20 世紀(jì)，已有許多種金屬基硬組織植入材料被成功地開發(fā)。但是，這些已開發(fā)的金屬基硬組織植入材料仍存在著許多問題，如鎳鈦合金植入體內(nèi)因釋放鎳可能對(duì)人體造成潛在的危害;而現(xiàn)廣泛應(yīng)用的鈦合金，也發(fā)現(xiàn)在植入人體后，會(huì)引起過敏和應(yīng)力遮擋效應(yīng)。同時(shí)，這類植入材料屬惰性材料，與人體組織缺乏親合力，也不可降解，只能長(zhǎng)期作為異物存在于人體內(nèi)，有發(fā)生松動(dòng)乃至位移的可能，必須二次手術(shù)來更換或調(diào)整;作為固定物的暫時(shí)性植入材料在受傷組織痊愈以后，也必須通過二次手術(shù)將其取出，這就給患者在精神和物質(zhì)上帶來了很大的負(fù)擔(dān)。
鎂及其合金具有與人體骨相近的密度、彈性模量、無毒、生物相容等諸多優(yōu)良的性能，有望成為新一代的金屬硬組織植入材料。目前在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有人開展了將鎂及鎂合金用作硬組織植入材料的研究。然而，由于鎂的化學(xué)性質(zhì)極為活潑，在含有Cl-離子的人體體液環(huán)境中，其表面的MgO保護(hù)膜會(huì)遭到破壞，腐蝕速度很快;同時(shí)，鎂自身不具備骨誘導(dǎo)性能，若直接植入人體，新骨難以在其表面生長(zhǎng)，其短時(shí)間內(nèi)腐蝕降解后，新骨尚未生長(zhǎng)，仍然會(huì)導(dǎo)致植入失敗。為此，開發(fā)了一些表面改性技術(shù)，如熱處理、表面無機(jī)或有機(jī)涂層等。但是，作為生物降解材料，其表面也是會(huì)降解消失的，材料必將直接與生理環(huán)境相接觸。因此，研制具有骨誘導(dǎo)性能的鎂合金成為最佳選擇。
Ca的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-2.76V，Mg 的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-2.375V，可見Ca的電位比Mg的更低，因此，在鎂中加入Ca制成合金，由此產(chǎn)生的富Ca相可以成為陽極，使鎂合金基體受到陰極保護(hù)，耐蝕性得到提高。同時(shí)，Ca是人體中最重要的陽離子，是人體硬組織中的主要陶瓷相羥基磷灰石的關(guān)鍵組成，鎂鈣合金中富鈣相的腐蝕溶解將引起局部鈣濃度升高，從而促進(jìn)羥基磷灰石或可作其前驅(qū)物的其它磷酸鈣生物陶瓷的形成，有利于新生硬組織在合金表面沉積。因此，這種材料若用作體內(nèi)硬組織植入體，可望在腐蝕降解的同時(shí)誘導(dǎo)新骨生長(zhǎng)，最終被新骨完全取代，達(dá)到徹底治愈硬組織損傷的目的。
長(zhǎng)久以來醫(yī)學(xué)和生物材料工程領(lǐng)域的研究人員一直致力于研究更好的硬組織植入材料。在臨床應(yīng)用中，自體骨移植不會(huì)引起排異反應(yīng)，修復(fù)效果好，但骨源有限，尤其對(duì)大塊骨缺損通常難以滿足供應(yīng)，且病人還要蒙受取骨的痛苦;異體骨來源較廣，但很多異體骨材料易引起排異反應(yīng)、成骨效果差，所以研究一種成骨效果及生物相容性均好，且來源廣泛的骨移植材料，便成為生物材料科學(xué)家和醫(yī)學(xué)家急需面臨的課題。鎂合金是一種潛在人體植入材料。鎂的密度、彈性模量等綜合力學(xué)性能與人體骨骼相近(比聚合物有更高的強(qiáng)度)。更重要的是，鎂與人體的相容性極好，溶解的鎂離子正是人體必需的元素，是神經(jīng)系統(tǒng)不可缺少的元素。因此鎂在上世紀(jì)上半葉曾被用于整形與外傷的手術(shù)。
鎂合金是結(jié)構(gòu)材料中最輕的金屬，密度約為鋁合金的2/3，鋼鐵的1/4，用它來制造、代替現(xiàn)役的一些構(gòu)件或零件，可使整個(gè)結(jié)構(gòu)的重量大大減輕。由于我國(guó)能源緊張和環(huán)境要求，汽車輕型化，用鎂合金代替其中的鋁合金甚至鋼鐵件，將成為鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要拉動(dòng)力。此外，鎂合金還具備很多其他優(yōu)點(diǎn)：電磁屏蔽性能較好；吸震性能好，有利于減震和降噪;回收性好，符合環(huán)保要求；極好的切削加工性能; 尺寸穩(wěn)定性高；鑄造性能好；良好的低溫性能，用于制作低溫下工作的零件；具有超導(dǎo)性能和儲(chǔ)氫性能等，因而其應(yīng)用范圍可進(jìn)一步擴(kuò)大到電子、通訊及醫(yī)療等領(lǐng)域。因此，鎂合金引起了材料界的極大關(guān)注，世界范圍內(nèi)正掀起研究鎂合金的高潮。
