镁科研：镁基生物材料及其应用

在金属、陶瓷、聚合物和复合材料类生物医用材料中，金属植入材料由于具备强度高、延展性好、可承重、耐用、制造方法多样等优点，在骨修复领域备受青睐。然而，金属植入材料通常也存在生物相容性较差和应力屏蔽等问题，易导致炎症、细胞凋亡，并破坏人体组织。与其他金属植入材料相比，镁由于力学性能与人体骨骼相近、降解对人体无毒，在可降解生物医用领域极具应用潜力。然而，镁降解过快使其在人体内易提早失效，阻碍了其进一步广泛应用。

来自土耳其中东技术大学的Zafer Evis博士等人全面、批判性回顾了生物医用镁合金植入物的最新研究和技术进展，总结了生物医用镁合金植入物最新应用、合成和制造方法、性能及微观结构、计算模拟方面的研究进展，讨论了生物医用镁基复合材料（包括镁-陶瓷、镁-聚合物）的发展前景，并对镁基生物材料的未来研究方向提出了建议。

1）综述总结了2010年以来生物医用镁合金植入物的最新应用，主要包括Magnezix®和Magmaris®。Magnezix®是第一个获得CE认证、通过粉末冶金法（PM）制备的生物可降解螺钉，主要用于骨固定和骨折治疗。由于其弹性模量与人骨接近、不含铝毒性元素、强度和塑性较好，避免了应力屏蔽效应，且无任何过敏或毒副作用，在全球已销售了4000多颗。Magmaris®是一种镁基左旋聚乳酸涂层（PLLA）支架，相比Absorb GT1™和DESolve®可生物降解支架，具有强度更高、力学性能更稳定的优点。

2）综述了镁基植入材料的合成方法。镁在人体中降解无毒，当其降解速率与组织的愈合速率达到平衡时，可避免二次手术。通过适当的制备方法，可实现植入物的可控降解。粉末冶金法（PM）制备的镁基生物材料具有孔径分布合适的多孔结构、晶粒尺寸细小，增强了植入材料与宿主组织或骨骼环境的生物相互作用，材料的生物相容性进一步提高。然而，孔隙的存在加速了合金的降解。通过在粉末中添加羟基磷灰石（HAp）、在合金表面涂敷二氧化硅基生物活性玻璃涂层等（表1），可减缓植入物的降解。目前关于PM法的研究主要集中在优化设计工艺参数、改善孔隙度、孔隙分布和形状等，以设计出可控降解的多孔生物可降解植入物。为避免粉末颗粒在长时间烧结过程中氧化，还开发出了放电等离子烧结法（SPS）和金属注射成型法（MIM）制备多孔可生物降解植入物。

表1 多孔镁基植入材料的研究

3）综述了镁基植入材料的合金化、微观结构、表面特征和性能。通过添加一定的合金元素（如Al、稀土元素、Ca、Zr、Zn、Mn、Sr、Li等），可以提高植入物的塑性、强度和生物性能。例如，添加Al和稀土元素可提高耐蚀性；添加适量的Ca可加速骨骼生长，减缓材料降解；添加Zn可通过在植入物表面形成腐蚀产物层提高耐蚀性；添加Sr可显著改善人体成骨细胞活性和促进骨形成；添加Ce提高镁合金的耐腐蚀性能。但一些元素添加也会对人体产生不利影响，如Al易导致阿尔茨海默病和痴呆症；部分稀土元素易导致肝中毒等。微观结构如晶粒尺寸、晶界和相分布等也会显著影响镁合金的耐蚀性能。晶粒细化导致晶界密度和分布变化，改善了镁合金的力学性能和耐蚀性能。除微观结构外，材料表面特征（表面粗糙度、孔径和孔的形态等）对其生物相容性也至关重要。合适的表面粗糙度可改善合金表面的细胞附着和增殖、促进骨结合和骨生长；六边形孔比球形孔更适合于细胞附着。植入物表面宏观、微观和纳米级粗糙度的随机组合有利于改善植入物和宿主组织之间的结合，因此作者建议可模拟具有纳米和微米粗糙度的天然骨表面以促进骨整合。通过固溶和时效热处理、热挤压、等通道角挤压等方式，可细化晶粒、改善第二相尺寸及分布，提高镁合金的力学性能（表2）。

表2 PM法制备镁基合金的力学性能

4）综述了目前对镁基生物材料的合成过程和降解行为的计算模拟研究进展。通过计算模拟，可预测植入物在生理条件下的力学性能及其与周围组织的相互作用，优化工艺参数，改进植入物和支架设计，预测腐蚀速率、体外测试重要参数以及一般腐蚀行为，节省实验时间。目前开发出的模型主要包含有限元模型(FEM)、边界元法（BEM）、内部状态可变模型(ISV)、偏微分方程模型(PDE)等，准确预测了生物材料的降解率、力学性能及其与周围组织的相互作用。但目前关于表面粗糙度、表面形态和孔隙率对合金体内和体外腐蚀的计算模拟研究还相对较少，有必要进行深入研究，以设计开发出可控降解的镁基植入物。

5）讨论了镁基复合材料的发展前景。镁和镁合金的复合材料已具备较高的耐腐蚀性、生物相容性和力学性能。当镁与聚合物形成复合材料时，可进一步提高材料的耐蚀性，但力学性能较差，所制备的镁-聚合物复合材料不适用于承重应用。在此基础上，还制备了几种陶瓷相增强镁基复合材料（PLLA/Mg、聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)/Mg、AZ91/HAp、HAp/Mg–Zn、β-TCP/Mg–Zn、MgCa-HAp/TCP等），比镁合金强度更高、腐蚀速率更低，具有较强的生物活性等，在生物医用领域具有较大潜力。