镁合金作为生物医用材料的潜在优势
医用镁及镁合金材料表面改性的应用
医用镁及镁合金材料表面改性的应用摘要镁是可被人体吸收的常量元素, 且具有较高的比强度和比刚度, 在医用植入材料领域具有广阔的应用前景。
本文综述了医用镁及镁合金作为生物医用材料的表面改性技术的研究现状。
关键词：镁合金；表面改性；生物医用材料1 镁及镁合金作为医用材料的优点1.1 优良的机械性能镁属于轻金属，在现有的工程用金属中密度最小，仅为 1.74 g/cm3，并且与人骨的密质骨密度(1.80 g/cm 3)极为接近。
其导热率好，无磁性，对CT 或磁共振图像干扰小。
镁及镁合金的机械性能比其他常用金属材料更接近天然骨，如用作植入材料，其适中的弹性模量能够有效缓解应力遮挡效应，对骨折愈合、种植体的稳定具有重要作用。
镁合金具有很好的流动性与快速凝固率，尺寸稳定性好，是良好的压铸材料，且容易切削加工。
1.2 生物活性、介导成骨作用及生物相容性镁是人体必需的元素，人体含量仅次于钾、钠、钙，几乎参与人体所有的新陈代谢活动。
镁也是组成骨的主要成分，能促进骨、牙齿及细胞形成并在骨的矿物质代谢中起重要的调节作用。
含有镁离子的生物陶瓷种植体、胶原的表面成骨细胞黏附增加，整合素表达及信号传导蛋白基因表达增高，骨整合能力增强。
镁基种植体较聚乳酸表面有更多钙磷酸盐形成，周围骨量增加，提示高浓度的镁离子可提高成骨细胞的活性；在体外环境中镁可促进磷酸钙沉积，增加介导成骨作用，同时改善原位耐蚀性。
1.3 可降解性镁的标准平衡电位为-2.34 V ，低于其他工业合金；氧化膜疏松多孔，不能对基体起到良好的保护作用，尤其是在含有氯离子的腐蚀介质中，呈示出较高的化学和电化学活性，作为可降解材料具有其天然优势。
2 存在的问题镁及镁合金的耐蚀性能较差，很容易发生点蚀，在有Cl-存在的环境中腐蚀速率更快，且在周围介质的pH值低于11.5时，镁合金在人体内的腐蚀会加快。
人体内的pH值约为7.4，在手术后的人体代谢吸收过程中可能会引起人体内二级酸液过多症，使体内环境的pH值低于7.4 ，所以镁合金作为植入材料在体内会加速腐蚀。
生物医用镁合金的腐蚀与防护研究进展
生物医用镁合金的腐蚀与防护研究进展摘要由于具有优异的力学性能、生物相容性和可降解性，镁及其合金成为一种极具潜力的生物医用可降解金属植入材料，并且是目前该领域的研究热点。
但由于镁及其合金具有较快的腐蚀速率，严重制约了其在临床上的应用。
因此开发高强度、高韧性、高耐蚀且降解行为可控的高性能镁合金迫在眉睫。
本文结合近五年积累的众位科研人员关于医用镁合金腐蚀与防护的研究资料，在此基础上综述了生物医用可降解镁合金的最新研究进展，分别详细介绍了镁及其合金作为生物医用材料的优势与不足、腐蚀机理，腐蚀的表征技术和腐蚀的防护技术的相关研究，并一定程度上分析了未来医用镁合金发展中需要解决的问题和未来发展方向。
关键词：镁合金；生物医用；腐蚀；防护ABSTRACTDue to the excellent mechanical properties, biocompatibility and degradability, magnesium and its alloys become a potential biomedical degradable implant materials, which is the research focus in the field.However , the corrosion rate of magnesium and its alloys is faster,which severely restrict its clinical application.So the development of high strength, high toughness, high corrosion resistance and controllable degradation behavior of high performance magnesium alloys is bining with nearly five years of accumulation of medical research data about corrosion