王闖等

摘要查閱近年來國內(nèi)外鎂合金生物相容性方面的相關(guān)文獻(xiàn)，從血液相容性、細(xì)胞相容性、組織相容性等方面對(duì)鎂基合金及其生物相容性研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞鎂合金； 生物相容性； 涂層； 表面改性； 醫(yī)用植入材料

中圖分類號(hào)S859文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）21-07034-03

Research Progress on Biocompatibility of Medical Magnesium Alloy and Coating

WANG Chuang，ZOU Yuhong et al （College of Chemical and Environmental Engineering，Shandong University of Science and Technology， Qingdao，Shandong 266590）

Abstract Referring to relevant literatures of magnesium alloy biocompatibility at home and abroad in recent years，from aspects of blood compatibility，cell toxicity and tissue compatibility，the research advance of magnesium alloy and biocompatibility were reviewed.

Key words Magnesium alloy； Biocompatibility； Coating； Surface modification； Bone implant material

目前，醫(yī)用可降解鎂合金逐步成為材料化工領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一。與目前臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料（如不銹鋼、鈷基合金和鈦合金等[1]）相比，可降解鎂合金擁有以下特性和優(yōu)勢：①鎂原料資源比較豐富，容易獲??；②人類骨骼的密度約為1.74 g/cm3，與鎂合金的密度相近；③鎂合金在比強(qiáng)度和比剛度上具有較大的優(yōu)越性，加工性能良好[2]；④鎂合金彈性模量較其他醫(yī)用金屬材料更接近人類骨骼的彈性模量，作為骨植入材料可以避免不利的應(yīng)力遮擋效應(yīng)[3]；⑤鎂合金具有良好的降解吸收性，避免了二次手術(shù)給病人帶來的痛苦以及其他毒副作用 [4]；⑥鎂是人體必需的常量元素之一，鎂合金植入材料中微量釋放的鎂離子可以促進(jìn)組織愈合，對(duì)人體有益。

然而，目前鎂合金作為醫(yī)用材料植入人體存在的較大問題是其腐蝕降解速度過快。如果鎂合金的腐蝕降解速度過快，將會(huì)導(dǎo)致以下問題：①析出氫的速度要比人體的容許值大很多；②植入部位的pH快速升高，使人體機(jī)能發(fā)生異常的反應(yīng)；③植入材料的抗疲勞強(qiáng)度、抗壓屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能會(huì)迅速劣化，失去力學(xué)完整性。綜合目前的研究現(xiàn)狀，為提高鎂合金的耐蝕性，主要的改善途徑有：表面改性、非晶化、材料合金化和變形加工。其中，表面改性（包括可降解高分子聚合物、生物活性陶瓷、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、陽極氧化膜、金屬鍍層和惰性生物陶瓷涂層）更能顯著改善鎂合金材料的耐腐蝕性能，進(jìn)而改善其生物相容性[5]。

生物相容性評(píng)價(jià)是所有生物材料進(jìn)入臨床應(yīng)用前所必須進(jìn)行的一項(xiàng)工作，良好的生物相容性是材料植入的安全保障[6]。因此，必須對(duì)鎂合金植入材料進(jìn)行完整的生物相容性評(píng)價(jià)。目前，主要是通過體內(nèi)試驗(yàn)和體外試驗(yàn)的方式來評(píng)價(jià)生物材料的生物相容性。其中，體外試驗(yàn)的研究模式更為接近材料應(yīng)用時(shí)的生理狀態(tài)，可靠性高[7]。筆者針對(duì)不同評(píng)價(jià)方法對(duì)近些年在鎂合金生物相容性方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1醫(yī)用鎂合金生物相容性研究

隨著醫(yī)用鎂合金的研究進(jìn)程，針對(duì)其生物相容性的評(píng)價(jià)方式，具體的工作主要有血液相容性研究、細(xì)胞毒性研究和組織相容性研究。綜合這些方面的研究評(píng)價(jià)，可以很好地反映鎂合金用于臨床上的安全性。

1.1血液相容性研究作為生物相容性評(píng)價(jià)的重要組成部分，血液相容性的研究結(jié)果是鎂合金能否作為新型醫(yī)用材料推廣使用的關(guān)鍵。為了研究經(jīng)表面處理后純鎂的血液相容性，高家誠等[8]將99.99%純度的純鎂經(jīng)切割、打磨和清洗后，在500 ℃溫度下保溫10 h再空氣冷卻，然后將試樣在氯仿/硬脂酸混合溶液（0.1 mmol/L）中浸泡約1 h，取出靜置30 min。對(duì)純鎂和表面處理后的純鎂進(jìn)行溶血檢測，結(jié)果表明未經(jīng)處理的純鎂試樣在試驗(yàn)中溶血較為嚴(yán)重，而經(jīng)熱處理一有機(jī)膜改性和熱處理過的試樣的溶血率分別為0%和22%，均在生物材料允許的溶血范圍（<5%）內(nèi)。因此，經(jīng)過表面改性的純鎂在溶血方面有了很大的改善，有望作為醫(yī)用生物材料使用。

