生物可降解醫(yī)用鎂合金體內(nèi)外降解行為研究進(jìn)展

2021-05-21 07:28田亞強(qiáng)趙冠璋鄭小平陳連生

材料工程 2021年5期

田亞強(qiáng)，趙冠璋，劉蕓，張源，鄭小平,陳連生

(華北理工大學(xué) 教育部現(xiàn)代冶金技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北唐山 063210)

相比于傳統(tǒng)醫(yī)用可植入生物材料(Ti,Co-Cr,不銹鋼，聚合物，陶瓷等)而言，鎂合金由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能、獨(dú)特的降解能力以及良好的生物相容性，使其作為體內(nèi)植入物優(yōu)于高分子材料、陶瓷材料以及其他金屬材料[1]。并且鎂合金材料由于具有與人體骨骼相匹配的彈性模量，能夠很大程度上避免植入后產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋效應(yīng)(當(dāng)兩種或多種具有不同剛度的材料共同承載外力時(shí)，具有剛度較高的材料將會(huì)承擔(dān)較高的載荷，而剛度較低的材料只需承擔(dān)較低的載荷)[2]。同時(shí)，鎂合金在人體服役后，能夠發(fā)生動(dòng)態(tài)降解行為，其降解產(chǎn)物不會(huì)造成人體的過(guò)敏反應(yīng)，且過(guò)量的Mg2+通常會(huì)通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)排出體外[3]，故成為生物醫(yī)療器械的首選[4-5]。另外，在細(xì)胞毒性方面，鎂合金具有良好的細(xì)胞相容性，細(xì)胞可以在鎂合金上有效地附著、擴(kuò)散以及增殖[6]。此外，在骨修復(fù)方面，過(guò)量Mg2+富集會(huì)刺激脊神經(jīng)節(jié)釋放降鈣素基因相關(guān)肽(calcitonin gene related peptide,CGRP)，誘導(dǎo)相關(guān)蛋白的產(chǎn)生，促進(jìn)骨成型[5]，因此鎂合金常用作骨折內(nèi)部固定的醫(yī)療器械。但是，由于鎂化學(xué)性質(zhì)活潑，電位較低(-2.37 VvsSHE(標(biāo)準(zhǔn)氫電極))，在富含Cl-的液體環(huán)境中，基體與第二相之間易形成原電池，產(chǎn)生電偶腐蝕，同時(shí)生成OH-和H2。伴隨著Mg基體缺陷處滲透進(jìn)入的腐蝕介質(zhì)對(duì)膜結(jié)構(gòu)的共同侵蝕作用，破壞Mg合金基體的完整結(jié)構(gòu)。其反應(yīng)主要如下所示：

Mg+2H2O+2Cl-→MgCl2+H2+2OH-

(1)

在骨成型過(guò)程中，H2會(huì)導(dǎo)致氣穴的產(chǎn)生，占據(jù)骨痂生長(zhǎng)空間，最終影響骨成型的速度與形態(tài)[7]，目前，在鎂合金的研究過(guò)程中，鑒于對(duì)鎂合金降解行為的認(rèn)知程度匱乏以及降解機(jī)理認(rèn)識(shí)的不足，導(dǎo)致鎂合金作為植入物在生理環(huán)境下的動(dòng)態(tài)降解速率得不到有效控制，降解形貌不均勻。Ding等[6]將Mg-Zn-Ca合金作為手術(shù)夾夾閉老鼠頸動(dòng)脈血管。在3個(gè)月時(shí)，靠近心臟的一側(cè)出現(xiàn)了明顯的斷裂行為，主要是由于血液流動(dòng)產(chǎn)生的脈動(dòng)應(yīng)力加快了鎂合金手術(shù)夾的降解；Wang等[8]將鑄態(tài)的Mg-Zn-Ca合金植入新西蘭白兔左股骨處，并采用Micro-CT系統(tǒng)觀察了其在體內(nèi)的動(dòng)態(tài)降解行為。在第8周時(shí)，可以清晰地觀察到鎂合金種植體表面出現(xiàn)了許多降解坑，降解過(guò)快且不均勻；Li等[9]進(jìn)行了Mg-Zn-Zr合金骨釘在兔骨骨髁部位的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。在兔子體內(nèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)，螺釘在2個(gè)月時(shí)便發(fā)生嚴(yán)重降解，3個(gè)月時(shí)發(fā)現(xiàn)了頸部骨折，到第6個(gè)月時(shí)只剩下少量殘余合金，進(jìn)一步證實(shí)了鎂合金材料降解的過(guò)快與不可控性。

此外，為了探究鎂合金在生理?xiàng)l件下如何獲得最佳的降解性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還進(jìn)行了大量的體外實(shí)驗(yàn)，但部分鎂合金在模擬體液環(huán)境中仍顯示出較快的降解速率以及較嚴(yán)重的降解形貌。目前體外實(shí)驗(yàn)的降解速率評(píng)定主要通過(guò)3種實(shí)驗(yàn)途徑，分別為浸泡實(shí)驗(yàn)、電化學(xué)實(shí)驗(yàn)以及析氫演變實(shí)驗(yàn)，其降解速率的具體計(jì)算方法如下[10]：

Pw=2.10ΔW

(2)

Pi=22.85icorr

(3)

PH=2.279VH

(4)

式中：Pw,Pi,PH分別為3種實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得的降解速率，mm/a；ΔW為失重速率，mg·cm-2/d；icorr為合金的腐蝕電流密度，mg·cm-2；VH為析氫體積，mL·cm-2/d。

體內(nèi)外降解研究結(jié)果表明，鎂合金在接近中性生理環(huán)境中的降解方式以腐蝕為主，其降解機(jī)制如下所示[7]：

2H2O+2e-→H2+2OH-(陰極反應(yīng))

(5)

Mg→Mgn++ne-(陽(yáng)極反應(yīng))

(6)

Mgn++nOH-→Mg(OH)2(降解產(chǎn)物)

(7)

通常在腐蝕介質(zhì)中，Mg作為陽(yáng)極轉(zhuǎn)變?yōu)镸g2+與陰極產(chǎn)生的OH-發(fā)生反應(yīng)生成Mg(OH)2，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，合金表面缺陷處可作為Cl-滲透到膜結(jié)構(gòu)中與Mg(OH)2反應(yīng)的特殊通道，導(dǎo)致表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。另外，基體與第二相(金屬間相)會(huì)由于電化學(xué)電位差異產(chǎn)生以鎂基體為陽(yáng)極的電偶腐蝕，加快合金的降解進(jìn)程[11]。

