含Sr生物鎂合金在模擬體液中的創新實驗探索

李夢君 宋述鵬 萬天

摘 要：對生物鎂合金的部分研究現狀及進展進行闡述，介紹了模擬體液中含Sr生物鎂合金材料腐蝕的大學生創新實驗過程及結果。

關鍵詞：生物鎂合金；模擬體液；創新實驗

中圖分類號：O614.22 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0037-02

Abstract： In this paper， the current situation and progress of some research on biological magnesium alloys are described， and the innovative experimental process and results of university students' corrosion simulation of Sr-containing biological magnesium alloy materials in body fluid are introduced.

Keywords： biological magnesium alloy； simulated body fluid； innovative experiment

1 國內外生物鎂合金的研究現狀

生物鎂合金作為可降解醫用材料被譽為新一代生物醫用材料。鎂是一種對人體溫和的元素，具有很好的可吸收性、生物相容性和機械性能，較陶瓷和高分子材料又有很好的力學性能，在骨科植入中，具有與骨接近的密度和彈性模量，以致不引起應力遮擋，生物鎂合金還具有可控的腐蝕速率，在心血管植入和骨修復上有很好的應用前景。目前研究的鎂合金主要包括WE43、AZ31、Mg-Ca、Mg-Zn-Ca等。與此同時生物鎂合金有存在以腐蝕速率過快，機械強度不夠為主的問題[1]。最先廣泛用于臨床治療的金、銀、鉑等貴金屬，具有良好的穩定性和加工性能，但因其價格較貴，廣泛應用受到限制。鉭、鈮、鋯，具有很好的化學穩定性和抗生理腐蝕性，氧化物基本上不被吸收和不呈現毒性反應，可以與其他金屬結合使用而不破壞其表面的氧化膜。并且表現出良好的生物相容性，但也因其價格較貴，應用受限。而Sr可以起到細化晶粒的作用，從而提高材料的力學性能和耐腐蝕性能，因而受到廣泛關注。

2 高強度生物支架的研究新進展

由于表面涂層技術的發展，目前介入用血管支架各類藥物涂層技術較從前已經獲得長足的進步，涂層支架的臨床使用數量也遠遠超過了裸支架，但遠期療效仍有待繼續驗證。無論何種藥物涂層支架，當其被植入生物體內一段時間后，表面攜帶的功能藥物涂層都會被生物體逐漸吸收而最終露出裸支架，因此并不能徹底改善現有支架所存在的諸多問題。因此，生物可降解支架應運而生，由于其具有獨特的可降解性，隨著植入時間的延長而逐漸在生物體內被完全降解，最終代謝出體外，同時，血管自有的部分原始功能也得到一定恢復，如同從未被植入過支架一般，因此生物可降解鎂合金的性能優勢尤為突出。

新一代生物可降解鎂合金支架是有93%的鎂和7%的稀有金屬元素組成的合金制成。鎂合金可降解支架的機械特性類似于不銹鋼金屬支架，具有低彈性回縮、高爆破壓，和支架膨脹后最小程度回縮的性能。例如，德國Biotronik公司在WE43鎂合金的基礎上開發了一系列的血管支架。首先將AMS-1鎂合金裸支架植入豬的冠狀動脈中，研究支架在動物體內的安全性和有效性，然后植入人下肢動脈閉塞患者膝下動脈，最后用于冠心病患者臨床實驗。Biotronik公司開展了不少于3種鎂合金全降解支架的動物及臨床實驗[2]。

最近，高強度生物可吸收的聚合物基復合生物支架取得新進展。美國某生物醫藥公司的科研團隊與哈佛大學及麻省理工學院的研究人員合作[3]。研究發現，從聚乙醇酸衍生物出發，經編織后用乙交酯-己內酯共聚物覆蓋其表面，再通過交聯形成復合生物支架。體系具有優異的機械強度是因為覆蓋在高強度衍生物表面的高彈性橡膠的存在，而且經橡膠包覆后的復合生物支架在力學測試中表現出更優異的性能，尤其在拉伸性能方面能與金屬復合生物支架相當。

3 生物鎂合金的應用優勢

首先，生物鎂合金可以作為骨內植入材料，由于生物相容性較高，可以加快骨組織的愈合能力。并且生物鎂合金有與人體骨骼相適應的力學性能，不會引起應力遮擋，從而導致新生骨再次骨折等二次傷害。

其次，生物可降解鎂合金也可以作為心血管支架材料，只是一種暫時性的支架，當患者血管自身舒縮性能得以恢復之后，便可自然由身體吸收，可以避免尚存的由于金屬材料殘留所造成的麻煩和二次手術取出的傷害，可以減少血管內增生、晚期血栓等問題。

再次，跟傳統鋼架及其他類型醫用植入材料相比，新型的植入材料鎂合金具有以下突出的優點：生物相容性好，是神經系統所必不可缺的元素，許多的病例狀況都與它的缺乏有關系，鎂元素也是新陳代謝的人體必要元素。鎂還是人體骨骼生長的必要元素，它能促進新骨的增長。可降解性，鎂合金在人體內的腐蝕產物人體可以通過自身生成代謝排除體外，從而不對人體產生有害影響。