在鎂合金的血液相容性方面，也有很多學(xué)者做了相關(guān)研究。Gu等[9]利用一定的工藝將9種不同的元素（Al、Ag、Sn、Y、Zn、In、Mn、Zr和Si）分別制成了二元鎂合金，通過溶血試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鎂合金相對(duì)純鎂溶血率更低，而且血小板的黏附數(shù)量也更少，表現(xiàn)出良好的血液相容性。為考察MgZnCa鎂合金材料的血液相容性，陳克勤[10]曾采用體外非直接接觸的方法進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)MgZnCa三元鎂合金的溶血率能滿足生物材料對(duì)溶血率的要求（<5%），約為0.79%，這說明未發(fā)生溶血，該三元鎂合金材料對(duì)血液紅細(xì)胞沒有破壞作用，其血液相容性良好。因此，在純鎂材料中適當(dāng)?shù)靥砑雍辖鹪啬軌蛴行У馗纳破湓谌苎系男阅堋?/p>

然而，并非所有鎂合金都有較好的血液相容性，在這種情況下對(duì)鎂合金進(jìn)行生物涂層以改善其血液相容性的研究成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。郭磊等[11]以鑄態(tài)AZ31B鎂合金和經(jīng)堿熱處理及恒電壓陰極電沉積法制備的CaP/AZ31B鎂合金材料為考察對(duì)象，溶血試驗(yàn)過程如下：分別取體積為1 ml的雙蒸水、生理鹽水和鎂合金浸提液做樣品，隨后向3個(gè)樣品中各加入稀釋的兔血懸液（2%）1 ml，水浴（37 ℃）1 h后，離心取上清液1 ml分別加入Na2CO3溶液（0.2%）3 ml，使用722型分光光度計(jì)測定各樣本的OD540 nm值，計(jì)算溶血率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于未涂層的AZ31B鎂合金，其浸提液中Mg的含量非常高，約為正常值的30倍，而且其溶血率為69%，溶血現(xiàn)象嚴(yán)重；而經(jīng)涂層處理的Ca-P/AZ31B合金的浸提液中Mg含量處于正常范圍內(nèi)，其溶血率為2.5%，符合國家標(biāo)準(zhǔn) （<5%）。由此可見，經(jīng)CA-P涂層后，鎂合金降解產(chǎn)物的釋放速度大大降低，從而使鎂合金在血液相容性方面有了很好改善。生物涂層的方式還有很多，李綺等[12]通過化學(xué)轉(zhuǎn)化的方法成功制備了氟涂層的AZ31B鎂合金，并結(jié)合體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氟涂層能夠很好地降低AZ31B鎂合金的溶血率，因此氟涂層的添加能夠幫助改善鎂合金的血液相容性。

為了探討鎂合金浸提液與溶血率之間的關(guān)系，陳旭瓊等[13]發(fā)現(xiàn)當(dāng)鎂合金浸提液的稀釋度分別為1%、2.5%、5%、10%、25%、50%和100%時(shí)，其溶血率分別為-0.3%、03%、6.2%、11.8%、33.8%、66.7%和65.3%，鎂離子濃度與稀釋度呈負(fù)相關(guān)；此外，對(duì)于稀釋度分別為100%、50%、25%、10%、5%和2.5%的鎂合金浸提液，其pH差異不顯著（P>0.05），但均高于稀釋度1%的浸提液（P<0.05）。因此，在鎂合金體外溶血試驗(yàn)中鎂離子濃度和pH直接影響鎂合金的血液相容性。

另外，關(guān)于鎂合金對(duì)凝血的影響，也有學(xué)者做過相關(guān)研究。黃晶晶等[14]以純鎂、316L不銹鋼和AZ31B鎂合金為考察對(duì)象，采用體外試驗(yàn)法測定了3組樣品的血漿復(fù)鈣時(shí)間、凝血酶原時(shí)間以及動(dòng)態(tài)凝血時(shí)間，對(duì)比測定結(jié)果后發(fā)現(xiàn)：①以凝血酶原時(shí)間為指標(biāo)時(shí)，3種材料的抗凝血性能順序?yàn)椋篗g

