含微量Nd镁基生物材料的研究现状

李梦君++万天++谢旭东+++朱雨辰+++吴守钢++张娇+宋述鹏

摘 要：随着科研人员对具有生物特性材料的研究不断深入，越来越多的生物材料被应用于医学领域，尤其是在牙科和骨科方面的实际应用，金属材料因其特有的强度、韧性、耐磨性和耐疲劳性能被广泛应用。与传统的植入材料相比，镁合金具有可降解性、力学性能优良和生物相容性，这使其在医学材料方面具有较大的优势，而且其对未来医学植入材料有着十分重大的意义和影响。随着研究的不断深入，研究者们在控制镁合金耐蚀性能和力学性能的技术方面有了重大突破。

关键词：生物材料 镁合金 生物相容性

中图分类号：TQ11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（a）-0059-02

1 镁合金的优势和不足

镁合金作为生物材料有以下的特点：（1）质量轻，密度为1.74 g/cm3，相对密度24，接近人骨密度。镁在自然界中分布广泛，同时在海水中也含有大量的镁，价格相对便宜。（2）相较于钛合金、不锈钢等生物材料，镁合金有其最大的优势——可降解性。（3）镁合金有良好的力学性能，其杨氏模量为41.45 GPa，远小于钛合金和不锈钢，这就能够有效地缓解传统金属植入材料所引起的“应力遮蔽效应”，骨质疏松甚至是二次骨折。（4）具有良好的生物相容性。镁是人体必需的微量元素，成年人平均每天应该摄入约400 mg镁离子，镁的生物安全性高，无生物毒性。

镁的化学性能很活泼，耐腐蚀性能较差，这是制约镁合金在医疗方面进一步应用的最大阻力。通常，镁合金的耐蚀性主要与生成的腐蚀产物层有关，当生成的腐蚀产物大于溶解的腐蚀产物时，镁具有好的耐蚀性。由于镁表面的氧化物膜疏松多孔，对其难以形成保护作用：镁在酸性条件下易腐蚀，腐蚀膜无法对镁形成保护作用；镁在碱性条件下虽然有较好的耐腐蚀性，但其形成的是松散沉淀物。以上原因使得镁还不能满足当前医学临床上长周期植入物的要求。

2 镁在体液中的降解过程

生物镁合金在植入人体后需要保持12周以上才能保证组织充分愈合和生长。人体的体液是由有机酸、金属离子、阴离子以及蛋白质、酶和细胞等构成的复杂的电解质环境，pH值7.35～7.45，温度37 ℃。由于镁的标准电极电位极低（-2.37 V），因此，易在人体环境中发生电化学腐蚀，其反应过程有：

由于体液成分的复杂性，镁合金在体内的腐蚀受很多因素的影响和制约。一方面血液中大量存在的Cl-，其溶解度大且半径小，易穿透表面膜与基体接触发生反应，并为去极化剂和阳离子扩散打开通道，加速腐蚀电流流动，还会将Mg（OH）2溶解成MgCl2，使其丧失保护膜层的作用；另一方面PO43-、HPO2-、SO42-和CO32-与镁钙离子反应生成的难溶膜层和蛋白质在镁合金表面形成的吸附膜均会阻碍基体与体液接触，阻碍镁合金的进一步腐蚀。

3 镁合金的应用与研究

镁合金在医疗上已有了诸多应用，比如医用螺钉、心血管支架、多孔骨修复材料等。在医用螺钉方面，由于镁的弹性模量与人骨的接近，可以有效地缓解应力遮蔽效应，在骨折愈合初期，提供稳定的力学性能，并逐步增加骨的受力，刺激骨的生长，加速愈合；而在心血管支架方面，相对于不可降解的不锈钢支架，镁合金心血管支架有更好的应用前景；在作为多孔骨修复材料方面，由于其合适的力学性能、可降解性和本身的生物活性，能诱导细胞的分化和血管的生长。

但镁合金作为植入材料，过快的降解速度仍然制约着镁合金在临床上的应用，而且必须在服役期间内满足必要的力学与形态学要求，因此镁合金的降解速度不宜过快，且要尽量避免发生点蚀，点蚀的发生会加快腐蚀速率，合金降解的时间也不可控制。目前的研究工作便是近一步增加镁合金的耐蚀性，促进均匀腐蚀行为，满足镁合金医用材料降解时间的可调控性和可预测性的设计，在长时期植入生體内期间，有效满足新骨的生成速率和镁合金降解速率相一致，最大地促进骨的生长和治愈效果。

4 提高镁合金耐蚀性的方法

元素合金化是目前常用的镁合金强化方法之一，即添加合金元素，使镁的力学性能和耐腐蚀性得以提高，当植入材料在人体内进行工作时，合金元素固然会随之进入人体内，因此合金元素必须对人体无毒副作用，即具有良好的生物相容性。常用的可添加元素有Ca、Sr、Zn、Zr等和一些稀土元素。钙是人体必不可少的元素之一，它是组成骨骼的主要元素。加入少量的钙可以改善镁合金的铸造及机械性能。镁钙合金中Ca的添加量低于wt.1.0%时表现出良好的生物相容性、低腐蚀速率以及适当的弹性模量和强度。锶能够维护骨骼健康，增强骨强度和骨密度。锌元素有助于青少年骨骼发育和组织再生，并能促进伤口愈合，提高人体机能的免疫力。锆本身的耐蚀性就很优异，在镁合金中与铁等形成稳定的化合物。锆能够细化镁合金晶粒，提高合金的机械性能和耐蚀性能。