and protection of the magnesium alloy which is made by researchers , on which this paper summarizes the latest research progress of magnesium and its alloys was introduced in detail, such as the advantages and disadvantages of biomedical materials, corrosion mechanism, characterization of corrosion and corrosion protection technology research, and to some extent, the analysis of the problems need to be solved in the development of future medical magnesium alloys and the future development direction.Key Words:magnesium alloys ; biomedical;corrosion ;protection文献综述作为材料的一个重要分支，生物医用材料(Biomedicalmaterials)的发展和应用关系到人类的生命健康和社会文明的进步，正吸引着越来越多的关注。
生物医用材料力学镁合金
生物医用材料力学镁合金随着生物医学领域的不断发展和进步，材料科学在医疗器械和人工植入物方面起到了至关重要的作用。
力学镁合金作为一种具有优异生物相容性的材料，受到了广泛关注和研究。
力学镁合金是由镁和其他合金元素如钙、锌、锰等组成的复合材料。
镁作为第七大元素，具有重量轻、强度高、生物相容性好等优点，因此在生物医学领域有着广泛的应用前景。
而添加其他合金元素可以进一步改善材料的性能，如增加硬度、耐腐蚀性和生物降解性等。
力学镁合金具有优异的生物相容性。
生物相容性是指材料与生物体组织之间相互作用的能力。
力学镁合金具有与人体骨骼和软组织相似的密度和弹性模量，能够减少对周围组织的刺激和排异反应。
此外，镁合金还可以促进骨细胞的生长和再生，有利于骨骼修复和植入物的稳定性。
因此，力学镁合金在骨折修复、骨植入和人工关节等领域具有广泛应用前景。
力学镁合金具有良好的力学性能。
力学性能是指材料在外力作用下的变形和破坏行为。
力学镁合金具有较高的比强度和比刚度，能够承受较大的载荷和应力，同时保持良好的韧性和延展性。
这使得力学镁合金在医疗器械和植入物中能够承受人体复杂的力学环境，如骨骼运动和承载力等。
此外，镁合金还具有较好的耐腐蚀性，能够在体液和体内环境下长期稳定地工作。
力学镁合金具有良好的生物降解性。
生物降解性是指材料在生物体内逐渐分解和吸收的能力。
力学镁合金可以通过调节合金元素的含量和比例来控制其生物降解速度，从而满足不同临床应用的需要。
例如，在骨折修复中，力学镁合金可以逐渐降解为镁离子，促进骨细胞的生长和骨组织的再生。
而在人工植入物中，力学镁合金可以逐渐被周围组织所吸收，避免了二次手术取出植入物的需求，减少了患者的痛苦和风险。
然而，力学镁合金在应用过程中仍然存在一些挑战和问题。
首先，镁合金的腐蚀性较高，容易与体液中的氧、水和氯等发生反应，形成腐蚀产物。
其次，力学镁合金的加工性较差，难以制备出复杂形状和精密尺寸的植入物。
此外，镁合金的生物毒性和热稳定性也需要进一步研究和改进。
生物可降解医用镁合金市场应用情况及宜安科技业务布局分析
➢ 在体内腐蚀降解并充分吸收，避免二次手术 镁及镁合金材料和人体具有良好的生物相容性，避免了二次手术的痛苦以及创口，这点 对于面部整形手术具有较好的应用前景。
➢ 镁是人体中的常量元素，具有良好的生物相容性 镁骨钉在植入人体后，能够发生动态降解行为，其降解产物不会造成人体的过敏反应，
图表 28：创伤类理疗耗材场市场规模（亿元）
创伤类植入物耗材市场 160 140 120 100
80 60 40 20
0
同比 20% 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% 攀升（百万人）