總而言之，在血液相容性方面，鎂合金的溶血率較純鎂要低，應(yīng)用性更強(qiáng)，但要進(jìn)一步改善其血液相容性，還需要對(duì)其進(jìn)行表面改性，可以通過各種方式在其表面進(jìn)行涂層。

1.2細(xì)胞毒性研究體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)同樣是評(píng)價(jià)植入材料生物相容性的重要組成部分，其研究結(jié)果直接關(guān)系到生物植入材料的可行性及前景。陳克勤[15]將L929細(xì)胞與不同濃度的Mg-Zn-Ca鎂合金浸提液進(jìn)行接觸式培養(yǎng)，并以MTT比色法為主要測定方法，評(píng)價(jià)該鎂合金材料的細(xì)胞毒性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)2、4和7 d的鎂合金浸提液試驗(yàn)組，其細(xì)胞相對(duì)增值率（RGR）與生理鹽水陰性對(duì)照組均無顯著差異。由此可見，該鎂合金材料的細(xì)胞相容性良好，不存在影響細(xì)胞正常生長代謝的毒性作用。Wang等[16]發(fā)現(xiàn)鈣鎂鋅合金材料浸提液對(duì)培養(yǎng)的L929細(xì)胞沒有細(xì)胞毒性作用，表明該合金材料的細(xì)胞相容性良好。Huan等[17]利用體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)研究鎂鋅鋯合金ZK30時(shí)發(fā)現(xiàn)其對(duì)骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的生長沒有明顯的細(xì)胞毒性作用。

為了提高鎂合金的生物相容性，也有不少學(xué)者對(duì)表面改性后的合金進(jìn)行細(xì)胞毒性研究。Xu等[18]以磷酸鈣涂層的鎂合金材料為研究對(duì)象，在體外細(xì)胞（L929細(xì)胞）增殖試驗(yàn)中，通過評(píng)價(jià)細(xì)胞的生長率、增殖特征以及黏附特性發(fā)現(xiàn)磷酸鈣涂層的鎂合金的細(xì)胞相容性大為提高。耿芳等[19]采用低溫化學(xué)沉積的方法成功制備了具有生物活性的Ca3（PO4）2涂層的鎂合金材料支架，并利用單細(xì)胞凝流式細(xì)胞術(shù)（ECM）、膠電泳技術(shù)（SCGE）和MTT比色法進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鎂合金支架經(jīng)表面處理后未呈現(xiàn)出細(xì)胞毒性的作用，并證實(shí)支架（β-TCP處理）的浸提液沒有損傷細(xì)胞中的DNA，也沒有影響細(xì)胞的周期。郭磊等[20]以MTT比色法為手段，并結(jié)合體外直接接觸式的細(xì)胞毒性試驗(yàn)，評(píng)價(jià)成骨細(xì)胞合成堿性磷酸酶（ALP）的活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn) AZ31B合金材料有氧化膜和無氧化膜與正常情況相比無顯著差異，從而證實(shí)AZ31B材料和氧化膜對(duì)成骨活性和成骨細(xì)胞的增殖沒有毒性作用。這表明鎂合金陽極氧化膜具有良好的生物相容性，可用于鎂合金表面改性研究。

對(duì)醫(yī)用鎂合金及其涂層的細(xì)胞毒性研究，還有很多學(xué)者做了大量工作，但研究普遍證實(shí)醫(yī)用鎂合金對(duì)細(xì)胞的增殖基本無毒害作用，另外，經(jīng)表面改性處理還可以改善鎂合金的生物相容性，對(duì)細(xì)胞增殖有一定的促進(jìn)作用。

1.3組織相容性研究組織相容性研究主要體現(xiàn)在動(dòng)物試驗(yàn)方面，通過體內(nèi)植入、觀察炎性反應(yīng)和病理切片等手段來考察鎂合金及其涂層的組織相容性，是目前較為普遍的研究方式。

黃晶晶等[14]在大鼠背部脊柱兩側(cè)部位植入處理過的鎂材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在1周和3周樣品植入部位的周圍均檢測到Ca和P元素，認(rèn)為有微量類骨質(zhì)在植入鎂材料的周圍形成，說明鎂材料可以在一定程度上增強(qiáng)骨的誘導(dǎo)能力。陳克勤[21]曾對(duì)鎂鋅鈣合金生物材料在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行過肌肉埋植試驗(yàn)，埋植時(shí)間分別為7、14、30、45和60 d，通過觀察組織病理切片發(fā)現(xiàn)所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的腎臟、肝臟和心臟都未出現(xiàn)明顯異常。

