科普 生物可降解镁合金

  近年来，可生物降解镁合金因其优异的力学性能、良好的生物相容性和可生物降解的吸收特性，成为医疗植入材料领域的热点。在生物植入材料中, 陶瓷材料因脆性太强在体内冲击载荷情况下存在潜在风险;高分子材料又往往表现为强度、刚性、稳定性较低;金属材料由于拥有非常良好的综合力学性能, 在骨科、口腔修复和心血管治疗等领域一直存在广泛的应用。利用镁合金材料在人体环境中易发生腐蚀（降解）的特性，实现了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。镁合金材料在生物医用领域的应用包括心血管支架、骨固定材料、多孔骨修复材料、伤口缝合材料等。

  镁合金之所以成为生物医用可降解金属植入材料领域的研究热点, 其原因有: (1) 镁合金拥有非常良好的生物相容性。镁是人体内仅次于钙、钠和钾的常量元素之一, 能够激活多种酶, 参与体内一系列代谢过程, 促进钙的沉积, 是骨生长的必需元素。此外, 体内过量的镁可通过尿液排出体外, 不会导致血清镁含量的明显升高或沉积于体内而引起中毒反应;(2) 镁合金拥有非常良好的力学相容性。镁及其合金有高的比强度和比刚度, 且密度接近自然骨, 如表1所示, 其弹性模量约为41~45GPa, 更接近于人骨的弹性模量, 可有效缓解应力遮挡效应, 促进骨的生长和愈合并防止发生二次骨折;(3) 镁合金具有完全可降解性。镁具有很低的标准电极电位 (-2.37V) , 易发生腐蚀反应, 在含有Cl的人体体液环境中易生成镁离子被周围机体组织吸收或通过体液排出体外;(4) 镁合金成本低。镁的资源丰富, 价格相对低廉。

  镁的标准电极电位很低， 易腐蚀， 且PBR为0.8， 无法生成有效的保护性氧化膜， 特别是体液中的Cl会加速镁合金的腐蚀。较快的降解速率导致植入材料在机体未痊愈之前已发生严重的腐蚀, 降低了材料的力学性能和稳定能力, 使材料失效, 甚至有一定的概率会完全降解。针对于此， 有些研究员提出镁合金作为可降解植入材料应满足在37°C模拟体液中的腐蚀速率0.5mm/a， 保证有效服役期在90~180d， 而目前多数材料难以达到此要求。

  镁合金的快速腐蚀会伴随氢气的大量释放, 使其来不及扩散与吸收而在植入体周围形成气泡。气泡虽然可通过皮下穿刺去除, 但气泡的形成将会某些特定的程度上影响植入体周围组织的生理机能和植入部位的恢复治疗。此外, 过快的降解速率将使植入体附近体液局部pH值升高, 对人体骨骼及组织生长产生潜在危害, 例如, 导致人体组织中蛋白质发生沉积和炎症, 或出现溶血和局部溶骨现象。

  正是由于镁合金较快的降解速率, 以及由此产生的材料失效、氢气大量集中释放和pH值升高等问题, 严重制约了镁合金在临床上的应用。

  首先将手套箱、电子天平、球磨罐及不锈钢磨球清理洗涤干净，球磨罐及不锈钢磨球用液体石蜡反复清洗直至恢复金属颜色。在手套箱中根据上表的合金配比称量粉体后倒入球磨罐中，密封后拿出手套箱，固定于行星式球仪上，打开球磨机电源，设置好实验参数，启动球磨机使其运转。球磨结束后，拆下球磨罐，在手套箱中打开球磨罐取出混合粉体，密封保存。

  将混合粉末放入压制磨具的模腔中，利用的液压机压制合金粉末，模腔直径为52mm，压力400MPa，冷坯完成制作。对冷坯进行冷等静压处理。根据冷坯的尺寸焊制铝套，将冷坯放于密封铝套内分别进行热处理，将冷坯分别加热至250℃、300℃、350℃，然后对其进行热挤压处理，挤压压头下降速度为2mm/s。

