鎂合金在可植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用展望

鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 張 曄

鎂合金在可植入醫(yī)療器械中的應(yīng)用展望

鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 張 曄

鎂是一種可被人體吸收的常量元素，具有較高的強(qiáng)度和剛度。此外，鎂合金還具有良好的可降解性，可以被人體吸收從而避免了異物在人體內(nèi)長(zhǎng)期存留以及二次手術(shù)等問(wèn)題。因此，利用鎂合金獨(dú)特的性能，開(kāi)發(fā)新型可植入醫(yī)療器械，可以廣泛地造福于人類，并可產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。可降解生物鎂合金材料可以應(yīng)用在骨內(nèi)固定器件、骨內(nèi)填充器械及心血管支架等可植入器械，目前，鎂合金已經(jīng)成為生物材料的研究熱點(diǎn)。

一、傳統(tǒng)可植入醫(yī)療器械面臨的問(wèn)題

目前，臨床應(yīng)用的骨內(nèi)固定器件以其是否可被人體吸收而被分為2大類：不可吸收類和可吸收類。不可吸收類骨內(nèi)固定器件主要由不銹鋼、鈦合金和鈷基合金金屬材料制成。可吸收類主要由可降解高分子材料、可吸收生物陶瓷等制成；不銹鋼、鈦合金等金屬醫(yī)療器械在臨床使用中普遍存在一個(gè)重要問(wèn)題，就是醫(yī)用金屬材料植入體內(nèi)后將會(huì)作為異物長(zhǎng)期留存在體內(nèi)，會(huì)不同程度地刺激周邊肌體組織，從而產(chǎn)生不同程度的組織反應(yīng)。金屬材料在體內(nèi)由于腐蝕、磨損等造成的有害金屬離子溶出和顆粒物的形成，還易引發(fā)人體過(guò)敏及體內(nèi)的炎性反應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致畸變、癌變等重大疾病的發(fā)生。因此病愈后，患者往往需經(jīng)二次手術(shù)將金屬植入物取出，這又給患者帶來(lái)了新的臨床風(fēng)險(xiǎn)及額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。植入心血管支架的患者一般需長(zhǎng)期服用抗凝血藥物來(lái)減少金屬支架植入后的心血管再狹窄發(fā)生率。聚乳酸類可降解高分子材料與金屬材料相比，其力學(xué)性能還存在明顯不足，且降解過(guò)快，價(jià)格昂貴。因此，能否實(shí)現(xiàn)植入金屬在人體內(nèi)的完全降解并被體內(nèi)安全吸收或排泄，一直是臨床醫(yī)學(xué)工作者需要解決的一個(gè)問(wèn)題。

二、可降解鎂合金作為醫(yī)用材料的優(yōu)勢(shì)

1.從本世紀(jì)初開(kāi)始，以生物可降解鎂合金為主要代表的具有生物可降解特性的新一代醫(yī)用金屬材料的研究發(fā)展迅速，受到了人們的特別關(guān)注。這類新型醫(yī)用金屬材料拋棄人們通常將金屬植入材料作為生物惰性材料使用的傳統(tǒng)思想，而巧妙地利用鎂基金屬材料在人體環(huán)境中易發(fā)生降解的特性，來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬植入物在體內(nèi)逐漸降解直至最終消失的醫(yī)學(xué)臨床目的。此外，由于鎂合金所具有的金屬材料特性，其強(qiáng)塑性、剛度、加工性能等都要遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)已開(kāi)始臨床應(yīng)用的聚乳酸等可降解高分子材料，因而更適于在骨等硬組織修復(fù)和介入支架方面的臨床應(yīng)用。可以推斷，生物可降解鎂合金的醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用，可大大提升現(xiàn)有相關(guān)金屬植入器械具備的醫(yī)療功能，并可能產(chǎn)生新的醫(yī)療效果，從而會(huì)為廣大疾病患者帶來(lái)新的福音，因此在金屬植入器械的應(yīng)用和發(fā)展中具有里程碑性的重要意義。

2.生物可降解鎂合金的相關(guān)特性。

（1）鎂的有益性。鎂是哺乳動(dòng)物和人體必需的一種元素。鎂是人體細(xì)胞內(nèi)主要陽(yáng)離子，它集于腺粒體中，僅次于鉀和磷，在細(xì)胞外液中含量?jī)H次于鈉和鈣居第3位，是體內(nèi)多種細(xì)胞基本生化反應(yīng)的必需物質(zhì)。成人每日對(duì)鎂的需求量為400 mg左右。

（2）鎂的生物活性。人體中的鎂離子可促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖及分化。鎂植入生物體內(nèi)后，可在表面形成磷酸鹽類物質(zhì)，促進(jìn)周?chē)晒羌?xì)胞的大量生成，表現(xiàn)出生物的活性特征，這也是聚乳酸等可降解高分子材料以及不銹鋼、鈦合金等金屬材料所不具備的。

