醫用鎂合金及其涂層生物相容性的研究進展

王闖等

摘要查閱近年來國內外鎂合金生物相容性方面的相關文獻，從血液相容性、細胞相容性、組織相容性等方面對鎂基合金及其生物相容性研究進展進行了綜述。

關鍵詞鎂合金； 生物相容性； 涂層； 表面改性； 醫用植入材料

中圖分類號S859文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）21-07034-03

Research Progress on Biocompatibility of Medical Magnesium Alloy and Coating

WANG Chuang，ZOU Yuhong et al （College of Chemical and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology， Qingdao，Shandong 266590）

Abstract Referring to relevant literatures of magnesium alloy biocompatibility at home and abroad in recent years，from aspects of blood compatibility，cell toxicity and tissue compatibility，the research advance of magnesium alloy and biocompatibility were reviewed.

Key words Magnesium alloy； Biocompatibility； Coating； Surface modification； Bone implant material

目前，醫用可降解鎂合金逐步成為材料化工領域和醫學研究領域的熱點研究方向之一。與目前臨床應用的醫用金屬材料（如不銹鋼、鈷基合金和鈦合金等[1]）相比，可降解鎂合金擁有以下特性和優勢：①鎂原料資源比較豐富，容易獲取；②人類骨骼的密度約為1.74 g/cm3，與鎂合金的密度相近；③鎂合金在比強度和比剛度上具有較大的優越性，加工性能良好[2]；④鎂合金彈性模量較其他醫用金屬材料更接近人類骨骼的彈性模量，作為骨植入材料可以避免不利的應力遮擋效應[3]；⑤鎂合金具有良好的降解吸收性，避免了二次手術給病人帶來的痛苦以及其他毒副作用 [4]；⑥鎂是人體必需的常量元素之一，鎂合金植入材料中微量釋放的鎂離子可以促進組織愈合，對人體有益。

然而，目前鎂合金作為醫用材料植入人體存在的較大問題是其腐蝕降解速度過快。如果鎂合金的腐蝕降解速度過快，將會導致以下問題：①析出氫的速度要比人體的容許值大很多；②植入部位的pH快速升高，使人體機能發生異常的反應；③植入材料的抗疲勞強度、抗壓屈服強度和抗拉強度等力學性能會迅速劣化，失去力學完整性。綜合目前的研究現狀，為提高鎂合金的耐蝕性，主要的改善途徑有：表面改性、非晶化、材料合金化和變形加工。其中，表面改性（包括可降解高分子聚合物、生物活性陶瓷、化學轉化膜、陽極氧化膜、金屬鍍層和惰性生物陶瓷涂層）更能顯著改善鎂合金材料的耐腐蝕性能，進而改善其生物相容性[5]。

生物相容性評價是所有生物材料進入臨床應用前所必須進行的一項工作，良好的生物相容性是材料植入的安全保障[6]。因此，必須對鎂合金植入材料進行完整的生物相容性評價。目前，主要是通過體內試驗和體外試驗的方式來評價生物材料的生物相容性。其中，體外試驗的研究模式更為接近材料應用時的生理狀態，可靠性高[7]。筆者針對不同評價方法對近些年在鎂合金生物相容性方面的研究進展進行了綜述。

1醫用鎂合金生物相容性研究

隨著醫用鎂合金的研究進程，針對其生物相容性的評價方式，具體的工作主要有血液相容性研究、細胞毒性研究和組織相容性研究。綜合這些方面的研究評價，可以很好地反映鎂合金用于臨床上的安全性。