為了更好地解決鎂合金在生理環(huán)境中所出現(xiàn)的降解過(guò)快及降解不均勻等問(wèn)題，本文結(jié)合本課題組前期的研究工作(微合金化、納米HA/CaO微復(fù)合、熱處理、塑性加工)[12-15]，通過(guò)對(duì)合金的微觀、宏觀結(jié)構(gòu)與降解速率之間關(guān)系的建立，深入分析并探究了合金在生理環(huán)境下所發(fā)生的靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)降解機(jī)制，系統(tǒng)地概括了合金化工藝、熱處理工藝、塑性加工工藝和表面改性處理工藝對(duì)鎂合金體內(nèi)外降解的影響規(guī)律以及耐蝕性能提高的微觀機(jī)理的研究現(xiàn)狀。

1 微合金化工藝

通常醫(yī)用鎂合金在未滿服役周期前便快速降解，因此，至少在達(dá)到預(yù)定服役期限之前，需要良好的降解性能來(lái)維持植入物在人體使用過(guò)程中的完整性。合金化常被作為一種有效的途徑來(lái)提高鎂合金的降解性能。與其他工藝相比，通過(guò)適當(dāng)添加合金元素進(jìn)行微觀組織調(diào)控，不僅可以起到改變合金的析出相種類以及合金晶粒度的作用，而且還可以改變表面膜的組成結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到減緩降解速率的效果。但需要注意的是合金元素的選擇問(wèn)題，鎂合金降解后向周圍組織釋放的其他金屬離子可能會(huì)在短期或較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)引起生物反應(yīng)，因此合金元素添加不當(dāng)可能會(huì)引起嚴(yán)重的毒物學(xué)問(wèn)題。并且添加的元素如果固溶度過(guò)低，這些殘留的過(guò)量合金元素會(huì)導(dǎo)致大量的第二相產(chǎn)生，而過(guò)量的第二相會(huì)與鎂基體形成電偶腐蝕，加快鎂合金的降解進(jìn)程。目前常見(jiàn)的生物醫(yī)用鎂合金主要包含Mg-Ca,Mg-Zn,Mg-Mn,Mg-Sr以及Mg-RE合金，這些經(jīng)過(guò)合金化處理的合金具有良好的生物相容性，對(duì)組織無(wú)不良影響。

合金化處理對(duì)于醫(yī)用鎂合金體內(nèi)外降解機(jī)制的影響主要如下：Ca是人體骨骼的主要成分，對(duì)細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)信號(hào)傳遞至關(guān)重要，其釋放的離子有利于骨骼固化，是一種礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)素。因此，鈣的添加引起了研究學(xué)者們的廣泛關(guān)注。Jeong等[16]對(duì)比了在Hank’s溶液中不同Ca含量的添加對(duì)鑄態(tài)以及擠壓態(tài)Mg-Ca合金降解性能的影響。結(jié)果顯示當(dāng)Ca含量增加時(shí)(0.4%→1%→2%→3%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，由電化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的鑄態(tài)合金的降解速率也呈現(xiàn)不斷升高的趨勢(shì)(0.161→0.223→0.241→0.585 mm/a)，擠壓態(tài)合金具有相同的變化趨勢(shì)(0.179→0.193→0.194→0.245 mm/a)。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要與Mg2Ca相的析出有關(guān)，Ca含量的增加會(huì)導(dǎo)致第二相體積分?jǐn)?shù)的增大，基體鎂與第二相之間容易發(fā)生電偶腐蝕，從而加快了合金降解進(jìn)程。Mohamed等[17]將鑄態(tài)Mg-0.8Ca和純鎂在Hank’s平衡鹽溶液中的降解速率做了對(duì)比。結(jié)果顯示，Mg-0.8Ca的降解速率大約是純鎂的3倍(Mg-0.8Ca降解速率為(1.08±0.38) mm/a，純鎂降解速率為(0.35±0.17) mm/a)。這同樣與晶界處Mg2Ca的產(chǎn)生有關(guān)，Mg2Ca相通常作為陰極與陽(yáng)極的α-Mg發(fā)生電偶腐蝕，從而增加了降解速率。但隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，Mg-Ca合金表面除Mg(OH)2保護(hù)層外，會(huì)伴隨有羥基磷灰石的產(chǎn)生，該產(chǎn)物對(duì)骨愈合具有明顯的促進(jìn)作用，證實(shí)了Mg-Ca合金潛在的植入價(jià)值。Liu等[18]在擠壓態(tài)Mg-1Bi-1Zn合金中加入了0.6%Ca，獲得的光學(xué)組織與晶粒分布顯示，隨著微量Ca的加入，會(huì)導(dǎo)致合金的平均晶粒尺寸減小，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒比例顯著增大。去除降解產(chǎn)物的表面SEM形貌如圖1所示，Mg-1Bi-1Zn合金出現(xiàn)很多尺寸較大的點(diǎn)蝕坑，而加入Ca后的合金降解形貌相對(duì)比較均勻。且電化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得合金降解速率由0.41 mm/a下降為0.32 mm/a。其產(chǎn)生原因?yàn)椋杭尤隒a后生成的第二相粒子Mg2Bi2Ca(相比于Mg3Bi2相)與基體鎂相比具有更高的電勢(shì)差，如圖2中掃描Kelvin探針力顯微鏡(SKPFM)結(jié)果顯示，在降解過(guò)程中更易作為陰極位置，導(dǎo)致降解產(chǎn)物層的密度更大，形成速度更快。合金表面氧化膜的XPS分析顯示，相比于Mg-1Bi-1Zn合金，在Mg-1Bi-1Zn-1Ca合金表面有Ca(OH)2產(chǎn)生，其反應(yīng)主要如下所示：

圖2 擠壓態(tài)Mg-1Bi-1Zn-0.6Ca合金SKPFM圖片(a)以及A線對(duì)應(yīng)的電勢(shì)分布圖(b)[18]Fig.2 SKPFM image (a) of the extruded Mg-1Bi-1Zn-0.6Ca alloy and corresponding Volta potential profile along lines A (b)[18]

圖1 擠壓態(tài)Mg-1Bi-1Zn (1) 與Mg-1Bi-1Zn-0.6Ca (2) 合金浸泡在SBF不同時(shí)間去除降解產(chǎn)物后的SEM圖[18]

Mg→Mg2++2e-

(8)

Ca→Ca2++2e-

(9)

2H2O+2e-→H2↑+2OH-

(10)

Mg2++2OH-→Mg(OH)2

(11)

Ca2++2OH-→Ca(OH)2

(12)

Mg2++1/2O2→MgO

(13)