65岁及以上人口 200 180 160 140 120 100
镁离子是人体第四大金属元素，成年人每天需要摄入 300-400 毫克的镁，过量的Mg 2 可
以通过尿液排出体外。同时，镁合金具有良好的细胞相容性，细胞可以在镁合金上有 效 地附着、扩散以及增殖。
➢ 良好的综合力学性能，与人体骨组织接近 相较于传统的钛合金、钴铬合金、不锈钢等传统的合金材料，镁及镁合金材料由于具有 与人体骨骼相匹配的密度以及弹性模量，能够很大程度上避免植入后产生的应力遮挡 效 应，即当两种或多种具有不同刚度的材料共同承载外力时，刚度较高的材料将会承 担较 高的载荷，而刚度较低的材料只需承担较低的载荷，导致应力集中在骨骼和植入 骨钉界 面上，从而降低骨钉的稳定性并抑制新骨骼生长。
主要问题在于过快的降解速率和气穴的产生：镁及镁合金可能因为过快的降解速率和较 严重的降解形貌导致患者恢复期前期固定作用不足，因而无法承担承重部位骨块的固定 ； 同时在体内由于镁化学性质活泼，电位较低(-2.37V vs SHE(标准氢电极))，在富含Cl 的 液体环境中，基体与第二相之间易形成原电池，产生电偶腐蚀，同时生成气体，化学
科技成果——微合金化医用可降解镁合金
科技成果——微合金化医用可降解镁合金成果简介常见的生物可降解材料有聚合物材料（如聚乳酸）、某些陶瓷材料（如磷酸钙）和金属材料等，其中聚合物材料的强度较低，而陶瓷材料的韧性较差。
近年来，以生物可降解镁合金为代表的新一代医用可降解金属材料的研究受到人们的关注。
镁合金的优势表现在：（1）镁（1.738g/cm3）及其合金（1.75-1.85g/cm3）密度低，不到医用钛合金密度的1/3，与人密质骨（1.75g/cm3）极其相近。
（2）镁及镁合金有高的比强度与比刚度，杨氏模量约为45GPa，不到医用钛合金弹性模量（109-112GPa）的1/2，与人体骨弹性模量最为接近，能有效缓解骨科植入物的应力遮挡效应。
（3）镁是人体所必需的一种重要元素，在人体的正常含量为25g，半数存在于骨骼中，它与生命的维持、身体的健康有着极其密切的关系。
（4）镁化学性质活泼，在人体环境极易腐蚀，可实现金属植入体在体内逐渐降解直至最终消失的临床医学目的。
但是由于其可降解的特性，镁合金中全部元素都将进入人体，其合金化元素的毒性问题就显得尤为重要。
目前用于研究的商用镁合金大都含有铝（Al）和稀土元素，人体对这些合金化元素的摄入存在一个安全范围，过量的Al的摄入会导致老年痴呆，而过量重稀土元素的摄入会很容易在脑中富集而表现出毒性作用。
基于元素毒性考虑的新型医用合金体系的设计与开发是亟待解决的问题。
针对现有技术中对镁合金的需求，本项研发出一种微合金化医用可降解镁合金及其制备方法，通过在镁基体中选择性的加入微量的无毒或低毒性的锶（Sr）、镧（La）、钕（Nd）、钆（Gd）、锆（Zr），构成了微锶-微稀土-微锆的新型镁合金体系；在高纯镁的基础上，通过微量加入Sr、La、Nd、Gd、Zr合金化元素达到了细化晶粒、增强增韧、提高耐腐蚀能力的作用；同时，有效控制植入体进入人体的各合金化元素的总含量，将其控制在生物安全范围内。
本发明的优点在于：（1）本发明所述的微合金化医用可降解镁合金，通过选用人体必需元素Sr以及低毒性元素La、Nd、Gd、Zr并控制元素添加量在较低水平，来降低医用可降解镁合金的生物毒性。
镁合金作为生物医用材料的潜在优势存在的问题及解决思路
镁合金作为生物医用材料的潜在优势、存在的问题及解决思路摘要近几十年来，镁及其合金在医疗领域的价值正飞速提升，应用也日益广泛，其作为硬组织植入材料与现有的各种临床金属植入材料相比有许多突出的优点[1]。
然而，镁合金当然也不完美，也存在缺点，令其应用受到限制[1]。
那么，这些优势和缺陷究竟是什么如何让其性能更完善呢本文就这些问题进行了简要论述。
然而由于笔者才疏学浅，加之时间仓促，文中疏漏之处在所难免，尚有待进一步修改和完善，同时敬请各位读者多多批评指正。
关键词：镁合金，医用材料，植入体，腐蚀一、引言目前的生物医用材料主要有部分金属材料、无机非金属材料、高分子材料、复合材料及仿生材料等[1]。
医用金属材料与高分子材料和无机非金属材料相比，具有较高的强度、韧性和加工性能，因此应用最为广泛[2]。