1.1血液相容性研究作為生物相容性評價的重要組成部分，血液相容性的研究結果是鎂合金能否作為新型醫用材料推廣使用的關鍵。為了研究經表面處理后純鎂的血液相容性，高家誠等[8]將99.99%純度的純鎂經切割、打磨和清洗后，在500 ℃溫度下保溫10 h再空氣冷卻，然后將試樣在氯仿/硬脂酸混合溶液（0.1 mmol/L）中浸泡約1 h，取出靜置30 min。對純鎂和表面處理后的純鎂進行溶血檢測，結果表明未經處理的純鎂試樣在試驗中溶血較為嚴重，而經熱處理一有機膜改性和熱處理過的試樣的溶血率分別為0%和22%，均在生物材料允許的溶血范圍（<5%）內。因此，經過表面改性的純鎂在溶血方面有了很大的改善，有望作為醫用生物材料使用。

在鎂合金的血液相容性方面，也有很多學者做了相關研究。Gu等[9]利用一定的工藝將9種不同的元素（Al、Ag、Sn、Y、Zn、In、Mn、Zr和Si）分別制成了二元鎂合金，通過溶血試驗發現鎂合金相對純鎂溶血率更低，而且血小板的黏附數量也更少，表現出良好的血液相容性。為考察MgZnCa鎂合金材料的血液相容性，陳克勤[10]曾采用體外非直接接觸的方法進行試驗，發現MgZnCa三元鎂合金的溶血率能滿足生物材料對溶血率的要求（<5%），約為0.79%，這說明未發生溶血，該三元鎂合金材料對血液紅細胞沒有破壞作用，其血液相容性良好。因此，在純鎂材料中適當地添加合金元素能夠有效地改善其在溶血上的性能。

然而，并非所有鎂合金都有較好的血液相容性，在這種情況下對鎂合金進行生物涂層以改善其血液相容性的研究成為人們關注的熱點。郭磊等[11]以鑄態AZ31B鎂合金和經堿熱處理及恒電壓陰極電沉積法制備的CaP/AZ31B鎂合金材料為考察對象，溶血試驗過程如下：分別取體積為1 ml的雙蒸水、生理鹽水和鎂合金浸提液做樣品，隨后向3個樣品中各加入稀釋的兔血懸液（2%）1 ml，水浴（37 ℃）1 h后，離心取上清液1 ml分別加入Na2CO3溶液（0.2%）3 ml，使用722型分光光度計測定各樣本的OD540 nm值，計算溶血率。結果發現，對于未涂層的AZ31B鎂合金，其浸提液中Mg的含量非常高，約為正常值的30倍，而且其溶血率為69%，溶血現象嚴重；而經涂層處理的Ca-P/AZ31B合金的浸提液中Mg含量處于正常范圍內，其溶血率為2.5%，符合國家標準 （<5%）。由此可見，經CA-P涂層后，鎂合金降解產物的釋放速度大大降低，從而使鎂合金在血液相容性方面有了很好改善。生物涂層的方式還有很多，李綺等[12]通過化學轉化的方法成功制備了氟涂層的AZ31B鎂合金，并結合體外試驗發現氟涂層能夠很好地降低AZ31B鎂合金的溶血率，因此氟涂層的添加能夠幫助改善鎂合金的血液相容性。

為了探討鎂合金浸提液與溶血率之間的關系，陳旭瓊等[13]發現當鎂合金浸提液的稀釋度分別為1%、2.5%、5%、10%、25%、50%和100%時，其溶血率分別為-0.3%、03%、6.2%、11.8%、33.8%、66.7%和65.3%，鎂離子濃度與稀釋度呈負相關；此外，對于稀釋度分別為100%、50%、25%、10%、5%和2.5%的鎂合金浸提液，其pH差異不顯著（P>0.05），但均高于稀釋度1%的浸提液（P<0.05）。因此，在鎂合金體外溶血試驗中鎂離子濃度和pH直接影響鎂合金的血液相容性。

另外，關于鎂合金對凝血的影響，也有學者做過相關研究。黃晶晶等[14]以純鎂、316L不銹鋼和AZ31B鎂合金為考察對象，采用體外試驗法測定了3組樣品的血漿復鈣時間、凝血酶原時間以及動態凝血時間，對比測定結果后發現：①以凝血酶原時間為指標時，3種材料的抗凝血性能順序為：Mg