由參考文獻(xiàn)編制的各種植入材料與人骨的物理及加工性能對(duì)比如表 2.2 所示。
現(xiàn)已經(jīng)投入使用的許多植入金屬基材料均存在著各種各樣的問題。比如，鎳鈦合金在植入人體后會(huì)因釋放 Ni+離子而可能對(duì)人體造成潛在的危害；即使是現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于臨床的鈦合金，也被發(fā)現(xiàn)在植入人體后，會(huì)引起金屬過敏和應(yīng)力遮擋效應(yīng)。鎂及其合金具有低的密度、高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的加工性能、無毒以及與人體骨相近的彈性模量等諸多優(yōu)良的性能，不僅在航空航天、電子通訊中得到了廣泛的應(yīng)用，還有可能因?yàn)槠鋬?yōu)良的綜合力學(xué)性能和與人體良好的生物相容性能等特點(diǎn)，成為新一代的金屬硬組織植入材料。
鎂作為人體必需的營(yíng)養(yǎng)素在1926年即已被證實(shí)。鎂作為激活劑可參與體內(nèi)325種酶系統(tǒng)的生化過程；并在維持鉀離子平衡方面起著重要作用。鎂的運(yùn)輸依賴鈣泵，而鈣的代謝依賴鎂的調(diào)節(jié)。兩種離子在體內(nèi)既相互依賴又相互制約，在維持人體功能的完整性等方面發(fā)揮著重要作用。正常成人體內(nèi)總鎂含量(m)約21～28g，平均每公斤體重0.13～0.14g，沉積于骨骼的鎂超過總量之半，其余的鎂分布于軟組織，僅1%～2%存在于細(xì)胞外。血中50%～60%的鎂以離子形式游離存在，20%～30%與蛋白質(zhì)結(jié)合(約3/4為白蛋白，1/4為球蛋白)，10%～20%與磷酸、檸檬酸、草酸等陰離子結(jié)合。血清中鎂僅為全身含量的0.13%，正常血清鎂濃度(c)為0.180～1.120mol/L。細(xì)胞內(nèi)鎂的80%～90%為結(jié)合形式，由游離鎂和結(jié)合鎂組成細(xì)胞內(nèi)鎂離子緩沖系統(tǒng)，而細(xì)胞內(nèi)外鎂離子也可通過轉(zhuǎn)運(yùn)維持平衡。所以，體內(nèi)可交換鎂由細(xì)胞外液、骨骼的表面和軟組織中的鎂組成，占總鎂的10%左右，其中前兩者可迅速交換以維持血鎂平衡。
鎂的代謝直接影響其他營(yíng)養(yǎng)成分，尤其是鈣。線粒體的鈣泵決定了線粒體鎂的流出量。線粒體與合成的磷脂泡都含有鈣-ATP酶，2個(gè)鈣原子可交換1個(gè)鎂原子和2個(gè)鉀原子，動(dòng)物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腸道鈣或鈣競(jìng)爭(zhēng)物及載體鎂通過減少膜的滲透性，從而抑制腸道中鎂的攝入。而人體體內(nèi)鈣不影響活體空腸灌注中鎂的重吸收。只有在體內(nèi)維持高水平鈣的條件下才能顯示缺鎂的體征。
從這幾年來國(guó)內(nèi)國(guó)外對(duì)鎂及鎂合金各方面的報(bào)道不難發(fā)現(xiàn)，鎂如作為硬組織植入材料，與現(xiàn)在已臨床使用的各種金屬植入材料相比，具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：
①安全性：鎂是人體內(nèi)僅次于鈣、鈉和鉀的常量元素，參與體內(nèi)一系列新陳代謝過程，可以促進(jìn)新骨組織的生長(zhǎng)，成人體內(nèi)約含1mol的鎂，其中近1/2儲(chǔ)存在骨骼組織中。過量的鎂可以通過尿液排出體外，因此鎂以一定速率降解時(shí)不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不良影響。