Ca元素的加入改變了膜層結(jié)構(gòu)，在一定程度上提高了合金降解性能。王勇等[19]研究了Ca含量的添加對(duì)于ZM61合金在SBF中降解性能的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)Ca含量控制在0.5%時(shí)，由于晶粒的細(xì)化以及晶界處網(wǎng)狀析出相的產(chǎn)生，導(dǎo)致其具有最佳的降解抗性。通過(guò)以上研究表明：Ca元素的添加可通過(guò)調(diào)整晶粒度、析出物的形態(tài)與類型以及表面產(chǎn)物膜成分，從而在一定程度上提高鎂合金的耐蝕性能。同時(shí)，一些學(xué)者對(duì)Mg-Ca合金也進(jìn)行了相應(yīng)的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，Xia等[20]將擠壓態(tài)的Mg-4.0Zn-0.2Ca合金植入家兔股骨處。結(jié)果顯示合金的植入并未導(dǎo)致任何炎癥反應(yīng)的產(chǎn)生，且骨與種植體之間接觸良好。隨后利用SEM對(duì)植入3個(gè)月的種植體進(jìn)行了表面形貌的觀察，發(fā)現(xiàn)在種植體表面產(chǎn)生了保護(hù)膜。利用EDS分析了保護(hù)膜的成分組成，結(jié)果顯示保護(hù)膜主要成分為Ca和P，這些成分能在很大程度上促進(jìn)骨成型。在3個(gè)月的植入實(shí)驗(yàn)中，合金體積中有35%發(fā)生了降解，證實(shí)了Mg-Ca合金的醫(yī)用可行性。

Zn是人體重要的微量元素之一，是骨和軟骨可選酶的輔助因子，因而Mg-Zn合金是一種具有較大潛力的生物材料。Koc等[21]對(duì)比了鑄態(tài)Mg-xZn在SBF中的電化學(xué)降解速率。結(jié)果顯示，隨著Zn含量的增多(0%→0.5%→1%→2%→3%)，Mg-Zn合金的降解速率逐漸降低(4.342→3.062→2.833→2.628→2.331 mm/a)。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是Zn元素在Mg-Zn合金中具有細(xì)化晶粒的作用，Zn含量的增多使得晶粒細(xì)化從而降低了合金的降解速率。Abdel-gawad等[22]在Mg-0.6Ca合金中加入了不同含量的Zn元素，測(cè)得其在SBF模擬液中的電化學(xué)降解速率。結(jié)果顯示，添加2%Zn時(shí)合金的降解性能最佳，為0.043 mm/a。該現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是微量Zn的加入細(xì)化了晶粒，并且形成了Ca2Mg6Zn3保護(hù)層作為保護(hù)屏障，從而降低了降解速率。

Zhang等[23]將Mg-6Zn合金和純鎂植入老鼠的膀胱處，2周后取出結(jié)果顯示：Mg-6Zn合金已降解體積明顯高于純鎂，這主要是由于Zn(OH)2膜層的破裂同基體與第二相產(chǎn)生的電偶腐蝕耦合作用的結(jié)果。Cihova等[24]對(duì)不同Zn含量的擠壓態(tài)Mg-Zn-Ca合金在幼年大鼠的股骨中進(jìn)行了植入實(shí)驗(yàn)。植入后的Micro-CT顯示，與Mg-1.25Zn-0.25Ca合金相比，Mg-1Zn-0.3Ca合金具有更低的降解速率。在植入后的第4周，降解體積分?jǐn)?shù)控制在(5±3)%范圍內(nèi)，在第26周達(dá)到了(36±8)%，Mg-1Zn-0.3Ca合金與Mg-1.25Zn-0.25Ca合金在第52周測(cè)得的降解速率分別為(0.091±0.032) mm/a和(0.123±0.025) mm/a。組織學(xué)分析結(jié)果顯示兩種合金與骨接觸良好，無(wú)不良反應(yīng)，證明了鎂合金材料在肌肉骨骼疾病治療中的應(yīng)用價(jià)值。

Mn是一種無(wú)毒元素，在體內(nèi)多種酶系統(tǒng)的激活中起主要作用，另外，在合金元素中加入一定量的Mn能去除有害雜質(zhì)，并在合金表面形成氧化錳膜，實(shí)現(xiàn)提高合金降解抗性的目的。Cho等[25]研究表明微量Mn的添加使得晶粒細(xì)化，從而提高了Mg-4Zn-0.5Ca合金的耐蝕性。通過(guò)對(duì)比Mg-4Zn-0.5Ca-xMn(x=0,0.4,0.8)合金的降解形貌，發(fā)現(xiàn)含高M(jìn)n合金(Mg-4Zn-0.5Ca-0.8Mn)的降解形貌較均勻，具有較高的耐蝕性。由電化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的降解速率分別為0.202,0.095 mm/a和0.065 mm/a，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因主要有兩方面：一是晶粒的細(xì)化降低了微電偶腐蝕，二是Mn的加入可使表面形成MnO和MnO2膜層，膜層的產(chǎn)生可作為鎂合金的降解屏障，阻礙了Cl-的進(jìn)一步侵蝕，從而提高了合金膜層的穩(wěn)定性。

Xu等[26]將Mg-Zn-Mn合金用作骨移植植入物植入老鼠體內(nèi)。在植入的第9周，種植體100%固定，無(wú)過(guò)敏反應(yīng)，氧化產(chǎn)物膜成分以Ca,O,P等元素為主。在種植體周圍發(fā)現(xiàn)了新骨的形成，約10%～17%的種植體發(fā)生降解。而在第18周時(shí)，已有54%的鎂合金發(fā)生了降解，但Zn,Mn元素仍均勻分布在殘余的鎂合金、降解層和骨組織中，證實(shí)了Mg-Zn-Mn合金的醫(yī)用價(jià)值。

Sr是人體中的一種微量元素，具有促進(jìn)骨成型和減少骨吸收的作用。Zhao等[27]將不同Sr含量的擠壓態(tài)Mg-xSr(x=0.5,1,1.5,2.5)合金在Hank’s模擬體液中的降解速率做了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示隨著Sr含量的增加(0.5%→1%→1.5%→2.5%)，浸泡降解速率明顯升高(0.036→0.038→0.043→0.055 mm/a)，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的降解速率具有相同的變化趨勢(shì)(0.15→0.165→0.204→0.265 mm/a)。兩種降解速率對(duì)比表明Sr含量為0.5%時(shí)具有最佳的降解抗性。該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要與晶粒尺寸有關(guān)，當(dāng)Sr含量為0.5%時(shí)，合金中具有較多的細(xì)小等軸晶粒，但隨著Sr含量的增多，晶粒多變?yōu)殚L(zhǎng)條狀，從而降低了降解抗性。Cheng等[28]對(duì)比了Mg-5Zn-xSr在不同腐蝕環(huán)境(0.9%NaCl溶液和Hank’s溶液)中的降解速率。當(dāng)Sr含量增加時(shí)(0%→0.2%→0.3%→1%)，合金在兩種腐蝕環(huán)境下的電化學(xué)降解速率都有相同的變化趨勢(shì)：降低→升高→降低(NaCl溶液中的降解速率：1.005→0.797→0.993→0.944 mm/a，Hank’s溶液中的降解速率：0.772→0.512→0.723→0.608 mm/a)。兩種腐蝕環(huán)境下對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入0.2%Sr時(shí)降解速率最低(分別為0.797 mm/a和0.512 mm/a)，其主要原因?yàn)槲⒘縎r的加入能極大地細(xì)化晶粒，提高材料的耐蝕性。且對(duì)比Mg-5Zn合金，Sr的快速溶解會(huì)導(dǎo)致pH值的升高，從而使得Zn(OH)2析出，其相比Mg(OH)2具有更強(qiáng)的保護(hù)作用，并且較高含量的Zn(OH)2和Mg(OH)2能夠修復(fù)點(diǎn)蝕，延緩降解，其反應(yīng)如下：