總而言之，在血液相容性方面，鎂合金的溶血率較純鎂要低，應用性更強，但要進一步改善其血液相容性，還需要對其進行表面改性，可以通過各種方式在其表面進行涂層。

1.2細胞毒性研究體外細胞毒性試驗同樣是評價植入材料生物相容性的重要組成部分，其研究結果直接關系到生物植入材料的可行性及前景。陳克勤[15]將L929細胞與不同濃度的Mg-Zn-Ca鎂合金浸提液進行接觸式培養，并以MTT比色法為主要測定方法，評價該鎂合金材料的細胞毒性。結果發現，對2、4和7 d的鎂合金浸提液試驗組，其細胞相對增值率（RGR）與生理鹽水陰性對照組均無顯著差異。由此可見，該鎂合金材料的細胞相容性良好，不存在影響細胞正常生長代謝的毒性作用。Wang等[16]發現鈣鎂鋅合金材料浸提液對培養的L929細胞沒有細胞毒性作用，表明該合金材料的細胞相容性良好。Huan等[17]利用體外細胞毒性試驗研究鎂鋅鋯合金ZK30時發現其對骨髓基質干細胞的生長沒有明顯的細胞毒性作用。

為了提高鎂合金的生物相容性，也有不少學者對表面改性后的合金進行細胞毒性研究。Xu等[18]以磷酸鈣涂層的鎂合金材料為研究對象，在體外細胞（L929細胞）增殖試驗中，通過評價細胞的生長率、增殖特征以及黏附特性發現磷酸鈣涂層的鎂合金的細胞相容性大為提高。耿芳等[19]采用低溫化學沉積的方法成功制備了具有生物活性的Ca3（PO4）2涂層的鎂合金材料支架，并利用單細胞凝流式細胞術（ECM）、膠電泳技術（SCGE）和MTT比色法進行試驗研究。結果發現，鎂合金支架經表面處理后未呈現出細胞毒性的作用，并證實支架（β-TCP處理）的浸提液沒有損傷細胞中的DNA，也沒有影響細胞的周期。郭磊等[20]以MTT比色法為手段，并結合體外直接接觸式的細胞毒性試驗，評價成骨細胞合成堿性磷酸酶（ALP）的活性，結果發現 AZ31B合金材料有氧化膜和無氧化膜與正常情況相比無顯著差異，從而證實AZ31B材料和氧化膜對成骨活性和成骨細胞的增殖沒有毒性作用。這表明鎂合金陽極氧化膜具有良好的生物相容性，可用于鎂合金表面改性研究。

對醫用鎂合金及其涂層的細胞毒性研究，還有很多學者做了大量工作，但研究普遍證實醫用鎂合金對細胞的增殖基本無毒害作用，另外，經表面改性處理還可以改善鎂合金的生物相容性，對細胞增殖有一定的促進作用。

1.3組織相容性研究組織相容性研究主要體現在動物試驗方面，通過體內植入、觀察炎性反應和病理切片等手段來考察鎂合金及其涂層的組織相容性，是目前較為普遍的研究方式。

黃晶晶等[14]在大鼠背部脊柱兩側部位植入處理過的鎂材料，結果發現在1周和3周樣品植入部位的周圍均檢測到Ca和P元素，認為有微量類骨質在植入鎂材料的周圍形成，說明鎂材料可以在一定程度上增強骨的誘導能力。陳克勤[21]曾對鎂鋅鈣合金生物材料在動物體內進行過肌肉埋植試驗，埋植時間分別為7、14、30、45和60 d，通過觀察組織病理切片發現所有實驗動物的腎臟、肝臟和心臟都未出現明顯異常。