（3）鎂的力學(xué)性能。與目前已經(jīng)臨床應(yīng)用或正在開(kāi)發(fā)的可降解（吸收）植入材料相比，鎂合金具有更優(yōu)異的強(qiáng)度、塑性和彈性模量等力學(xué)性能，與骨組織的力學(xué)性能更為接近，如表1所示；與現(xiàn)已臨床應(yīng)用的金屬植入材料相比，鎂合金的彈性模量也更接近骨組織。因此，可降解鎂合金在臨床應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

表 1醫(yī)用植入材料性能對(duì)比

（4）鎂的降解特性。聚乳酸等可降解高分子在體內(nèi)的降解方式為體降解，降解過(guò)程中其力學(xué)強(qiáng)度損失較快。而鎂合金在體內(nèi)的降解方式主要為均勻腐蝕和點(diǎn)蝕，降解過(guò)程中鎂合金的力學(xué)強(qiáng)度與植入時(shí)間基本上呈線性下降關(guān)系，在體內(nèi)可提供更長(zhǎng)和相對(duì)穩(wěn)定的力學(xué)強(qiáng)度維持時(shí)間。更重要的是可通過(guò)表面改性處理，來(lái)減緩和控制鎂合金在體內(nèi)的降解速率，以滿足臨床的不同的實(shí)際需求。目前，鎂合金在模擬體液中的降解速率可控制在0.1～2 mm/a。

（5）鎂的密度。與目前臨床應(yīng)用和正在開(kāi)發(fā)的骨科植入材料相比，鎂與骨組織的密度最為接近，如表2所示。

表 2 部分生物醫(yī)用材料及骨組織密度

（6）鎂的原材料成本低廉。鎂是地球上儲(chǔ)量最豐富的輕金屬元素之一，在地殼中鎂的儲(chǔ)量約占2.77%，海水中有0.13%的鎂。我國(guó)目前在鎂產(chǎn)業(yè)方面有3項(xiàng)“世界冠軍”：首先是鎂資源大國(guó)，儲(chǔ)量占世界首位；其次是原鎂生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量占全球的2/3；第三是出口大國(guó)，出口量約占總產(chǎn)量的80%～85%。目前，鎂合金的市場(chǎng)售價(jià)在40元/kg左右，而聚乳酸類可降解高分子則在30 000元/kg以上，價(jià)格為鎂合金的近千倍。

因此，鎂合金醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景極為廣闊。上至顱骨修復(fù)、頜面外科，下至全身各處的骨折內(nèi)固定、骨缺損填充支架，再到以心血管支架為重要代表的介入支架等眾多不同類型的植入器件，都可采用可降解鎂合金來(lái)進(jìn)行制作，從而實(shí)現(xiàn)病愈后在體內(nèi)逐漸降解并最終消失的特殊功能。這對(duì)于醫(yī)用金屬材料來(lái)說(shuō)，將是一次具有革命性意義的變革，因此可降解鎂合金在歐美已被譽(yù)為是一種革命性的金屬生物材料。

三、生物可降解鎂合金的研究發(fā)展與醫(yī)學(xué)應(yīng)用面臨重大挑戰(zhàn)

生物可降解鎂合金的研究發(fā)展歷史還非常短暫，從材料研究到未來(lái)醫(yī)學(xué)應(yīng)用的過(guò)程中仍面臨許多挑戰(zhàn)，還存在一些關(guān)鍵的科學(xué)與技術(shù)問(wèn)題迫切需要解決，尤其是可降解鎂合金在體內(nèi)方面的相關(guān)研究工作及數(shù)據(jù)還非常有限，已成為可降解鎂合金實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用的重要瓶頸。包括生物安全性更優(yōu)的新型可降解鎂合金的設(shè)計(jì)和制備、面向臨床應(yīng)用的可降解鎂合金的力學(xué)性能優(yōu)化、鎂合金在體內(nèi)的降解機(jī)制及其與體外研究的相關(guān)性、鎂合金體內(nèi)降解產(chǎn)物的生物安全性、鎂合金降解產(chǎn)物的體內(nèi)吸收與排泄機(jī)制、鎂合金在體內(nèi)降解中的力學(xué)強(qiáng)度退化、可降解鎂合金植入器件在體內(nèi)降解中的力學(xué)性能有效性、可降解鎂合金植入器件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等在內(nèi)的諸多科學(xué)問(wèn)題還有待更加系統(tǒng)和深入地研究和認(rèn)識(shí)，進(jìn)而為可降解鎂合金的醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供更加可靠的科學(xué)依據(jù)。

四、生物可降解鎂合金的研究方向

目前，生物可降解鎂合金的研究主要是在材料組成、表面改性、降解行為、生物相容性等方面。鎂合金是以鎂為基加入其他金屬元素組成的合金，通過(guò)加入其他元素，可以控制其降解速率，提高生物安全性。對(duì)可降解鎂合金進(jìn)行表面改性，不僅可以提高鎂合金的耐腐蝕性能，降低鎂合金的生物降解速度，還可以進(jìn)一步提高鎂合金的生物相容性及表面的生物活性，促進(jìn)損傷組織的愈合。目前，科學(xué)家對(duì)可降解鎂合金的生物安全性已開(kāi)展了體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究，表明在合理控制鎂合金的降解速率的條件下，可降解鎂合金科研表現(xiàn)出較好的生物安全性。