MO+H2O→M(OH)2(M=Sr,Mg)

(14)

M+2H2O→Mg2++2OH-+H2(M=Sr,Mg,Zn)

(15)

M2++2OH-→M(OH)2(M=Zn,Mg)

(16)

(17)

Pan等[29]對(duì)鑄態(tài)Mg-Zn-Mn-xSr合金在Hank’s溶液中進(jìn)行了動(dòng)態(tài)降解機(jī)制的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著Sr含量的不斷上升(0.5%→1%→1.5%→3%)，在7天時(shí)測(cè)得的失重速率變化同樣具有逐漸上升的趨勢(shì)(0.115→0.149→0.23→1.006 mm/a)。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因在于第二相的變化，SEM結(jié)果顯示隨著Sr含量的增加，合金晶粒尺寸逐漸降低，但第二相體積出現(xiàn)明顯升高的趨勢(shì)，并逐漸由粒子狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。XRD結(jié)果表明第二相主要成分為Mg17Sr2。SKPFM結(jié)果顯示金屬間化合物比α-Mg具有更高的電位，導(dǎo)致α-Mg更易在降解過(guò)程中作為微觀陽(yáng)極，從而加快電偶腐蝕。

除體外降解外，研究學(xué)者同樣對(duì)Mg-Sr合金進(jìn)行了體內(nèi)研究：Gao等[30]對(duì)比了純鎂與添加Sr,Ga元素的鎂合金在老鼠體內(nèi)的降解速率，結(jié)果表明，純鎂的降解速率明顯高于經(jīng)過(guò)合金化處理的鎂合金，這主要與表面膜的致密程度有關(guān)，經(jīng)合金化處理的合金表面膜致密程度高，因此具有較高的降解抗性。

Bornapour等[31]將Mg-Sr-Ca合金支架在狗的左右動(dòng)脈進(jìn)行了血管植入實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：由于Mg-Sr-Ca合金在外層形成了Sr-HA/HA的保護(hù)層，且該保護(hù)層覆蓋于整個(gè)合金表面，從而增加了降解抗性，減緩了降解速率。Tie等[32]對(duì)Mg-Sr合金以及純鎂在白兔體內(nèi)進(jìn)行了植入實(shí)驗(yàn)。其降解形貌、降解速率以及XPS分析顯示，Mg-Sr合金以均勻降解為主，相比于純鎂具有更低的降解速率，降解層主要由MgO,Mg(OH)2和HA組成，并且在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)Sr的穩(wěn)定持續(xù)釋放，還可以起到促進(jìn)骨成型的作用。

Mg-RE合金憑借其優(yōu)異的力學(xué)性能和降解性能，也逐漸成為目前研究的熱點(diǎn)。常見(jiàn)的稀土元素主要包括Y,Nd,Gd等，微量稀土元素的添加可以限制晶粒尺寸，改變析出物形態(tài),從而起到調(diào)控鎂合金降解速率的目的[33-34]。其中Nd由于在鎂中具有較高的固溶度以及降解產(chǎn)物的無(wú)毒性，同時(shí)還具有良好的生物相容性，使其作為一種新型生物醫(yī)用材料得到了人們的重視。本課題組[12]在Kokubo’s模擬液中研究了Mg-Zn-Mn-xNd(MZM-xNd)合金的降解行為。結(jié)果顯示，隨著Nd含量的增加(0%→0.6%→1.2%→1.8%)，降解速率出現(xiàn)了先降低后升高的現(xiàn)象(8.43→1.15→2.23→3.82 mm/a)。去除降解產(chǎn)物后，材料的三維降解形貌如圖3所示，其去除降解產(chǎn)物后合金表面的降解坑深度、分布顯示，隨著Nd含量的增加，合金表面腐蝕坑深度低且分布均勻。但隨著Nd含量的進(jìn)一步增加，合金局部降解嚴(yán)重。產(chǎn)生的原因?yàn)椋篠EM結(jié)果顯示隨著Nd含量的增加，晶粒逐漸細(xì)化，然而析出相逐漸增多，導(dǎo)致降解速率的提高。并且微量Nd的添加可以提高表面膜的致密性，如圖4所示，微量Nd的添加使表面膜層更加致密，極大地降低合金的腐蝕敏感性，從而增強(qiáng)合金的降解抗性。此外，經(jīng)XRD分析，試樣表面有HA的產(chǎn)生，其具體反應(yīng)如下所示：

圖3 去除降解產(chǎn)物后不同合金的3D降解形貌[12]

圖4 不同合金浸泡在SBF溶液中10天后的SEM形貌[12]

(18)

(19)

(20)

HA的產(chǎn)生同樣可以作為阻礙合金降解的屏障，但隨著Nd含量的增加，表面膜會(huì)逐漸變得疏松，從而降低了合金的降解抗性。Cai等[35]研究表明添加0.2%～0.6%的Nd能細(xì)化合金晶粒，形成CaHPO4·2H2O膜層，增加了降解抗性。但過(guò)量Nd的添加會(huì)導(dǎo)致第二相晶粒尺寸增大，加速電偶腐蝕。Luo等[11]在3.5%NaCl溶液中測(cè)試了Mg-6Gd-2Y-(0→0.5%→1%→1.5%)Nd-0.2Zr合金的降解性能，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的降解速率表明在添加0.5%Nd時(shí)合金的降解速率最低(1.819→1.17→2.063→3.921 mm/a)，降解抗性最高。而當(dāng)Nd的含量在1.5%時(shí)，合金的降解抗性最低。該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要與第二相的體積分?jǐn)?shù)有關(guān)，在添加1.5%Nd時(shí)第二相析出較多，易發(fā)生電偶腐蝕，加快了合金的降解進(jìn)程。Chen等[36]研究發(fā)現(xiàn)在Mg-2Zn-xGd-0.5Zr合金中隨著Gd含量的增加(0→0.5%→1%→2%)，合金的降解速率先降低后升高(0.25→0.15→0.1→0.28 mm/a)。這主要是由于隨著Gd含量的升高，晶粒會(huì)逐漸得到細(xì)化，第二相析出逐漸增多。當(dāng)Gd含量較低時(shí)，第二相分布較均勻，這些均勻分布的第二相可作為屏障阻礙合金的降解進(jìn)程，但當(dāng)Gd含量過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大量第二相的析出，從而形成電偶腐蝕，推動(dòng)降解進(jìn)程。Liu等[37]研究了在0.1 mol/L的NaCl溶液中Mg-Y合金的降解速率，結(jié)果表明：隨著Y含量的增加(1%→2%→3%→5%)，Mg-Y合金的降解速率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(0.279→0.411→0.418→0.457 mm/a)。這主要是由于Y含量的增加，生成了富Y區(qū)，同時(shí)也導(dǎo)致更多的Y元素固溶進(jìn)入基體，提高了基體的化學(xué)活性，從而加速了合金的降解，但是網(wǎng)狀的富Y區(qū)可產(chǎn)生一定的屏障作用來(lái)阻礙降解進(jìn)程。

