶來(lái)上述諸多好處。
2.鎂及其合金的密度約1.7g/cm3，與人骨密度（1.75g/cm3左右）幾乎完全相等[1]，符合理想接骨板的要求[4]，植入人體后不會(huì)增加患者的負(fù)重感和不適感，對(duì)其康復(fù)十分有利。
3.鎂及鎂合金的楊氏模量與人體骨骼（10～40GPa）最為相近，約為45GPa，能有效緩解甚至避免應(yīng)力遮擋效應(yīng)，因而不會(huì)阻礙骨骼的生長(zhǎng)和愈合[1]。
4.鎂及其合金的比強(qiáng)度和比剛度均很高。純鎂的比強(qiáng)度約為133MPa/（g/cm3），而超高強(qiáng)度鎂合金可達(dá)480MPa/（g/cm3），完全滿(mǎn)足植入材料的力學(xué)性能要求[4]。
5.鎂及其合金具有良好的生物相容性，可以在體內(nèi)自動(dòng)降解，所以無(wú)需再次通過(guò)手術(shù)取出。此外，鎂的標(biāo)準(zhǔn)電極電位很低，在體內(nèi)生成的離子可被機(jī)體組織吸收，然后通過(guò)體液排出體外[1]。
6.鎂資源豐富，成本低廉，適合大量開(kāi)發(fā)生產(chǎn)[18]。
三、鎂合金作為生物醫(yī)用材料存在的問(wèn)題
雖然鎂及其合金具備很多優(yōu)于其他金屬醫(yī)用材料的性能，但也存在一些缺陷，使其作為醫(yī)用植入材料受到限制：
1.常規(guī)方法制備的鎂純度較低。目前金屬鎂的生產(chǎn)主要采用硅熱法和電解法，制出的成品中Si、Fe及Cl-等雜質(zhì)較多，限制了鎂合金的應(yīng)用。
2.鎂植入人體后將長(zhǎng)期處于弱酸環(huán)境中，極易發(fā)生腐蝕。若腐蝕速度適中，釋放出的Mg2+對(duì)人體是有益的；但如果腐蝕速度過(guò)快，降解過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)量H2就會(huì)對(duì)人體造成傷害[1]，而同時(shí)生成的過(guò)量Mg2+也將導(dǎo)致肌肉麻痹、血壓過(guò)低及呼吸道疾病等[19]。另外，在機(jī)體完全恢復(fù)前，植入體的消失殆盡將導(dǎo)致治療失敗。因此，控制鎂合金的腐蝕速度是將其投入臨床使用前亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]。
四、鎂合金作為生物醫(yī)用材料存在問(wèn)題的解決思路
由上文可見(jiàn)，提高鎂合金的耐蝕性對(duì)于醫(yī)用鎂植入材料來(lái)說(shuō)是頗為重要的，目前可行的途徑主要包括以下幾個(gè)方面：
1．開(kāi)發(fā)高純鎂合金和新合金
雜質(zhì)是影響鎂合金耐蝕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]。控制其在容許極限以下，降低重金屬雜質(zhì)的含量，可以有效提高合金的耐蝕性能[20]。
2．加入稀土元素
稀土的低微合金化是開(kāi)發(fā)耐腐蝕鎂合金的一個(gè)方向。向鎂合金中添加適量的輕稀土元素不但能有效增強(qiáng)其耐腐蝕性和力學(xué)性能，同時(shí)初步研究表明這樣還有利于提高生物植入體的抗凝血行為。
3．形變加工
軋制、擠壓等形變加工工藝可以使合金晶粒細(xì)化，提高致密度，減輕成分偏析，從而使鎂合金更均勻，提高耐蝕性。
4．表面改性
研究表明，通過(guò)在鎂合金表面構(gòu)筑生物活性涂層，不僅能提高植入體的生物相容性，促進(jìn)其與骨組織間形成直接的化學(xué)鍵性結(jié)合，有利于其早期穩(wěn)定，縮短術(shù)后愈合期，而且可以延緩基體在體液中的腐蝕和降解速率。涂層材料主要是生物活性陶瓷，也可以是生物活性聚合物，目前人們的研究主要集中在磷酸鈣基生物陶瓷涂層上。
5．仿生法沉積羥基磷灰石涂層
羥基磷灰石（Ca10（PO4）6（OH）2）晶體屬六方晶系，每個(gè)晶胞含10個(gè)Ca2+，6個(gè)PO43-和2個(gè)OH-。其理論密度較大，為3.1568g/cm3，折射率為1.64～1.65，莫氏硬度為5，微溶于水，呈弱堿性（pH為7～9），易溶于酸而難溶于堿，是構(gòu)成骨和牙的主要無(wú)機(jī)質(zhì)，具有良好的生物相容性和生物活性，對(duì)人體無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)致癌作用，且作為人體骨骼的替代材料已有臨床應(yīng)用。鎂合金的力學(xué)性能可以通過(guò)改變羥基磷灰石顆粒尺寸和分布來(lái)進(jìn)行調(diào)整。羥基磷灰石顆粒穩(wěn)定了材料的降解速率并使腐蝕更為均勻地進(jìn)行，與成骨細(xì)胞的培養(yǎng)表明復(fù)合材料具有較好的細(xì)胞相容性[4]。
該方法是近幾年發(fā)展起來(lái)的新方法，適于在多種材質(zhì)、各種形狀的基體上制備磷灰石類(lèi)涂層。它具備其他方法無(wú)可比擬的優(yōu)越性：
1.由于涂層是在近似于人體組織環(huán)境條件下沉積出來(lái)的，故其成分更接近人骨無(wú)機(jī)質(zhì)，有更好的相容性和骨結(jié)合能力。
2.仿生法在低溫下進(jìn)行，能夠避免高溫引起的相變和脆裂，有利于增加金屬基體和陶瓷涂層之間的結(jié)合力。
3.低溫條件能為蛋白質(zhì)等生物大分子的共沉積提供可能。通過(guò)改變?nèi)芤撼煞謥?lái)改變涂層成分，可以使蛋白質(zhì)、骨生長(zhǎng)因子、抗生素等有機(jī)物在仿生溶液中與羥基磷灰石共沉積。
4.涂層形成后無(wú)需再次熱處理即可形成致密的晶體層。
5.該技術(shù)可在形狀復(fù)雜和多孔的基體上形成均勻涂層。
6.所需設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，沉積工藝易于控制，費(fèi)用較低[21]。
6．微弧氧化
微弧氧化技術(shù)（又稱(chēng)微等離子體氧化或陽(yáng)極火花沉積）是近幾年才發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)在有色金屬表面原位生長(zhǎng)氧化物陶瓷層的新技術(shù)，可在金屬表面形成多孔、耐蝕、耐磨的薄氧化層，已在鈦種植體表面成功應(yīng)用，是一種很有希望的醫(yī)用金屬植入體表面生物改性技術(shù)[4]。
五、總結(jié)
綜上所述，鎂及其合金具有其他諸多材料所無(wú)法相比的優(yōu)點(diǎn)，但其腐蝕速率的控制仍是該材料發(fā)展和應(yīng)用的一大瓶頸。雖然目前已出現(xiàn)了很多解決方案，卻皆無(wú)法投入實(shí)際應(yīng)用。但是我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，這些困難一定能克服，鎂與鎂合金也必將成為未來(lái)醫(yī)用材料中不可或缺的組成部分。
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