鎂合金的生物相容性和機(jī)械性能跟人體骨骼很相似，可適用于骨骼固定裝備、心腦血管支架和組織工程支架?？山到獾?a href=http://www.nicastaneda.com target=_blank class=infotextkey>鎂合金用于骨折患者固定術(shù)后可避免再次鋼板取出術(shù)的弊端，從而減少手術(shù)次數(shù)和減輕患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。組成鎂合金（Mg）的元素有很多種，目前也沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的元素搭配準(zhǔn)則。常用的合金元素有：鋁（AI）、鋅（Zn）、錳（Mn）和稀土元素，AI有神經(jīng)毒性和肝毒性，使Mg-AI合金臨床運(yùn)用減少。
稀土元素生物毒性小，有良好的可塑性，濃度的可控性，并能提高合金的力學(xué)性能及抗腐蝕性，這些優(yōu)點(diǎn)使稀土元素受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。
1.稀土鎂合金
1.1稀土鎂合金降解產(chǎn)物對(duì)機(jī)體的影響
鎂合金的降解產(chǎn)物會(huì)降低合金的機(jī)械性能。①鎂合金的降解產(chǎn)物會(huì)改變培養(yǎng)基的PH值影響細(xì)胞的擴(kuò)散和增殖，降解過(guò)程中產(chǎn)生的堿性離子可中和細(xì)胞外液的酸性離子，使其處于的弱堿環(huán)境，能促進(jìn)細(xì)胞與鎂合金的粘附。PH還會(huì)影響鎂合金的降解速率，Dolly證明PH在7.4～7.6時(shí)合金的降解速度達(dá)到最快。②鎂合金在體內(nèi)降解時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫氣，大量的氫氣聚集在組織中間，會(huì)影響合金周圍細(xì)胞的增殖，甚至引起組織的壞死。③降解物會(huì)增加材料周圍的滲透壓。Wu等人實(shí)驗(yàn)證明，成骨細(xì)胞對(duì)高滲環(huán)境有較高的抵抗性，還能促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化。
稀土元素（Rare Earth簡(jiǎn)稱RE）較鎂合金有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如能改進(jìn)合金的耐腐蝕性和增強(qiáng)機(jī)械性能等，含RE的鎂合金在可降解生物合金中已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，例如WE43已成功運(yùn)用于臨床。
1.2鎂離子
鎂離子是細(xì)胞內(nèi)富含的二價(jià)陽(yáng)離子，能調(diào)節(jié)多種細(xì)胞功能，如細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞增殖和細(xì)胞新陳代謝，也是維持心臟、肌肉、神經(jīng)、骨骼及腎臟細(xì)胞活性必不可少的離子。有研究證明，當(dāng)鎂合金釋放足夠濃度的鎂離子時(shí)，能顯著的促進(jìn)骨組織的愈合。王建等人用大鼠顱骨培養(yǎng)的成骨細(xì)胞與不同溶度鎂離子進(jìn)行研究，證明6－10mM鎂離子濃度為最能促進(jìn)成骨細(xì)胞活力和分化的溶度。因此，鎂離子不僅能促進(jìn)細(xì)胞的粘附，還能促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和分化。除此之外，鎂的氫氧化物也能增加成骨細(xì)胞的活性。可見(jiàn)鎂離子和Mg（OH）2能共同增加細(xì)胞活性，促進(jìn)的細(xì)胞粘附、增殖和分化。因此，通過(guò)增加鎂離子攝入而提高骨骼代謝的作用，使得運(yùn)用鎂離子來(lái)預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥的研究不斷在開(kāi)展。
鎂離子作為一種內(nèi)源性保護(hù)因子不僅參與了腦組織的細(xì)胞代謝和功能調(diào)節(jié)，而且對(duì)神經(jīng)細(xì)胞有保護(hù)作用。有研究發(fā)現(xiàn)，缺血損傷的腦組織內(nèi)鎂離子含量會(huì)明顯下降，在補(bǔ)充鎂離子后可以減輕實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的繼發(fā)腦損傷，并改善神經(jīng)功能障礙，減少神經(jīng)細(xì)胞的凋亡。鎂離子能擴(kuò)張腦血管，增加側(cè)枝循環(huán)，對(duì)緩解缺血性腦損傷及維持血管彈性起到了重要作用。血管鈣化、順應(yīng)性降低使得血管狹窄，已成為心腦血管常見(jiàn)疾病。Spiegel等臨床研究發(fā)現(xiàn)，高溶度鎂可以抑制高磷誘導(dǎo)的血管平滑肌細(xì)胞鈣化，阻止動(dòng)脈鈣化和狹窄的進(jìn)展。還有研究發(fā)現(xiàn)較高溶度鎂離子能有利于炎癥的控制，也是從另一方面減慢了血管的鈣化。鎂合金與骨骼有非常相似的生物相容性、機(jī)械性能和血管適應(yīng)性，這使得鎂和相關(guān)的鎂合金成為了骨骼固定材料和血管支架研究的熱點(diǎn)。