經生物涂層后的鎂合金在動物體內植入研究中也表現出較大的優越性。郭磊等[11]將AZ31B合金和涂層處理了的CaP/AZ31B合金材料分別植入家兔1、4、8周后，通過SEM觀察發現在體內植入4周后，未涂層的AZ31B合金的表面出現了些許裂隙和片狀疏松氧化層，所以單純的AZ31B合金作為植入材料的耐腐蝕性能不夠理想，而在涂層處理過的CaP/AZ31B合金的表面上，分布著一層類似物理屏障的均勻CaP顆粒，它既能減慢降解介質進入材料，又能減緩植入材料降解產物的釋放；另外，通過HE染色觀察植入材料周圍的骨癡組織和肌肉的生理狀態發現，在2只家兔的體內植入部位觀測到明顯的水腫現象，炎性反應為Ⅳ級，且這2只家兔均屬于未經涂層處理的AZ31B合金組；而經涂層處理的Ca-P/AZ31B合金組雖然也伴隨有一定的炎性反應發生，但其等級并未超過Ⅲ級，符合Ⅲ級以內的國家標準。此外，苗波等[22]采用微弧氧化法成功制備了鈣磷涂層鎂合金和鈣磷銀涂層鎂合金植入體，并且與未經處理的鎂合金植入材料一起植入了哈爾濱大白兔的下領骨部位，創造相同的條件飼養術后的動物，在創口一期愈合過程中均未出現明顯的感染和炎性反應，通過對第4、8、12周試驗兔進行肝腎病理切片，結果發現2種涂層鎂合金植入材料對肝和腎的生理狀態均未造成不利影響，說明其組織相容性良好，向鎂合金植入材料中添加一定劑量的銀離子是安全的，而且經表面涂層改良后的鎂合金植入體還能夠在一定程度上促進新生骨組織的形成。

另外，還有一些學者從致敏反應的角度來研究鎂合金的組織相容性。吳婕等[23]和陳旭瓊等[24]分別考察覆膜AZ91D鎂合金材料和AZ31B鎂合金材料的生物相容性，結果發現2種鎂合金植入材料均未出現明顯的致敏作用，生物相容性良好。Witte[25]等以4種鎂合金植入材料（LAE442、AZ91、WE43和AZ31）為考察對象，通過豚鼠皮膚致敏反應和病理活性檢測發現4種不同的鎂合金植入材料均未引發皮膚過敏反應，在材料植入安全上是可靠的。

從關于鎂合金及其涂層組織相容性的研究中發現，不論是在炎性反應和病理切片觀察上還是從致敏反應的角度出發，鎂合金及其涂層均表現出良好的組織相容性，為其應用于醫學領域提供了可能。

2小結

鎂基合金作為目前新型醫用植入材料的發展對象，具有較多的優點，因此對其生物相容性的研究變得越來越重要。通過對近年來有關鎂合金及其涂層生物相容性研究的回顧，可以發現：①與純鎂相比，鎂合金作為醫用植入材料在生物相容性方面擁有更大的優越性，并且具有一定的誘導成骨能力；②盡管有研究表明鎂合金在血液相容性及細胞毒性方面還有一些不理想的地方，但對其進行表面改性的研究已取得長足進展，改性后的鎂合金各方面檢測結果均符合醫用植入材料的要求；③目前，對鎂基合金材料在生物相容性方面的影響因素及作用機理研究相對較少，這有可能成為今后的研究重點；④在新型醫用植入材料的開發方面，研究鎂合金及其涂層生物相容性問題并將其在臨床上應用，具有相當大的研究價值。

參考文獻

[1] 張佳，宗陽，付彭懷，等.鎂合金在生物醫用材料領域的應用及發展前景[J].中國組織工程研究與臨床康復，2009，13（29）：5747-5750.

[2] 張濤，尹慶水.鎂合金及其涂層的生物學性能研究進展[J].中國骨科臨床與基礎研究雜志，2011，3（3）：224-227.

[3] 劉振東，范清宇.應力遮擋效應-尋找丟失的鑰匙[J].中華創傷骨科雜志，2002，4（1）：62-64.