Zhang等[38]將擠壓態(tài)Mg-Nd-Zn-Zr合金支架在兔頸總動(dòng)脈進(jìn)行了20個(gè)月的植入研究，發(fā)現(xiàn)支架在植入白兔頸總動(dòng)脈20個(gè)月后生物安全性良好。Mg,Zn元素可以安全代謝，而Nd和Zr不會(huì)在器官特別是大腦中持續(xù)積累。整個(gè)內(nèi)皮化過(guò)程耗時(shí)28天。Mg在JDBM支架中的完全吸收時(shí)間約為4個(gè)月，降解產(chǎn)物主要為Ca磷酸鹽復(fù)合物，這些復(fù)合物可在25個(gè)月內(nèi)完全降解，消除了在鎂合金支架降解過(guò)程中可能出現(xiàn)的血管鈣化問(wèn)題。

Lukyanova等[39]將WE43合金植入小鼠體內(nèi)，皮下植入后，結(jié)果顯示：WE43合金的生物降解率較低，且無(wú)大量氫氣的產(chǎn)生。樣品表面與周圍組織形成親密接觸，未見(jiàn)損傷組織，接觸區(qū)有新生血管的形成，重要的是，形態(tài)學(xué)研究表明，在小鼠體內(nèi)植入WE43合金并沒(méi)有造成重大的全身?yè)p害，在一定程度上證實(shí)了鎂合金作為醫(yī)用材料的可行性。

2 熱處理工藝

熱處理也可作為提高鎂合金降解抗性的一種有效手段，通過(guò)熱處理可以在改變晶粒尺寸的同時(shí)調(diào)控析出物的數(shù)量以及形態(tài)，從而在一定程度上抑制電偶腐蝕的產(chǎn)生，達(dá)到增強(qiáng)降解抗性的效果，其原理主要在于不同合金元素的溶解度會(huì)隨溫度產(chǎn)生變化。

在此基礎(chǔ)上，本課題組[40]對(duì)比了在不同熱處理工藝條件下，Mg-2Zn-0.2Mn-1Ca合金在SBF模擬液中的降解行為。研究表明，隨著熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)(無(wú)→300→360→420→460→500 ℃)，SEM結(jié)果顯示析出物數(shù)量不斷減少，但晶粒尺寸不斷增大。由電化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的降解速率出現(xiàn)了先降低而后升高的趨勢(shì)(13.11→11.1→10.6→5.94→8.1→8.83 mm/a)，且在420 ℃熱處理時(shí)具有最佳的抗降解性能。降解速率降低的原因主要有以下3點(diǎn)：一方面，第二相溶解到基體中，提高了基體的腐蝕電位，降解速率下降。另一方面，降解產(chǎn)物成核優(yōu)先出現(xiàn)在基體與第二相之間，隨著第二相的逐漸溶解，微電偶腐蝕明顯減弱。此外，表面無(wú)缺陷，合金形成的致密膜層可以降低腐蝕敏感性，緩解界面區(qū)域間的電流交換。而后降解速率升高的現(xiàn)象表明降解速率受晶粒尺寸以及第二相體積的共同調(diào)控作用影響。Janbozorgi等[41]對(duì)比了鑄態(tài)和固溶態(tài)Mg-2Zn-1Gd-1Ca合金在SBF中的降解性能，結(jié)果顯示：當(dāng)經(jīng)過(guò)500 ℃固溶處理后，浸泡降解速率由9.45 mm/a下降至3.82 mm/a，電化學(xué)降解速率由3.09 mm/a下降至1.85 mm/a。固溶處理后降解速率明顯降低，這主要源于大量析出物的溶解，從而在一定程度上抑制了電偶腐蝕。Zhong等[10]對(duì)擠壓前時(shí)效(aging prior to extrusion,APE)處理前后的Mg-8Sn-2Zn-0.2Mn合金在3.5%NaCl溶液中的降解性能進(jìn)行了對(duì)比。浸泡實(shí)驗(yàn)后合金降解速率由5.88 mm/a降至4.31 mm/a，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的降解速率由0.487 mm/a降至0.315 mm/a。APE處理可明顯改善合金的降解性能，其主要原因在于APE處理的合金和未進(jìn)行APE處理的合金相比，第二相Mg2Sn相較小，且彌散均勻分布，而降解多發(fā)生在粗大的Mg2Sn相上，因此，APE處理后合金具有更高的降解抗性。Liu等[42]將Mg-Gd-Zn-Zr鑄態(tài)及熱處理態(tài)合金的降解性能進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)合金的降解速率主要受基體與第二相之間產(chǎn)生的微電偶腐蝕所影響。根據(jù)SKPFM以及高分辨率透射X射線層析成像(HRTXT)結(jié)果分析，鑄態(tài)合金中的共晶相具有最高的局部電位(290 mV)和體積分?jǐn)?shù)(42.8%)，因此，在共晶相和Mg基體之間存在顯著的微電偶效應(yīng)。然而，經(jīng)過(guò)T4處理后，鑄態(tài)合金中的共晶相轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)周期堆垛有序相(long period stacking ordered,LPSO)。相比于共晶相，LPSO相的局部電勢(shì)和體積分?jǐn)?shù)減小，分別為243 mV和27%，因此，第二相與Mg基體之間的微電流效應(yīng)明顯減小，經(jīng)T6處理后，析出物的彌散分布提高了α-Mg基體的電勢(shì)，從而降低了電勢(shì)差，減弱了微電偶腐蝕，提高了合金的降解抗性。

在體內(nèi)方面，Torroni等[43]將鑄態(tài)和熱處理態(tài)的WE43合金植入綿羊的頭蓋骨中，結(jié)果顯示，與鑄態(tài)合金相比，熱處理態(tài)合金表現(xiàn)出更優(yōu)異的穩(wěn)定性、更低的降解速率和促成骨性能?；诖耍梢酝茰y(cè)熱處理態(tài)合金的性能使其更適合用于斷裂部位。