1.3降解率
鎂合金材料的可降解性與骨密度的相似性引起了廣泛的關(guān)注，但過(guò)快的降解速率，又使其做為臨床材料的運(yùn)用受到了限制?？山到?a href=http://www.nicastaneda.com target=_blank class=infotextkey>鎂合金在體內(nèi)主要起著固定和支持的作用，過(guò)快的降解速率會(huì)降低鎂合金的支撐作用，甚至?xí)?duì)人體造成傷害。因此，穩(wěn)定的降解率是植入材料研究的重點(diǎn)。由此可見(jiàn)，對(duì)合金材料表面的鑄造和調(diào)節(jié)合金元素比例，是穩(wěn)定材料降解率的重要方法之一。
實(shí)際上，鎂合金材料植入體內(nèi)后，最先發(fā)生的反應(yīng)在材料表面，而植入物的生物反應(yīng)一部分也是受到表面材料的影響。合適的合金元素比例會(huì)穩(wěn)定合金的降解率。加入稀土元素釔（Y）能降低合金的腐蝕率，并改善機(jī)械性能如強(qiáng)度、硬度、和延展性，Mg-Y合金在Mg合金中對(duì)NaCl溶液具有較好抗腐蝕性能。此外，Y在Mg合金中有較高的最大溶解度，因此可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)高濃度的固溶體狀態(tài)。因此，在生理體液或腦脊液的環(huán)境中，Y對(duì)鎂合金的抗腐蝕性也是有利的。最后，還可以通過(guò)體外的浸泡實(shí)驗(yàn)，及重量丟失實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估鎂合金的降解率。研究證明，0.0282mg/cm2·h的降解率為最適宜的體外降解速度。
1.4稀土元素（RE）
目前運(yùn)用較多的合金元素有Al，Ca，Zn，Mn和稀土元素（Rare Earth簡(jiǎn)稱RE）。有研究表明AI是引起阿爾茨海默病的危險(xiǎn)因素，Ca和鎂合金的運(yùn)用中，隨著Ca含量的增加，鎂合金的可塑性、抗腐蝕性和生物相容性都會(huì)降低。稀土元素毒性小、能提高合金的抗腐蝕性這些特點(diǎn)使稀土元素在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、工業(yè)及現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)上已有廣泛應(yīng)用。鎂合金運(yùn)用于人體，對(duì)形狀構(gòu)造的專業(yè)性，要求鎂合金有很好的強(qiáng)度和柔軟度，而加入稀土元素能很好的解決這個(gè)問(wèn)題。
目前研究較多的稀土元素有釔（Y）、釓（Gd）及釹（Nd）等，Harpreet等人研究證明：Y、Gd、Nd等較純鎂有更穩(wěn)定的生物降解性、力學(xué)性能及固溶強(qiáng)化作用。稀土元素為人體非必需微量元素，但稀土元素會(huì)對(duì)人體代謝產(chǎn)生一定的影響。胡穎在稀土元素做為口腔修復(fù)材料中發(fā)現(xiàn)，稀土元素通過(guò)調(diào)節(jié)人體硬骨組織的代謝，能促進(jìn)骨和牙的形成和再造。同時(shí)，稀土元素具有抗菌、抑制炎癥因子和拮抗內(nèi)毒素的作用已有證實(shí)。利用稀土放射性同位素診斷癌癥已經(jīng)運(yùn)用于臨床，而稀土元素治療癌癥也有了部分研究，有研究證明稀土元素除了可以清除體內(nèi)的有害自由基之外，還可使抑癌基因的水平上升和癌細(xì)胞內(nèi)的鈣調(diào)素水平下降，從而降低癌癥的惡性程度，這些優(yōu)點(diǎn)使稀土元素開(kāi)始運(yùn)用于抗癌藥物中。但也有證明合金釋放的Gd能通過(guò)金屬轉(zhuǎn)移，使腎衰竭的患者腎臟纖維化，但正常人不會(huì)出現(xiàn)腎纖維化。還有值得關(guān)注的問(wèn)題是，Gd在作用骨組織之前，會(huì)通過(guò)血管沉淀在脾臟和肝臟。
低濃度稀土元素，能提人體Ca2+－Mg2+ATP酶的活性，但高溶度時(shí)會(huì)抑制其活性，有研究提出稀土毒理學(xué)安全溶度為0.05～2.00mg/kg。綜上研究，我們可以通過(guò)改變鎂合金的降解率和控制稀土溶度來(lái)減少稀土鎂合金對(duì)人體的不利影響。
2.稀土鎂合金在顱腦組織修復(fù)中的應(yīng)用
2.1顱骨及腦組織的研究
