瑞士科学家从纳米尺度观察到人体植入镁合金降解速率

瑞士苏黎世联邦理工学院研究人员首次在纳米尺度上观察到生物医学应用的镁合金的腐蚀。这为更好预测人体植入物的降解,开发量身定制的植入物材料迈出重要一步。研究结果已发表在《高级材料》杂志上。

镁及其合金正越来越多地用于医学,它可以作为骨外科手术中的植入物材料,例如螺钉或钢板等;也可以作为支架材料,用以扩张在心血管外科中狭窄的冠状血管。

与不锈钢、钛或聚合物制成的常规植入物相比,轻金属具有生物可吸收的优势,因此不需要第二次手术就可以从患者体内取出植入物。镁还促进骨骼生长,从而有利于骨折愈合。

但是纯金属镁太软,因此不适合此类手术应用。为了获得必要的强度,必须添加合金元素,通常是稀土元素钇和钕。由于这些物质对人体而言是异物,因此它们可能会在拆除植入物时在人体内积聚,其后果尚难预料。对于儿童来说,这种植入物更是不适宜。

来自苏黎世联邦理工学院金属物理与技术实验室的约尔格·洛夫勒教授开发了一种新的合金家族,除了镁以外,还含有低于1%的锌和钙元素。这些元素与镁一样,具有生物相容性,可以被人体吸收。

根据制造工艺的不同,在新开发的合金中会形成由三种合金元素形成的沉淀。这些沉淀物的大小各不相同,通常只有几十纳米。但对于增强植入物材料良好机械性能必不可少,并且可能会影响材料的腐蚀速度。

然而,这些生物相容性镁合金的广泛外科手术应用仍面临障碍,主要是对在所谓生理条件下体内金属降解机理了解甚少。因此,无法获得这种植入物在体内保留多长时间的可靠预测。

洛夫勒教授及其同事借助分析透射电子显微镜(TEM),能够在几秒到几小时的模拟生理条件下,以前所未有的纳米分辨率详细观察镁合金的结构和化学变化。使用这项现代技术证明了以前无法获得的脱合金机制,该机制可确定镁基质中沉淀物的降解。

研究人员能够近乎实时地观察到钙和镁离子在与模拟体液接触时如何从排泄物中逸出,而锌离子仍然保留并积累。结果排泄物的化学组成连续变化,这也证明了它们的电化学活性在沉淀物中动态变化的事实,即加速了植入物材料的降解。

该研究主要作者,洛夫勒教授的博士生玛蒂娜·希霍娃称,“这种认识扭转了先前的教条。迄今为止都假设镁合金中析出相的化学成分在腐蚀过程中保持不变,这种假设导致大多数关于人体植入物持续时间的预测是错误的。”

由于有了新的发现,现在可以设计镁合金,从而可以更好地预测它们在体内的降解行为,并对其进行更精确的控制。这对儿童植入手术尤其必要,因为儿童体内的镁植入物降解速度比成人快得多。另外,支架用镁合金的降解速率明显慢于骨板或螺钉的降解速率。希霍娃表示:“凭借对详细腐蚀行为的了解,我们已经朝着为不同患者和医疗应用量身定制合金的目标迈出了关键一步。”

镁合金生物材料应用

随着现代科技的发展,越来越多的金属或合金被用做植入材料,镁及镁合金作为生物医用材料有很多优于其他金属的特点:镁不仅密度(1.74g/cm3)与人骨的密度(1.75g/cm3)相近,而且与其它金属相比弹性模量和抗压屈服强度更接近人骨;Mg在人体环境中可完全降解吸收,免去了二次手术给病人带来痛苦和负担;Mg是人体所必需的一种重要元素,在细胞中的含量仅次于钾,具有良好的生物相容性。

骨固定材料:目前,广泛应用的不锈钢和钦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能够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,防比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,对此己有大量研究报道。

血管支架:迄今为比,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。

多孔镁骨组织工程材料: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,其力学性能符合要求,且其本身具有生物活性,可诱导细胞分化生长和血管长入o Witte,Wen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而具有良好的发展前景。