3 變形工藝

除了優(yōu)化鎂合金的元素組成以及進(jìn)行熱處理以外，還可以通過(guò)塑性變形的方式來(lái)提升鎂合金的降解性能。塑性變形可以迅速改變析出物的尺寸以及分布方式，同時(shí)還可以改變晶粒度，通過(guò)抑制電偶腐蝕來(lái)調(diào)控降解速率。常見(jiàn)的塑性變形工藝主要有擠壓、軋制以及鍛造。

熱擠壓作為一種有效方式用來(lái)改善鎂合金的降解性能，Zhong等[10]發(fā)現(xiàn)合金中的部分長(zhǎng)條相，在熱擠壓過(guò)程中更容易破碎成顆粒，從而起到降低電偶腐蝕的作用。Zhang等[44]對(duì)比了鑄態(tài)和擠壓態(tài)的Mg-Y-Zn-Zr合金的降解性能，研究發(fā)現(xiàn)，擠壓態(tài)合金的降解抗性明顯高于鑄態(tài)合金。產(chǎn)生的原因在于，在擠壓過(guò)程中，Mg12YZn相破碎且彌散分布，阻礙再結(jié)晶晶粒的遷移，抑制晶粒的長(zhǎng)大，從而提高了降解抗性，降低了降解速率。Xu等[45]對(duì)比了不同擠壓比對(duì)Mg-Y合金在3.5%NaCl溶液中降解性能的影響。結(jié)果顯示擠壓后的合金晶粒明顯細(xì)化，并隨著擠壓比的增大，剪切帶流動(dòng)平行線越來(lái)越明顯，且平行線上分布著大量細(xì)小的等軸晶，使合金具有更高的降解抗性。Hou等[46]對(duì)比了鑄態(tài)與擠壓態(tài)Mg-3Sn-1Zn-0.5Mn合金在SBF中的降解性能。結(jié)果表明：電化學(xué)測(cè)試的降解速率由0.574 mm/a降至0.301 mm/a。產(chǎn)生的主要原因在于在熱擠壓過(guò)程中，Mg-3Sn-1Zn-0.5Mn合金發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，組織多為細(xì)小的等軸晶，并且對(duì)比鑄態(tài)合金，擠壓態(tài)合金的第二相并沒(méi)有明顯的增多，因此擠壓態(tài)合金表現(xiàn)出了更好的降解抗性。Gui等[47]對(duì)比了鑄態(tài)及擠壓態(tài)Mg-Gd-Zn-Zr-Mn合金在Hank’s溶液中的降解性能。擬合結(jié)果表明，擠壓合金的Rct明顯高于鑄態(tài)合金。鑄態(tài)合金第二相在晶界處呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擠壓態(tài)合金第二相沿?cái)D壓方向呈現(xiàn)小的粒子分布。材料的電化學(xué)降解速率由0.38 mm/a降至0.34 mm/a，降解形貌顯示：鑄態(tài)合金表面出現(xiàn)大面積降解，擠壓態(tài)局部點(diǎn)蝕，擠壓成型合金的大部分區(qū)域得到了很好的保護(hù)，并且隨著反應(yīng)活性的增加以及氧化膜在晶粒細(xì)化材料表面成核位點(diǎn)的增多，使得擠壓態(tài)合金可以更快地形成保護(hù)層。謝鑫等[48]研究了擠壓溫度對(duì)Mg-Gd-Y-Nd-Zr合金在Hank’s溶液中的降解機(jī)制，相比均質(zhì)化態(tài)合金，擠壓態(tài)合金晶粒尺寸大幅度減小，且隨著擠壓溫度的升高，晶粒度有上升的趨勢(shì)。析氫實(shí)驗(yàn)顯示，合金析氫降解速率先降低后升高，450 ℃時(shí)具有最低的降解速率。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有同樣的變化趨勢(shì)(隨著溫度的升高0→390→420→450→480 ℃，降解速率分別為1.117→0.649→0.596→0.684→0.875 mm/a)。其原因在于低溫?cái)D壓時(shí)組織分布不均勻，細(xì)晶與存在的部分粗晶易形成微電偶電池，外加基體與第二相之間的微電偶效應(yīng)，加劇鎂合金降解行為。而溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致晶粒度過(guò)大，同樣會(huì)加劇合金的微電偶腐蝕進(jìn)程。

Ding等[6]對(duì)擠壓態(tài)Mg-4Zn-0.2Ca合金在兔子體內(nèi)進(jìn)行了動(dòng)脈手術(shù)夾植入實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，合金發(fā)生了明顯的動(dòng)態(tài)降解行為，遠(yuǎn)離心臟部位的合金降解均勻，降解產(chǎn)物沉積在蜂窩狀降解坑中，抑制了進(jìn)一步的降解。分析其降解所產(chǎn)生的O,Ca,P,Zn,Mg等物質(zhì)均有益于血管的愈合，證實(shí)了鎂合金作為植入物的潛在價(jià)值。Miao等[49]將純鎂以及擠壓態(tài)Mg-2Zn-1Gd合金植入小白鼠體內(nèi)。植入10天后兩種合金的降解形貌都較均勻，隨著植入時(shí)間的延長(zhǎng)，可以發(fā)現(xiàn)許多嚴(yán)重的點(diǎn)蝕行為出現(xiàn)在兩種合金的表面，但與純鎂相比，擠壓態(tài)Mg-Zn-Gd合金具有更高的降解速率，擠壓態(tài)Mg-2Zn-1Gd合金的降解速率在第10天為(0.11±0.04) mm/a，在植入30天后降解速率達(dá)到了(0.31±0.01) mm/a。降解層主要元素為O和Mg，伴隨少量C,P,Ca的存在。降解層較厚，主要由于Zn和Gd元素的加入導(dǎo)致第二相的組成，從而加速了合金的降解。

Cao等[50]對(duì)比了在3.5%NaCl溶液中鑄態(tài)與多向鍛造態(tài)Mg-4Zn-2Gd-0.5Ca合金的降解速率。相比鑄態(tài)合金，多向鍛造態(tài)合金降解抗性得到了明顯的改善，并且隨著鍛造道次的增多(0→1→2→3)，降解速率先降低后升高(1.197→0.366→0.37→0.4 mm/a)，1次鍛造時(shí)合金具有最佳的電化學(xué)降解性能。降解形貌顯示隨著鍛造次數(shù)的增加，降解程度逐漸加重，1次鍛造時(shí)合金具有最佳的表面形貌。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以認(rèn)為是位錯(cuò)密度、晶粒尺寸和動(dòng)態(tài)沉淀的綜合作用。鍛造態(tài)合金發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且隨著鍛造道次的增加，再結(jié)晶晶粒會(huì)逐漸長(zhǎng)大。鍛造道次的增加也會(huì)導(dǎo)致第二相體積分?jǐn)?shù)增大，加速電偶腐蝕，從而起到降低降解抗性的作用。Harandi等[51]對(duì)比了不同鍛造條件下Mg-1Ca合金的降解速率，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)鍛造溫度(RT→250→350→450 ℃)升高時(shí)，在SBF中測(cè)得的電化學(xué)降解速率(4.501×10-5→4.341×10-5→8.569×10-5→1.29×10-4mm/a)呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。其產(chǎn)生原因是鍛造明顯減小了晶粒尺寸，但是溫度的升高會(huì)導(dǎo)致析出的第二相體積分?jǐn)?shù)增大，使得合金降解速率明顯升高。