[4] 喬麗英，高家誠，王勇.鎂基生物材料表面改性及其生物相容性的研究與發展現狀[J].中國材料進展，2011，30（4）：23-29.

[5] 曾榮昌，孔令鴻，陳君，等. 醫用鎂合金表面改性研究進展[J].中國有色金屬學報，2011，21（1）：35-42.

[6] 陳克勤.鎂合金生物材料的生物相容性研究[D].長沙：中南大學，2010：7.

[7] 李瑞，王青山.生物材料生物相容性的評價方法和發展趨勢[J].中國組織工程研究與臨床康復，2011，15（29）：5471-5474.

[8] 高家誠，李龍川，王勇，等.表面改性純鎂的細胞毒性和溶血率[J].稀有金屬材料與工程，2005，34（6）：903-906.

[9] GU X N，ZHENG Y F，CHENG Y，et al. In vitro corrosion and biocompatibility of binary magnesium alloys [J]. Biomaterials，2009，30：484.

[10] 陳克勤.鎂合金生物材料的生物相容性研究[D].長沙：中南大學，2010：20-22

[11] 郭磊，劉魁，張世亮，等. CA-P/AZ31B鎂合金的生物相溶性研究[J].稀有金屬材料與工程，2009，38（1）：99-103.

[12] 李綺，劉新杰，王澤慶，等.AZ31B鎂合金表面氟涂層的生物相容性和抗菌性能[J].材料研究學報，2011，25（2）：193-198.

[13] 陳旭瓊，尹慶水，張余，等.鎂合金材料的溶血率及影響因素[J].中國組織上程研究，2012，16（25）：4632-4636.

[14] 黃晶晶，任伊賓，張炳春，等.鎂及鎂合金的生物相容性研究[J].稀有金屬材料與工程，2007，36（6）：1102-1105.

[15] 陳克勤.鎂合金生物材料的生物相容性研究[D].長沙：中南大學，2010：10-18

[16] WANG Y B，XIE X H，LI H F，et al. Biodegradable Ca Mg Zn bulk metallic glass for potential skeletal application [J]. Acta Biomater，2011，7（8）：3196-3208.

[17] HUAN Z G，LEEFLANG M A，ZHOU J，et al. In vitro degradation behavior and cytocompatibility of Mg-Zn-Zr alloys [J]. J Mater Sci Mater Med，2010，21（9）：2623-2635.

[18] XU L P，PAN F，YU G N，et al. In vitro and in vivo evaluation of the surface bioactivity of a caleium phosphate coated magnesium alloy[J].Biomaterials，2009，30：1512-1523.

[19] 耿芳，譚麗麗，賀永蓮，等.多孔鎂表面生物話性β-TCP涂層的制備及其細胞相容性研究[J].稀有金屬材料與工程，2009，38（2）：318-322.

[20] 郭磊，劉魁，張世亮，等.氧化鎂膜AZ31B鎂合金材料的細胞毒性研究[J].稀有金屬材料與工程，2008，37（6）：1027-1031.

[21] 陳克勤.鎂合金生物材料的生物相容性研究[D].長沙：中南大學，2010：24-31.

[22] 苗波，姜德志.不同涂層鎂合金兔下頜骨植入的生物相容性研究[J].牡丹江醫學院學報，2009，30（2）：28-30.

[23] 吳婕.AZ91D鎂合金微弧氧化表面改性及生物相容性研究[D].南京：南京醫科大學，2008.

[24] 陳旭瓊，尹慶水，張余，等.鎂鋁合金最大劑量的致敏試驗[J].中國組織工程研究與臨床康復，2010，14（16）：2899-2902.

[25] WITTE E，ABELN I，SWITZER E，et al. Evaluation of the skin sensitizing potential of biodegradable magnesium alloys [J]. Biomed Mater Res A，2008，86（4）：1041-1047.