4 含Sr生物鎂合金的創新實驗探索

我國人口結構逐漸老齡化，同時隨著生活水平的提高，冠心病和車禍骨折老年患者也越來越多，從而對血管支架及骨骼固定材料的需求也越來越多。但是，現有的醫用材料性能不太完善，但是，研究人員發現含Sr生物鎂合金通過改變成分配比來提高合金的比剛度、比強度和耐蝕性，可以提高生物鎂合金材料的綜合力學性能并同時具有好的耐蝕性性能。

鎂合金在含Cl離子環境中腐蝕速度很快。純鎂在人體內的腐蝕速度很快，所以想要控制鎂在人體內的腐蝕速度，就必須對鎂進行處理，其中主要辦法有：添加合金元素、改善加工工藝、表面處理及改性。元素合金化是目前常用的鎂合金強化方法，現如今的商業用鎂合金的耐蝕性及力學性能還達不到作為合格的醫用植入材料的程度，例如，心血管支架必須增強延展性和耐蝕性。無論如何，當添加了其他元素之后，當植入材料在人體內進行工作時，合金元素固然會隨之進入人體內，所以得添加一些對人體無害的元素。因此，研究添加合適元素也具有重大意義。對于在生物鎂合金中添加Sr元素：Sr能夠維護骨骼健康，增強骨強度和骨密度。Sr可以在一定程度上防備患上高血壓和心血管病癥，并能激發肌肉神經的對外界事物的興奮度。缺鍶會導致齲齒以及骨質疏松，影響身體健康。本文重點介紹了Sr加入到Mg-Zn系生物可降解鎂合金的性能特點以及其中突出的問題。

本創新實驗選取了Sr元素作為鎂的合金化元素。Sr是生物營養元素和骨組織的組成元素，具有良好的生物相容性。添加少量的合金元素能極大的改善鎂合金的性能，實驗材料選取了在鎂合金里，Sr的含量范圍為0～1.1Wt%，作為成分的變量，來研究Sr成分的改變對鎂合金性能的影響，余量為Mg。其中，選取Sr的含量為0、0.1、0.3、0.5、0.8、1.1Wt%，從而研究合金性能隨添加合金含量的變化規律，選出一個最佳的鎂合金成分。熔煉合金所使用的原材料為純Mg、Mg-25%Nd中間合金、Mg-20%Sr中間合金、Mg-20%Ca中間合金和Mg-30%Zr中間合金。此外，熔煉過程中所選擇鎂覆蓋劑為常用的RJ-II型鎂覆蓋劑，用來隔絕空氣，防止鎂液面的煙花燃燒。熔劑主要由MgCl2、NaCl和KCl組成。MgCl2能在高溫下與空氣中的氧氣和水反應，生成保護氣氛，防止鎂液的氧化，且MgCl2能與MgO形成MgCl2-MgO，有較強的去氧化物夾雜的作用；KCl有降低熔劑表面黏度和張力的作用；而NaCl可以調節熔劑的密度和熔點。在RJ-II型熔劑里，除了主要的氯化物組成，還輔助添加了BaCl2、CaF2、CaCl2和MgO等。

本創新實驗采用高頻感應加熱法熔煉鎂合金。高頻感應加熱的原理是通過在線圈中輸入高頻交流電（10kHZ以上），產生交變磁場，而在金屬表面產生同頻率的感應電流，可以使表面的溫度急劇增加，產生“集膚效應”，使熔煉合金原材料迅速的融化，實現快速熔煉，減少耗損，且在高溫下磁場對金屬液會有渦流攪拌作用，使合金的成分更加均勻，晶粒細小，并減少合金熔煉過程中的雜質。熔煉設備為長江精工出廠的型號為GP-28E的高頻感應爐，其它需用到精度為0.01g的電子天平，口徑25mm、長150mm的石英管，試管夾，藥匙，稱量紙等實驗用品。實驗結果顯示：隨著Sr含量的增加，Mg-2.4Nd-0.3Zr的顯微結構都是先變小后變大，在Sr含量為0.5Wt%時，合金的晶粒尺寸最小且均勻。

參考文獻：

[1]Zhao C， Pan F， Zhang L， et al. Microstructure， mechanical properties， bio-corrosion properties and cytotoxicity of as-extruded Mg-Sr alloys[J]. Materials Science and Engineering： C， 2017，70：1081-1088.

[2]Campos C M， Muramatsu T， Iqbal J， et al. Bioresorbable drug-eluting magnesium-alloy scaffold for treatment of coronary artery disease[J]. Int. J. Mol. Sci.， 2013，14：24492.

[3]U Sharma，D Concagh，L Core，Y Kuang， et al. The development of bio-resorbable composite polymeric implants with high mechanical strength[J]. Nature Materials， 2018，17（1）：96-103.