Nene等[52]發(fā)現(xiàn)在300 ℃時(shí)對(duì)Mg-4Li-1Ca合金進(jìn)行熱軋時(shí)，可通過(guò)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)化晶粒尺寸，并且使共晶相(α-Mg+Mg2Ca)分布得更加均勻，從而實(shí)現(xiàn)提高降解抗性的要求。Bahmani等[53]發(fā)現(xiàn)在螺旋軋制過(guò)程中會(huì)形成動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒，并且隨著溫度的升高這些動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒會(huì)出現(xiàn)逐漸長(zhǎng)大的現(xiàn)象。同時(shí)伴隨著軋制溫度的變化，析出物數(shù)量也會(huì)發(fā)生改變，析出物的體積分?jǐn)?shù)會(huì)隨著軋制溫度的升高而降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在3.5%NaCl溶液中，300 ℃軋制時(shí)的合金具有最低的降解速率，而在過(guò)高以及過(guò)低溫度軋制時(shí)降解速率都會(huì)偏高。造成這一現(xiàn)象的主要原因是合金降解抗性受晶粒度以及第二相兩個(gè)方面耦合作用的影響，在300 ℃時(shí)析出物過(guò)多，第二相體積分?jǐn)?shù)在降解過(guò)程中占據(jù)主導(dǎo)作用，而在340 ℃時(shí)晶粒過(guò)大，晶粒度的影響相比于第二相占據(jù)主導(dǎo)作用。Han等[54]將軋制態(tài)HP-Mg植入兔股骨髁內(nèi)用作骨折固定，在對(duì)軋制態(tài)HP-Mg螺釘降解過(guò)程分析中顯示，該合金在兔股骨髁內(nèi)骨折固定中降解形態(tài)均勻，彎曲力充足，術(shù)后4周降解速率為(1.38±0.03) mm/a，螺紋表面沉積磷酸鈣以及氧化物。HP-Mg螺釘周圍的骨結(jié)合良好，在骨折間隙處，骨體積和骨密度增加，術(shù)后8周骨折愈合證實(shí)了HP-Mg螺釘具有較強(qiáng)的固定能力和促進(jìn)骨折愈合的作用，因此，HP-Mg作為固定裝置在關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手術(shù)中具有巨大的應(yīng)用潛力。

Gu等[55]將軋制態(tài)Mg-2Sr合金植入小鼠體內(nèi)，在植入4個(gè)月之后，其降解速率達(dá)到了(1.01 ± 0.07) mm/a，但在骨小梁和皮質(zhì)區(qū)域處僅種植體表面發(fā)生了局部降解，而棒的中心仍保持其完整性，且Mg-2Sr合金的植入促進(jìn)了植入物周圍新骨的產(chǎn)生與成型，證實(shí)了其臨床醫(yī)用價(jià)值。

4 表面改性工藝處理

鎂合金的降解性能不僅可通過(guò)調(diào)控晶粒度與第二相來(lái)改善，表面改性工藝處理也可作為一種有效方式用來(lái)調(diào)控鎂合金的降解進(jìn)程。其原理在于通過(guò)添加涂層作為物理屏障使鎂基體與腐蝕介質(zhì)分離，從而防止Cl-在鎂合金表面缺陷處的形核，實(shí)現(xiàn)抑制合金降解的目的。

Kennedy等[56]對(duì)比了涂覆等離子體電解氧化(plasma electrolytic oxidation,PEO)涂層前后Mg-7Y-1Zn合金在3.5%NaCl溶液中的耐腐蝕性能。結(jié)果顯示：電化學(xué)降解速率由最初3.54 mm/a降為0.99 mm/a，主要由于表面PEO涂層起著耐蝕層的作用，可防止Mg-7Y-1Zn合金在液體環(huán)境中的降解。

Jin等[57]將主要由二氧化錫和少量氧化亞錫組成的氧化膜濺射到生物醫(yī)用Mg-Y-RE合金上，在SBF溶液中電化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的降解速率由13.262 mm/a下降至0.038 mm/a。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因是涂層合金表面有一層(1.58 ± 0.08) μm厚濺射的表面膜，且基體與膜層之間具有極高的嚴(yán)密性，經(jīng)改性處理后的鎂合金表面被連續(xù)致密的膜層所覆蓋，產(chǎn)生的薄膜可以作為一個(gè)屏障，防止Cl-滲透進(jìn)入膜層之內(nèi)并于鎂合金表面缺陷處形核，從而最大限度地減少鎂基體的破壞。電化學(xué)阻抗譜同樣顯示涂層材料具有更高的阻抗，表明涂層的加入增強(qiáng)了鎂合金的耐蝕性能。

Prakash等[58]驗(yàn)證了HA鍍層的添加對(duì)Mg-Zn-Mn合金在SBF模擬體液降解性能的影響。結(jié)果顯示，添加涂層的材料降解速率大幅度降低，原因在于HA鍍層充當(dāng)了穩(wěn)定的阻擋層，從而提高了合金的降解性能。

Kuang等[59]將超疏水涂層電沉積到鎂的表面膜層上，并對(duì)比了不同沉積時(shí)間對(duì)鎂的表面形貌與在Hank’s溶液中電化學(xué)降解速率的影響。結(jié)果顯示：SEM形貌中(見(jiàn)圖5)含有超疏水涂層的材料被褶皺顆粒覆蓋成花狀結(jié)構(gòu)(豆蔻酸鈣)，當(dāng)沉積時(shí)間為5 min時(shí)，涂層較薄，且粗糙度為1.95 μm，隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)(0→5→10→15→20 min)，涂層表面的帶材顆粒被拉長(zhǎng)，表面粗糙度增加到5.85 μm。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)，降解速率出現(xiàn)了先降低后升高的現(xiàn)象(2.057→0.914→0.686→0.457→0.091→0.183 mm/a)。涂覆涂層后的材料降解速率較初始材料有了明顯改善，且隨著膜層厚度的增大，降解抗性改善得愈加明顯，該現(xiàn)象證實(shí)了超疏水涂層處理是增強(qiáng)鎂合金材料降解抗性的一種重要手段。

圖5 不同沉積時(shí)間下LDHs膜和超疏水涂層的SEM(1)與3D輪廓儀圖像(2)[59]