?、谏飳W(xué)特性：鎂是一種能激活多種酶的重要元素，鎂離子可催化或激活體內(nèi)300多種酶，完成體內(nèi)多種代謝過程，并在維持鉀離子平衡方面起著重要作用。鎂又是能量轉(zhuǎn)運(yùn)、貯存和利用的關(guān)鍵元素，能調(diào)節(jié)RNA和DNA結(jié)構(gòu)。因此鎂對(duì)于調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)和維持膜結(jié)構(gòu)有重要作用。同時(shí)資料顯示鎂離子可以促進(jìn)鈣的沉積，是骨生長(zhǎng)的必需元素，鎂缺乏會(huì)停止骨組織生長(zhǎng)、降低造骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的活性，并導(dǎo)致骨質(zhì)脆弱。
?、劭山到庑裕?a href=http://www.nicastaneda.com target=_blank class=infotextkey>鎂具有很低的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，在含氯離子的溶液(如人體體液)中易生成鎂離子被周圍機(jī)體組織吸收或通過體液排出體外，因此鎂可以被人體體液完全降解。
?、芰W(xué)相容性：鎂合金是最輕的結(jié)構(gòu)材料之一，其密度在1.74g/cm3左右，與人骨密質(zhì)骨密度(1.75g/cm3)相當(dāng)，且具有高的比強(qiáng)度和比剛度，鎂合金的彈性模量為40～45GPa，如表2.2 所示。然而，由于鎂及鎂合金的耐腐蝕性能普遍較差，在人體體液這樣的惡劣環(huán)境中尤甚 。這在很大程度上限制了鎂及其合金在生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用。
少量的鈣能夠改善鎂合金的冶金質(zhì)量。在冶金過程中，在鑄造合金澆注前加入鈣來減輕金屬熔體和鑄件熱處理過程中的氧化，并且能細(xì)化晶粒，提高合金蠕變性能，提高薄板的可軋制性。鈣能降低鎂合金的微電池效應(yīng)。據(jù)報(bào)道Mg-Cu-Ca合金中由于Mg2Ca的析出中和了Mg2Cu相的電池效應(yīng)，從而導(dǎo)致陰極活性區(qū)減小。快速凝固AZ91合金中添加了2%Ca后腐蝕速率由0.8mm•a-1下降至0.2mm•a-1。
同時(shí)骨骼中無機(jī)鹽組成主要是：無定型鈣磷酸鈣、羥基磷灰石、磷酸鈣、檸檬酸鈣、Mg3(PO4)2、Na2HPO4等，以羥基磷灰石為主。鈣的含量約為25.6%。合金中鈣的加入有利于促進(jìn)骨骼的生長(zhǎng)。
Zn是ZK60合金的第一主加元素，其重量百分比為5%~6%。在ZK60合金中既可以提高強(qiáng)度，又可以提高抗腐蝕性能，但只有當(dāng)Zn的質(zhì)量百分含量在一定的范圍之內(nèi)才可以獲得優(yōu)良的綜合性能，當(dāng)Zn%>2.5%時(shí)就對(duì)金屬的防腐性能有負(fù)面影響。當(dāng)Zn%<6%時(shí)，隨Zn含量增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度升高，延伸率降低；但當(dāng)Zn%>6%時(shí)，隨Zn含量增加，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度反而降低，且延伸率降低更多，因此工業(yè)上使用的Mg-Zn合金中的Zn含量一般都小于6%。
Zr是ZK60合金的第二主加元素，其重量百分比一般為0.3%~0.9%。Zr可以強(qiáng)烈的細(xì)化晶粒、降低顯微疏松傾向，因而它也是影響ZK60合金的組織和性能的關(guān)鍵元素。Zr在鎂合金中易形成偏析，有研究表明，在ZK60合金中Zr主要分布在晶粒中心，由中心向晶粒邊緣逐漸減低，侵蝕后偏析區(qū)呈年輪狀或花朵狀。
Zr對(duì)ZK60合金的力學(xué)性能影響非常大，有人就Zr對(duì)ZK60合金的力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究。研究指出，Zr在鎂合金中的存在形式有兩種：一種是與其它與元素形成化合物，分布在枝晶網(wǎng)邊界，易造成偏析;另一種是固溶到鎂基體中的Zr，形成α-Zr相，在絡(luò)和滴定法中溶于鹽酸，稱之為酸溶性Zr。而起強(qiáng)化作用的為酸溶性Zr。要使MB15合金型材的抗拉強(qiáng)度超過314MPa，鋯含量要大于0.45%，最好控制在0.55%左右。