鎂合金做為一種可降解的顱骨修補(bǔ)材料已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用于臨床，而鎂合金降解產(chǎn)生的鎂離子還能顯著的促進(jìn)骨組織的愈合。以鎂合金做為顱骨修補(bǔ)材料，不僅不會(huì)影響顱骨生長(zhǎng)，還能促進(jìn)腦組織和中樞神經(jīng)元再生。鎂合金不僅能促進(jìn)顱骨的愈合，還能對(duì)神經(jīng)細(xì)胞起到修復(fù)和保護(hù)作用。神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)人體生理功能起主導(dǎo)調(diào)節(jié)作用，而雪旺細(xì)胞（Sc）又是神經(jīng)系統(tǒng)中特有的膠質(zhì)細(xì)胞，眾所周知，Sc通過(guò)分泌神經(jīng)生長(zhǎng)因子（NGF）促進(jìn)神經(jīng)元的修復(fù)和再生。李伯翰用鎂金屬與Sc共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)鎂離子在微環(huán)境下可以增加Sc的組織黏附性并能促進(jìn)NGF的分泌，故鎂合金能進(jìn)一步促進(jìn)神經(jīng)元的再生，防止神經(jīng)元的變性及凋亡。鎂離子能保護(hù)缺血損傷的神經(jīng)細(xì)胞，這成為了利用鎂離子治療中風(fēng)等缺血性腦疾病的理論依據(jù)。
還有通過(guò)對(duì)果蠅的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鎂離子能阻礙神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)一種抑制蛋白的生成，幫助維持長(zhǎng)期記憶，促進(jìn)損傷神經(jīng)再生及修復(fù)，這一研究有望成為治療阿爾茨海默氏癥等的研究新方向。隨著對(duì)稀土元素的研究，鎂合金材料中加入稀土元素釹（Nd），形成的Mg-Nd二元合金能顯著增加金屬的強(qiáng)度，并最大程度的減慢合金的降解速率、提高伸長(zhǎng)率、耐腐蝕性、生物相容性和抗菌性。目前，對(duì)稀土合金體外降解已經(jīng)有了一些研究，但對(duì)合金和相關(guān)表面物功效的評(píng)估，找出鎂合金中添加稀土元素的平衡點(diǎn)，使鎂合金達(dá)到最適合的強(qiáng)度和效能還有待進(jìn)一步探索。
2.2腦血管的研究
稀土鎂合金也有運(yùn)用于腦血管領(lǐng)域，做為可溶性藥物洗脫支架，主要用于腦血管、冠狀動(dòng)脈狹窄患者，藥物洗脫支架減少了永久性支架的限制因素，如永久性支架損害了血管的正常生理形態(tài)，產(chǎn)生慢性炎癥同時(shí)也會(huì)對(duì)血管壁造成傷害，可降解腦血管支架不僅能促進(jìn)傷口愈合、重塑血管形態(tài)，還能減少炎癥的發(fā)生。有研究證明在Mg-Li（鋰）二元合金和Mg-Li-（AI）-（RE）含有稀土元素鎂合金的對(duì)比試驗(yàn)中，含鎂合金對(duì)血管彈性的維持作用和能控制炎癥作用，被認(rèn)為鎂合金是最適合做為血管支架的材料，而加入稀土元素的Mg-Li-（AI）-（RE）四元鎂合金有著很穩(wěn)定的溶血速率、不易形成血栓、耐腐蝕性能的優(yōu)點(diǎn)，是單純鎂合金所缺少的。
腦脊液及體液中的生理鹽離子可以侵蝕鎂合金并加速其降解，Meshinchi等研究表明：AZ91合金中添加RE元素可以將其極限拉伸應(yīng)力從137增加到166MPa，并且AI和RE一起通過(guò)固溶強(qiáng)化作用使鎂合金的拉力進(jìn)一步增加，大量的臨床證明含稀土鎂合金材料的藥物洗脫支架是安全和可行的，但對(duì)于高齡、血管恢復(fù)能力較慢的患者，需要鎂合金的耐腐蝕性與之相匹配，故支架設(shè)計(jì)的最優(yōu)化，和藥物的洗脫功能還待進(jìn)一步提高。
3.展望
現(xiàn)在顱骨修補(bǔ)材料有很多，包括自體顱骨、同種異體材料、異種異體材料、硅膠、鈦網(wǎng)等，但近年來(lái)醫(yī)用稀土鎂合金已成為生物材料研究的重點(diǎn)，隨著代謝產(chǎn)物影響機(jī)體的問(wèn)題得到解決，稀土鎂合金有望能更多的運(yùn)用于臨床。在稀土鎂合金對(duì)顱骨組織的實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，稀土鎂合金不僅可以對(duì)顱骨起到內(nèi)固定作用，促進(jìn)骨骼的愈合，還能對(duì)神經(jīng)細(xì)胞有保護(hù)作用，并促進(jìn)神經(jīng)元再生，而稀土鎂合金支架運(yùn)用于腦血管也有很好的血管相容性，這使得稀土鎂合金在顱腦組織修復(fù)的運(yùn)用頗具實(shí)用價(jià)值和開(kāi)發(fā)潛力。所有醫(yī)用生物植入材料都應(yīng)與宿主有很好的生物相容性，在應(yīng)用前必須對(duì)材料進(jìn)行客觀、全面、綜合的評(píng)估與分析。因此，還需對(duì)稀土鎂合金進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)，但相信在不久的將來(lái)，稀土鎂合金在醫(yī)用植入材料領(lǐng)域會(huì)有更好的未來(lái)。