Shi等[60]在Mg-Nd-Zn-Zr合金添加了雷帕霉素洗脫聚鍍層，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的降解速率由最初的1.4×10-2mm/a降至8.91×10-4mm/a。隨后進(jìn)行了體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)，將涂層合金注入豬的動(dòng)脈處，冠脈內(nèi)超聲和OCT分析顯示無(wú)血栓形成且鍍層材料降解較慢。在兩個(gè)月時(shí)，支架結(jié)構(gòu)完整，僅部分出現(xiàn)折斷，3個(gè)月時(shí)，雖斷裂部位增多，但是支架結(jié)構(gòu)仍保持完整，直徑與兩個(gè)月時(shí)相當(dāng)，表明其具有良好的降解性能。

Wu等[7]進(jìn)行了有無(wú)微弧氧化涂層的鎂合金植入物在兔體內(nèi)外的降解實(shí)驗(yàn)。在體外，測(cè)得了材料在SBF溶液30 min的降解速率，發(fā)現(xiàn)含涂層材料能明顯降低合金降解速率，并且隨著涂層厚度的增加，材料的降解速率逐漸降低。體外細(xì)胞相容性結(jié)果顯示，微弧氧化涂層可以提高細(xì)胞的增殖速度。在植入實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在植入的第8周，無(wú)涂層材料已全部降解，而涂層材料多數(shù)維持在體內(nèi)，降解性能良好，且在種植體周圍可以明顯地觀察到新骨的生成，且損傷骨具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，這些結(jié)果表明微弧氧化涂層鎂合金材料具有成為骨移植替代物的潛力。

Li等[9]對(duì)比了有無(wú)添加MgF2涂層的Mg-Zn-Zr合金在SBF中的降解速率。結(jié)果表明，無(wú)鍍層的合金在開(kāi)始的3天出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑，并失重較大，20天后含涂層的合金表面保持完整，而無(wú)鍍層材料出現(xiàn)了大量降解的現(xiàn)象，30天后鍍層材料仍可見(jiàn)螺紋，無(wú)鍍層材料完全降解。隨后將兩種合金植入兔子股骨髁部進(jìn)行植入實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：含鍍層的材料降解速率較低，主要是由于鍍層被新生骨組織與鈣鎂磷酸鹽層覆蓋，從而提高了基體的降解抗性。Jiang等[61]將被MgF2包裹的Mg-Zn-Zr合金植入兔子體內(nèi)，結(jié)果顯示：MgF2涂層能有效降低Mg-Zn-Zr合金在體內(nèi)的降解速率，并且隨著涂層的降解，可促進(jìn)周圍新骨的形成，具有較高的醫(yī)用潛力。

Kim等[62]為提高鎂合金的降解性能以及增強(qiáng)其生物相容性，將不同濃度(20,50,100 ng/mL分別記為ALB20,ALB50和ALB100)的BMP-2(成骨蛋白)固定到鎂合金表面(微弧氧化(MAO)+水熱處理所形成的載體層中)，并在老鼠脛骨進(jìn)行了2～4周的體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)。大鼠脛骨植入2周和4周后的組織學(xué)分析顯示：種植2周后，在骨髓和經(jīng)表面處理的種植體之間發(fā)現(xiàn)有新骨層的形成；植入4周后，骨髓及骨結(jié)構(gòu)細(xì)胞愈合，且種植期間，經(jīng)表面處理的種植體未見(jiàn)炎癥細(xì)胞，但相比其他濃度下，ALB50組形成的新骨層更為均勻。根據(jù)生物可降解植入物植入大鼠脛骨2周和4周后3D形態(tài)與體積變化的分析，發(fā)現(xiàn)合金在種植2周后，各組種植體體積均較種植前減少(11.56 mm3)，且隨著B(niǎo)MP-2濃度的增加，降解體積進(jìn)一步減小。與其他組相比，ALB100組的樣本降解體積最低。此外，在3D圖像觀察到的退化形貌圖像中，除ALB20和ALB50基團(tuán)外，大多數(shù)基團(tuán)都表現(xiàn)出局部降解。結(jié)果表明，在LBL載體層(MAO涂層+水熱處理)上固定化BMP-2可以延緩鎂合金在體內(nèi)的降解速率，通過(guò)持續(xù)釋放BMP-2，可促進(jìn)骨形成，而成骨細(xì)胞的分化和骨成型的促進(jìn)程度取決于BMP-2涂層濃度。但是，考慮到合金的綜合性能，ALB50組由于降解速率最低，形成的新骨層最均勻，是應(yīng)用于骨科和種植牙的最理想的表面處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

醫(yī)用可降解鎂合金是目前所研究的最關(guān)鍵的生物材料之一，其降解性能的改善對(duì)其在臨床行業(yè)的應(yīng)用具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。本文綜述了微合金化、熱處理、變形工藝以及表面改性處理4種用來(lái)改善鎂合金降解性能的方式。但是，鎂合金作為人體植入物，其在人體內(nèi)往往處在比較復(fù)雜的受力狀態(tài)，鎂合金的其他性能(包括抗腐蝕疲勞性、生物相容性、腐蝕產(chǎn)物無(wú)毒性以及力學(xué)性能等)也應(yīng)得到充分的考量，因此，為了挖掘鎂合金體內(nèi)的發(fā)展?jié)摿?，可以從以下方面入手?/p>

(1)進(jìn)一步強(qiáng)化合金化理論研究，通過(guò)建立不同微合金化鎂合金與降解速率、降解形貌之間的數(shù)據(jù)模型，探究不同微合金化處理所產(chǎn)生的第二相及晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)鎂合金降解機(jī)制的影響，通過(guò)大數(shù)據(jù)對(duì)比，開(kāi)發(fā)新型鎂合金。

(2)開(kāi)發(fā)新型多功能鍍層，應(yīng)考慮涂層的滲透性、附著性以及降解性，在保護(hù)基體的前提下，鍍層在降解過(guò)程中無(wú)害并易被人體吸收。

(3)深度探究鎂合金基體與改性層界面、改性層與生物體界面之間的相互作用機(jī)制，揭示緩釋膜對(duì)鎂合金降解與活性的影響規(guī)律，以及生物活性與腐蝕降解性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。

(4)過(guò)去鎂合金的體外研究關(guān)注的是在理想、簡(jiǎn)化下的降解行為，當(dāng)前雖把研究重點(diǎn)調(diào)整到了SBF中，但實(shí)驗(yàn)需要在更接近人體環(huán)境中的條件下進(jìn)行降解行為的觀察，Hank’s,SBF等腐蝕介質(zhì)雖富含細(xì)胞，蛋白質(zhì)和酶等人體體液環(huán)境所含有的復(fù)雜因子，但都無(wú)法準(zhǔn)確反映鎂合金在人體內(nèi)的降解環(huán)境，需設(shè)定動(dòng)態(tài)環(huán)境來(lái)更好地模擬鎂合金的降解行為。