稀土元素Y與鎂一樣，同樣具有密排六方晶體結(jié)構(gòu)，原子半徑相近，且在鎂基固溶體中具有12%的固溶度，同其他稀土元素一起能提高鎂合金高溫抗拉性能及蠕變性能，改善腐蝕行為；在室溫條件下，以Mg24Y5高溫強(qiáng)化共晶相化合物形式彌散分布于α-Mg晶內(nèi)和晶界處。所以Mg-Y合金具有很顯著的時(shí)效硬化特性，時(shí)效溫度一般在200℃左右。近年來，對(duì)鎂合金的有利作用越來越受到人們的重視，并將Mg-Y系合金視為很有發(fā)展?jié)摿Φ囊活惸透邷睾辖?。同時(shí)稀土元素及稀土化合物具有特殊的藥理作用。自20世紀(jì)60年代以來，因陸續(xù)發(fā)現(xiàn)稀土化合物是Ca2+的優(yōu)良拮抗劑，有鎮(zhèn)靜止痛的作用，可用于治療燒傷、皮膚病、血栓病等，從而引起了醫(yī)療界的普遍關(guān)注。可以預(yù)料，稀土在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將日益受到重視，并展示出廣闊的應(yīng)用前景。
近年來已經(jīng)有不少研究人員致力于鎂基生物材料的開發(fā)。高家誠(chéng)等人對(duì)純度為99.9%的純鎂進(jìn)行堿熱處理表面改性，再對(duì)鎂在仿生體液中的耐蝕行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)處理后材料的溶血性能及細(xì)胞毒性等有明顯改善。并得出結(jié)論純度為99.9%的鑄態(tài)純鎂經(jīng)本研究堿熱處理過的試樣在SBF液中浸泡14d后沒有出現(xiàn)質(zhì)量損失，顯示出良好的耐腐蝕性能，經(jīng)堿熱處理的試樣在SBF溶液中浸泡14d后，試樣表層發(fā)現(xiàn)了鈣磷基沉淀物，鈣磷摩爾比為1.858。
Wite等研究了AZ31、AZ91、WE43和LAE422等4種鎂合金在豚鼠體內(nèi)降解和骨組織對(duì)鎂植入體的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)鎂合金的降解速度明顯比SR-PLA96快。植入6周后鎂合金表面有礦化骨組織形成，礦化骨組織在鎂合金表面的沉積速度也明顯比SR-PLA96快，表面鎂合金具有比可降解聚合物更好的骨組織相容性和骨組織誘導(dǎo)性能；植入18周后，植入體完全降解；張二林等研究的結(jié)果證實(shí)：植入9周后，鎂合金發(fā)生顯著的降解，其中Mg-Mn合金降解40%~50%，Mg-Mn-Zn合金降解10%~17%，WE43合金降解11%~31%。在降解的同時(shí)，鎂合金表面有磷酸鹽生成，在磷酸鹽與骨組織間有新骨形成。隨著鎂合金的不斷降解，磷酸鹽層不斷向新骨組織轉(zhuǎn)變，從而使新骨就在降解后的鎂合金植入體上生長(zhǎng)。這表明鎂合金具有非常好的骨組織相容性和骨組織誘導(dǎo)生長(zhǎng)特性。耿芳等人認(rèn)為多孔鎂是一種很有前景的骨組織工程材料。
現(xiàn)已有研究者進(jìn)行了相關(guān)的動(dòng)物植入實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)研究。早期的體內(nèi)試驗(yàn)表明，鎂合金植入后血清中的鎂離子濃度沒有明顯增加，植入處沒有發(fā)生感染，表明鎂合金對(duì)人體是無毒的。通過合金設(shè)計(jì)及一系列實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，優(yōu)選出Mg-0.7Ca，該合金具有較好的耐蝕性能，優(yōu)良的力學(xué)性能及生物相容性等綜合性能，并能以一定速率降解，表面生成了Ca3(PO4)2，這種物質(zhì)是羥基磷灰石的前驅(qū)體，在體內(nèi)能夠?yàn)樽匀还墙M織所取代。隨著Ca3(PO4)2的增長(zhǎng)，合金逐漸降解。據(jù)此，宣告了一種新型的生物醫(yī)用Mg基合金的誕生。