另外，对镁进行表面改性处理是指通过化学或物理方法进行处理，使其表面生成耐腐蚀膜，从而对基体起到保护作用。目前表面处理的方法有化学转化膜、碱热处理、阳极氧化、微弧氧化、离子注入和构筑生物活性涂层等。其中构筑生物活性涂层法是指在镁合金表面涂上一层生物活性膜，此法不仅能提高其生物相容性，而且可以延缓基体在体液中的腐蚀和降解速率。Rudd等人[1]通过放置镁及WE43合金在Ce（NO3）3、La（NO3）3或Pr（NO3）3溶液中进行化学处理，在表面生成稀土转化膜。将处理过的纯镁与WE43在pH为8.5的硼酸溶液中进行动态极化测试和阻抗测试。结果表明两种合金在溶液的耐蚀性在短期内显著增加。

5 镁合金体内测试研究成果介绍

在作为心血管支架方面，国内外的研究人员通过科学实验验证了镁合金因其具有可降解性可以在一段时间内自行降解并具有很大的应用前景。B.Heublein等[2]将AE21镁合金（2%Al+1%RE）支架植入家养猪的冠状动脉，结果显示植入6个月后有50%质量损失，且降解速度与时间呈线性关系，在试验期间没有出现重大的问题和初期支架破损的现象。Erbel的临床研究显示[3]，将71个长度10～15 mm、直径3.0～3.5 mm的镁合金支架植入63个冠状动脉狭窄的患者，4个月后经血管内超声检查，血管狭窄率由61.5%降低到12.6%，可观察到部分狭窄血管直径增加且血供良好，术后1年残余的少量镁合金支架嵌入内膜，没有不良反应。

在作为骨固定材料方面，镁合金的腐蚀产物有助于诱导骨生长。F. Witte等[4]将4种不同镁合金和1种降解聚合物植入豚鼠股骨进行比较研究，发现镁合金组在1周内有皮下气泡产生，2～3周后气泡消失；在6周和18周进行观察，所有镁合金植入体被主要由与骨直接接触的Ca、P组成的磷酸盐相覆盖，镁合金周围的矿化骨的面积显著高于聚合物，认为镁离子的聚集可以激活骨细胞，促进骨的再生。

6 实验生物镁合金组织性能测试

稀土Nd在镁合金中有较大的极限固溶度，可以对镁合金起到很好的固溶强化作用。Nd的添加可以形成金属间化合物使镁合金电偶腐蚀过程中阴极性减弱，降低了镁合金的微电偶腐蚀，并且可以改善表面氧化膜的结构，使其变得致密，从而增强了耐腐蚀性。而且少量Nd在生物体内无细胞毒性，晶界处会形成Mg12Nd耐蚀相，在晶界处形成腐蚀障碍，增加耐蚀性，并且析出的第二相Mg12Nd的电位比镁稍高，可以缓解镁被腐蚀的程度。该文介绍课题组制备的两种稀土生物镁合金的实验测试结果如下。

Mg2.4Nd0.8Sr0.3Zr镁合金在模拟体液中腐蚀7天后的表面形貌图如图1（a）所示。在合金腐蚀后表面生成了密集的腐蚀产物层，阻碍溶液进一步渗入基体，增加耐蚀性。且片状腐蚀层被裂纹分割成相对均匀的区域，表明该合金在模拟体液中的腐蚀行为是均匀腐蚀的。Mg3.5Nd0.2Zn0.4Zr合金显微组织如图1（b）所示，基体主要由α-Mg和在晶界析出白色的Mg12Nd相组成，Mg12Nd相的生成提高了鎂合金的耐蚀性。

7 结语

综上所述，生物镁合金自身在各方面性能上也具有极大的优越性，尤其是力学性能、可降解性以及生物相容性。因此，其可以作为可降解医用金属材料，其可降解性有助于组织生长和愈合，可极大地减轻患者的痛苦和经济压力，同时避免二次手术带来的风险，并具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] AL Rudd，CB Breslin，F Mansfeld.The corrosion protection afforded by rare earth conversion coatings applied to magnesium[J].Corrosion Science，2000，42（2）：275-288.

[2] Heublein B，Rohde R，Kaese V，et al.Biocorrosion of magnesium alloys： a new principle in cardiovascular implant technology[J].Heart， 2003，89（6）：651-656.

[3] Erbel R，Di Mario C.Temporary scaffolding of coronary arteries with bioabsorbable magnesium stents： a prospective， non-randomised multicentre trial[J].The Lancet，2007（369）：1869-1875.

[4] Witte F，Kaese V.In vitro and in vivo corrosion measurements of magnesium alloys[J].Biomaterials，2005（26）：3557-3563.