目前，临床应用的医用金属主要有不锈钢、钴基合金、钛合金、形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、镐等。
但临床应用表明，以上材料均存在弊端[3]，如：1.某些金属植入体含Al元素[4]。
该元素可对器官造成损伤，且能导致骨软化、贫血[5][6]、老年痴呆及神经紊乱等多种病症[5][6]；2.某些材料会在体内释放出毒性金属离子[1]，引起受体发炎和排异反应[7]；3.部分不锈钢植入体在生理系统环境中会发生缝隙腐蚀、摩擦腐蚀与疲劳腐蚀破裂等状况[8][9]，并因此释放出Ni2+、Cr3+及Cr5+等离子，同时造成假体松动，最终引起植入体失效[10]；4.相当一部分材料的弹性模量与人骨不够相近，例如：不锈钢的弹性模量约为200GPa，钛合金约100GPa[4]，而人骨仅10～40GPa。
这必然会导致应力遮挡效应，进而减少对新生骨组织生长和重塑的诱导作用[1]，并最终造成植入体的不稳定、组织愈合迟缓甚至植入失败等后果[1][11]。
5.不锈钢、钴基合金和钛基合金皆为生物惰性材料，在人体中不发生或仅发生微弱的化学反应，因而在生物环境中相当稳定[4]，无法自行降解[1]。
可降解镁合金优点
与其它常用金属基生物材料相比，镁及镁合金具有以下优势口]：具有比强度和比刚度较高、生物相容性和可降解性良好等特点(1)镁在人体内的正常含量为25g，半数存在于骨骼中。
镁及镁合金的密度远低于钛合金，与人骨密度接近。
(2)镁是人体细胞内的阳离子，其含量仅次于钾，镁参与蛋白质的合成，能激活体内多种酶，调节神经肌肉和中枢神经系统的活动，保障心肌正常收缩及体温调节。
(3)镁的标准电极电位低，在含有氯离子的人体生理环境中可腐蚀降解，在植入人体后随着人体的自愈合而被吸收降解，无需二次手术。
(4)镁及镁合金有高的比强度和比刚度，杨氏模量为41～45GPa，可有效缓解应力遮挡效应由于不锈钢、钴铬钼合金、钛合金等在人体组织中很容易磨损与腐蚀,产生对人体有害磨屑和金属阳离子(如Cr、Ni、V、Al等),导致毒性或者器件失效。
另外,不锈钢、钛合金弹性模量大,与骨不能良好地匹配而造成“应力遮蔽”效应,使骨的生长和发育得不到应有的刺激和强化,导致骨损伤部位骨质疏松和自体骨退化,甚至引发“二次骨折”。
目前常用的金属植入物是生物惰性材料,长期固定并留在人体组织中,有引发炎症的隐患,而且,治愈后如需拆除则要进行第二次手术,增加了治疗费用和患者的痛苦。
目前研究开发的生物可降解材料主要是聚合物材料和某些陶瓷,但是,聚合物材料的力学性能通常较低,而陶瓷材料的韧性较差。
镁合金缺点镁合金降解过快时有一定弊端，如组织愈合需要一定的时间，若镁合金降解较快，不能充分发挥其生物学作用，导致组织愈合不良，甚至治疗失败；而且，镁合金降解过程中的产物在组织周围大量聚集，不能较快被吸收，也会影响组织功能恢复。
提高镁合金耐体液腐蚀性能的途径主要有采用高纯镁合金、合金化、合金表面涂层和快速凝固工艺等。
可降解镁合金材料的研究目前处于起步阶段。
镁合金能否成为医用可降解材料，材料的安全性和降解速率的控制是2个基本条件：一方面，可降解材料生物相容性的系统评价是其成为医用材料的基础；另一方面，可降解生物材料要求材料降解速度与组织新生或者愈合速度之间匹配。
医用镁合金的优缺点以及局限性
据张小农介绍，他们研究的镁锌合金主要有五
降解速度控制问题仍待解决
整个研究过程也不是一帆风顺的。
张小农在研究中发现，镁锌合金这种
“作为当前生物材料研究的热门之一，我们研究的镁锌合金作为生物可
张小农说：“我们课题组已经创建了上海奥芮济医疗科技有限公司实施有关成果的实用转化，一些具有羟基磷灰石涂层的骨钉、髓内针等骨内固定器械预计将在本年度内研发完成。
而植入大动物的体内实验安排在明年初开展，此后6个月的植入实验研究结果出来后将会确定是否能进行下一步的人体实验。
我们希望未来的2~3年内可降解吸收生物镁锌合金能够走出实验室，制造出的各类医疗器械将走进普通人的生活中，从而提高人们的生活和健康水平。
”。
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镁合金作为生物医用材料的潜在优势、存在的问题及解决思路
