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具有革命性的医用材料——镁合金

发布时间:2017-01-04

镁元素是人体必需的元素之一,是所有金属材料中生物力学性能与人体骨最接近的金属,具有理想的生物和力学相容性。镁合金具有优异的可降解性,可降解生物镁合金被誉为革命性的生物医用金属材料,具有良好的综合力学性能、生物活性等特征。近年来,镁合金作为一种新型可降解金属生物材料,受到越来越多研究者的关注。本文作者对可降解生物镁合金的研究与应用进行了分析与介绍。

镁合金与其他临床应用生物医用金属材料相比,具有诸多显著优点,如密度(1.74g~2.0g/cm3)接近于人骨密度(1.8g~2.1g/cm3),强度较高,可有效缓解应力遮挡效应;其次,镁又是人体细胞内第二重要的阳离子,能激活体内多种酶,参与体内蛋白质的合成、肌肉收缩及体温调节;此外,镁的标准电极电位(-2.37V)很低,在含有Cl-的人体生理环境中腐蚀更快,利用镁合金耐蚀性差的特点可将其发展成为生物可降解金属。

 
可降解生物镁合金研究现状
从本世纪初开始,以生物可降解镁合金为代表的具有生物可降解(吸收)特性的新一代医用金属材料研究发展迅速,受到了人们的特别关注。这类新型医用金属材料抛弃人们通常将金属植入材料作为生物惰性材料使用的传统思想,而巧妙地利用镁基金属材料(纯镁及镁合金)在人体环境中易发生腐蚀(降解)的特性,来实现金属植入物在体内逐渐降解直至最终消失的医学临床目的。此外,由于镁合金所具有的金属材料特性,其强度、塑性等都要远优于现已开始临床应用的陶瓷、硫酸钙和聚乳酸等可吸收材料,同时,其弹性模量和密度更接近骨组织,因而具有在骨修复方面临床应用的优势和潜力。
可降解镁合金材料的研究目前处于起步阶段。镁合金能否成为医用可降解材料,材料的安全性和降解速率的控制有2个基本条件,一方面,可降解材料生物相容性的系统评价是其成为医用材料的基础;另一方面,可降解生物材料要求材料降解速度与组织新生或者愈合速度之间匹配。所以,可降解镁合金在生理环境下的腐蚀降解过程和机制、过程控制方法、骨诱导性能的机理研究、生物相容性等问题还亟待进一步解决。


可降解生物镁合金应用
镁是人体内含量仅次于钾的细胞内阳离子,在新陈代谢过程中起着重要作用,镁也是组成生物体骨的主要成分,能够促进骨、牙齿及细胞形成并在骨的矿物质代谢中具有重要的调节作用。此外,由于镁合金所具有的金属材料特性,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,因而更适于在骨等硬组织修复和介入治疗方面的临床应用。
令人欣喜的是,全球现有实验中所选用的镁合金在血液及骨环境下进行短期实验观察时均没有不良后果产生。可以预测,医用可降解镁合金材料的医学临床应用,可大大提升现有金属植入器械的医疗功能,并可能产生新的医疗效果,从而为广大患者带来新的福音。
心血管支架
传统心血管支架一般由不锈钢与高分子制成,旨在减少冠状动脉成形术后管腔的弹性回缩,可用于治疗各种类型的心绞痛、急性心肌梗死等。但传统支架有一定的弊端,如不锈钢支架永久存在血管内,可引发局部炎症反应,有供血血管再狭窄的可能性;高分子支架力学性能较差,在降解期间,容易在植入处造成酸性环境,延缓病愈。镁合金因易降解性及力学性能符合植入材料要求,可被制成可降解心血管支架。
可降解镁合金血管支架是镁合金作为可降解生物材料研究领域的最大进展。德国Biotronik公司采用激光雕刻技术对WE43(质量分数:Mg-4%Y-3%Re)镁合金管进行加工而成世界首例镁合金支架,且在临床实验中证明该材料具有良好的生物相容性与物理力学性能。目前,商用化的镁及镁合金种类就包括纯镁、AZ31、AZ91、WE43、AE21、LAE442、ZK60等。
在目前研究中的可降解镁合金支架有:AE21、AM60、wE43、铼钇镁合金支架、镁锌锂合金支架等。
骨固定材料
镁合金作为骨固定材料,在骨折愈合初期能够提供稳定的力学性能,逐渐而不是突然降低其应力遮挡作用,使骨折部位承受逐步增大直至生理水平的应力刺激,从而加速骨折愈合与塑形,防止局部骨质疏松和再骨折的发生。
镁合金材料与人骨力学性能匹配,避免了应力遮挡效应,同时其可生物降解性避免了患者二次手术的痛苦,兼具良好的生物相容性,使之成为了一种新型骨科医用材料。
多孔骨修复材料
骨修复研究的最终目标是人工骨不仅可以替代受损的骨骼,还应在体内逐渐降解,并同时引导骨细胞生长,最终实现骨再生。发展新的骨组织工程修复材料,既要有良好的力学性能,又要有类似于骨的多孔结构和生物可降解性能。
常用的多孔骨组织工程材料有生物陶瓷和聚乳酸,这些材料力学性能差。多孔镁作为一种可降解的生物材料,其力学性能符合要求,且其本身具有生物活性,可诱导细胞分化生长和血管长入。
普外科领域的应用
镁合金良好的力学性能能够对胆道管腔提供暂时的支撑作用,其可靠的生物相容性及可降解性避免了植入支架对人体的危害和长期放置引起的并发症,在肝胆外科尤其是胆道良性疾病的治疗方面有着广阔的发展前景。
口腔科领域的应用
镁合金相对于其他金属材料而言更接近人体密质骨,作为牙种植体材料具有更好的生物力学相容性,镁合金还能促进钙磷的沉积,密质骨的生长,表明镁及其合金在口腔种植领域有良好的应用前景。同时,镁合金材料与其他金属材料相比不仅具有相似的韧性,而且其可降解的特性可避免二次手术给病人带来的痛苦,同时,作为金属材料,更易加工和灭菌。因此,镁合金作为可降解生物材料具有巨大的应用潜力,目前可降解生物镁合金已被誉为“革命性的金属生物材料”,而受到广大医疗工作者和生物材料研究者的高度瞩目。
临床上经常发生因细菌感染导致骨内植物植入手术失败而需取出的案例,所以骨内植入物材料具有广谱抗菌功能对临床而言意义重大。为此,上海交通大学、中国工程院院士丁文江和该校教授袁广银团队致力于研发医用镁合金JDBM(Jiaoda Bio-Mg交大生物镁),具有良好的广谱抗菌功能。该材料应用于制备骨内植物器械,可望解决临床上常发生的因细菌感染导致骨内植物手术失败的临床实际问题,造福广大患者。
镁合金以其优良的机械性能、良好的生物相容性和可降解性能,表现出巨大的优势与潜力,已经引起国内外越来越多研究者的关注,成为当今研究的热点之一。但作为新一代的硬组织材料,镁合金的研究才刚刚起步。若要将镁合金作为医用材料应用于医学领域,对镁合金的物理、化学、生物性能也提出了更加严格的要求。相信随着科学技术的进步和研究的进一步深入,镁合金产品会越来越广泛的为人类应用,为人类造福。

来源:中国有色网

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