經(jīng)生物涂層后的鎂合金在動(dòng)物體內(nèi)植入研究中也表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。郭磊等[11]將AZ31B合金和涂層處理了的CaP/AZ31B合金材料分別植入家兔1、4、8周后，通過SEM觀察發(fā)現(xiàn)在體內(nèi)植入4周后，未涂層的AZ31B合金的表面出現(xiàn)了些許裂隙和片狀疏松氧化層，所以單純的AZ31B合金作為植入材料的耐腐蝕性能不夠理想，而在涂層處理過的CaP/AZ31B合金的表面上，分布著一層類似物理屏障的均勻CaP顆粒，它既能減慢降解介質(zhì)進(jìn)入材料，又能減緩植入材料降解產(chǎn)物的釋放；另外，通過HE染色觀察植入材料周圍的骨癡組織和肌肉的生理狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，在2只家兔的體內(nèi)植入部位觀測到明顯的水腫現(xiàn)象，炎性反應(yīng)為Ⅳ級(jí)，且這2只家兔均屬于未經(jīng)涂層處理的AZ31B合金組；而經(jīng)涂層處理的Ca-P/AZ31B合金組雖然也伴隨有一定的炎性反應(yīng)發(fā)生，但其等級(jí)并未超過Ⅲ級(jí)，符合Ⅲ級(jí)以內(nèi)的國家標(biāo)準(zhǔn)。此外，苗波等[22]采用微弧氧化法成功制備了鈣磷涂層鎂合金和鈣磷銀涂層鎂合金植入體，并且與未經(jīng)處理的鎂合金植入材料一起植入了哈爾濱大白兔的下領(lǐng)骨部位，創(chuàng)造相同的條件飼養(yǎng)術(shù)后的動(dòng)物，在創(chuàng)口一期愈合過程中均未出現(xiàn)明顯的感染和炎性反應(yīng)，通過對(duì)第4、8、12周試驗(yàn)兔進(jìn)行肝腎病理切片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2種涂層鎂合金植入材料對(duì)肝和腎的生理狀態(tài)均未造成不利影響，說明其組織相容性良好，向鎂合金植入材料中添加一定劑量的銀離子是安全的，而且經(jīng)表面涂層改良后的鎂合金植入體還能夠在一定程度上促進(jìn)新生骨組織的形成。

另外，還有一些學(xué)者從致敏反應(yīng)的角度來研究鎂合金的組織相容性。吳婕等[23]和陳旭瓊等[24]分別考察覆膜AZ91D鎂合金材料和AZ31B鎂合金材料的生物相容性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2種鎂合金植入材料均未出現(xiàn)明顯的致敏作用，生物相容性良好。Witte[25]等以4種鎂合金植入材料（LAE442、AZ91、WE43和AZ31）為考察對(duì)象，通過豚鼠皮膚致敏反應(yīng)和病理活性檢測發(fā)現(xiàn)4種不同的鎂合金植入材料均未引發(fā)皮膚過敏反應(yīng)，在材料植入安全上是可靠的。

從關(guān)于鎂合金及其涂層組織相容性的研究中發(fā)現(xiàn)，不論是在炎性反應(yīng)和病理切片觀察上還是從致敏反應(yīng)的角度出發(fā)，鎂合金及其涂層均表現(xiàn)出良好的組織相容性，為其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供了可能。

2小結(jié)

鎂基合金作為目前新型醫(yī)用植入材料的發(fā)展對(duì)象，具有較多的優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)其生物相容性的研究變得越來越重要。通過對(duì)近年來有關(guān)鎂合金及其涂層生物相容性研究的回顧，可以發(fā)現(xiàn)：①與純鎂相比，鎂合金作為醫(yī)用植入材料在生物相容性方面擁有更大的優(yōu)越性，并且具有一定的誘導(dǎo)成骨能力；②盡管有研究表明鎂合金在血液相容性及細(xì)胞毒性方面還有一些不理想的地方，但對(duì)其進(jìn)行表面改性的研究已取得長足進(jìn)展，改性后的鎂合金各方面檢測結(jié)果均符合醫(yī)用植入材料的要求；③目前，對(duì)鎂基合金材料在生物相容性方面的影響因素及作用機(jī)理研究相對(duì)較少，這有可能成為今后的研究重點(diǎn)；④在新型醫(yī)用植入材料的開發(fā)方面，研究鎂合金及其涂層生物相容性問題并將其在臨床上應(yīng)用，具有相當(dāng)大的研究價(jià)值。

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