材料科学与工程学院 5080519079 李梦露摘要：本文主要介绍了镁合金作为生物医用材料的优缺点，并针对缺点进行了分析，提出了解决方法。
关键词：镁合金力学性能生物相容性可降解性耐腐蚀性
一、潜在优势
镁合金作为生物医用材料，在力学性能，生物相容性和可降解性三方面具有突出的优势。
1.1力学性能
研究表明镁及镁合金有可能作为新的骨固定材料,因为镁及镁合金有高的比强度和比刚度,纯镁的比强度为133GPa/(g/cm3),而超高强度镁合金的比强度已达到480 GPa/(g/cm3),比Ti6Al4V的比强度(260 GPa/(g/cm3))高出近1倍。
镁及镁合金的杨氏模量约为45GPa,更接近人骨的弹性模量(20GPa),能有效降低应力遮挡效应。
镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3,与人骨密度(1.75g/cm3)接近,远低于Ti6Al4V的密度(4.47 g/cm3),符合理想接骨板的要求。
因而用镁及镁合金作为骨固定材料,能够在骨折愈合的初期提供稳定的力学环境,逐渐而不是突然降低其应力遮挡作用,使骨折部位承受逐步增大乃至生理水平的应力刺激,从而加速愈合,防止局部骨质疏松和再骨折。
镁合金，不锈钢以及人体骨骼的力学性能参数可以参见表1。
通过比较可以发现，不锈钢的弹性模量与人体骨骼材料弹性模量不匹配，会产生副作用，使骨骼强度降低，愈合迟缓。
而镁合金及纯美强度高，弹性模量与人体骨骼匹配，同时生物相容性也较好，是良好的骨固定材料。
1.2 生物相容性
毒性试验表明,镁合金浸提液无细胞毒性,不会显著降低成纤维细胞和成骨细胞的存活率。
与纯镁对比,镁合金溶血率更低,黏附的血小板数量也更少,因此适当添加合金元素,可以将镁基合金应用在骨骼和血管植入物材料方面。
此外，体外溶血率和细胞黏附试验结果证实其具有良好的生物相容性,并能加快前成骨细胞在合金表面的黏附。
理想的生物可降解吸收材料在体内应完全降解,且其降解产物对周围组织无害。
镁基合金毒副作用小且血溶速率大，具有良好的生物相容性。
1.3 可降解性
镁基合金在人体生理环境中可腐蚀降解,但是与其它类型的可降解材料相比,其具有明显高的强韧性和更优的加工性能。
由于体液中存在氯离子，同时镁元素在氯离子溶液中降解速率较快，于是镁基合金在生物体内具有可降解性。
另外，有实验表明，热处理状态可以改变镁合金在体内的降解速率，一般而言热处理的较铸态和锻态而言降低了点蚀发生倾向,降解速度更慢。
二、存在问题
镁及镁基合金作为生物医用材料，最大的问题是耐腐蚀性较差、
镁及镁合金的耐蚀性能较差,很容易发生点蚀,在有Cl-存在的腐蚀环境中腐蚀速率更快,且在周围介质的pH值低于11.5时,镁合金在人体内的腐蚀会加快。
人体内的pH值约为7.4,在手术后的人体代谢吸收过程中可能会引起人体内二级酸液过多症,使体内环境的pH
值低于7.4,所以镁合金作为植入材料在体内会加速腐蚀。
虽然镁是人体的常量元素,但吸收过量镁离子对人体也是有害的。
三、解决思路
为了解决镁合金在生物环境中的腐蚀性问题，主要采用了表面改性的方法。
通过表面改性，不仅可以提高每个进的耐腐蚀性能，降低生物降解速率，而且可以进一步提高其力学性能和表面生物活性，加快组织的愈合。
表面改性方法有沉积法。
等离子电解氧化法、微弧氧化和添加稀土元素法。
主要的作用是在镁合金表面形成一层致密的氧化物保护层，从而阻止镁和氯离子反应。
四、参考文献
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材料导报，2006，17（10）：67
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材料导报。
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镁基合金应用于生物医用材料的研究进展。
材料导报。
2010,3（24）：124。
【4】张佳，宗阳等。
镁合金在生物医用材料领域的应用和发展前景。
中国组织结构工程与临床康复。
2009,28（13）：5474
【5】任伊宾,杨村,梁勇．新型生物医用金属材料的研究和进展[J]．材料导报，2002,16(2):12-15.。