  应用线切割将镁合金分别切割成直径13mm，厚度2mm和1mm的圆形样本。所有的合金样本都经砂纸由目到目逐级打磨抛光，然后经SiC砂纸由800目到2000目逐级打磨抛光,然后经丙酮和无水乙醇分别浸泡消毒10min，应用于细胞实验的样品在实验前经紫外线照

  上表总结了不同镁合金在体外和体内的腐蚀降解速度。由表中的腐蚀数据可见,目前在研的Mg合金中均存在腐蚀速度过快的问题,其降解速度大于骨组织的修复速度。若想将镁合金作为承重部位骨科植入材料,则要进一步的提高其耐腐蚀和抗老化性能,因此生物材料研究者选择用表面改性的方法降低镁合金的腐蚀速度。

  阿卜杜拉特利用NaHCO3浸泡的方法表面改性纯Mg，在纯Mg表面生成MgCO3，在HBSS溶液中25 °C浸泡75 d，无质量损失。颜廷亭研究了以CeCl3为主盐的Mg合金稀土转化膜处理工艺，在AZ31B表面制备出较为致密的稀土转化膜，拥有非常良好的耐腐的能力和抗凝血性。

  目前, 大范围的应用的不锈钢和钛合金的弹性模量都远高于人骨的弹性模量, 由此产生的应力遮挡效应不利于骨的生长和愈合。镁合金与人骨的弹性模量接近, 可有效缓解应力遮挡效应。镁合金在骨折愈合初期可提供稳定的力学性能, 逐渐降低其应力遮挡作用, 使骨折部位承受逐步增大至生理水平的应力刺激, 从而加速骨折愈合, 防止局部骨质疏松和再骨折的发生。实验涉及的骨固定材料主要有棒、板条和螺钉, 对此已有大量研究报道。

  迄今为止, 临床上多采用由不锈钢与高分子制成的血管支架来治疗血管狭窄等问题。但不锈钢支架永久存在血管内, 可引发局部炎症, 有血管再狭窄的可能性;高分子支架力学性能差, 在降解期间, 容易在植入处诱发酸性环境, 延缓病愈。镁合金因易降解性及合适的力学性能, 可被制成可降解血管支架。

  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, 其力学性能符合标准要求, 且其本身就具有生物活性, 可诱导细胞分化生长和血管长入。维特文和Tan等分别通过铸造法、粉末冶金法和激光加工技术制备了多孔镁骨组织工程材料, 认为镁合金在多孔骨组织工程材料方面拥有非常良好的发展前景。

  [2]雷宇.可降解生物医用镁合金材料的研究进展[J].有色冶金设计与研究,2019,40(04):5-8.

  [5]尹林,黄华,袁广银,丁文江.可降解镁合金临床应用的最新研究进展[J].中国材料进展,2019,38(02):126-137.

  [6]刘茗贺.可降解生物医用镁合金材料的研究进展[J].当代化工研究,2018(08):95-96.

  会议通知会议通知 第十届国际铅锌会议（Pb-Zn2023） 会议通知 2023（第三届）国际有色金属新材料大会（ICNFM）的通知 关于开展2023年度中国有色金属工业科学技术奖励推荐工作的通知 关于召开第十六届中俄双边新材料新工艺研讨会的通知（第一轮） 征文通知 2023（第二届）中国铜产业科技创新大会

  中国有色金属学会关于组织推选2023年中国科学院和中国工程院院士候选人的通知 中国有色金属学会关于举办2023年“科学也偶像”短视频征集活动的通知 关于推荐第五届杰出工程师计划候选人的通知

  关于开展2023年度NFSOC优秀硕士/博士学位论文推荐工作的通知 关于第三届NFSOC高等教育教学成果计划推荐工作的通知 关于开展中国科协“青年人才托举工程（2023-2025年）”项目申报工作的通知 中国有色金属学会关于征集会员单位和个人会员宣传资料的通知 中国有色金属学会关于征集智库成果的通知