亟须解决可降解生物镁合金临床应用问题

     近年来，以生物可降解镁合金为主要代表的具有生物可降解（吸收）特性的新一代医用金属材料的研究受到了人们的特别关注。这类新型医用金属材料巧妙地利用镁合金在人体环境中易发生腐蚀（降解）的特性，来实现金属植入物在体内逐渐降解直至最终消失的医学临床目的。生物可降解镁合金的医学临床应用，可大大提升现有金属植入器械具备的医疗功能，并可能产生新的医疗效果，从而给广大病患者带来新的福音。同时，将对骨科修复和心血管疾病治疗产生革命性影响，在金属植入器械的应用和发展中具有里程碑式的重要意义。为此，中国船舶重工集团公司第七二五研究所张文毓从可降解生物镁合金的前景、研究现状和应用几方面对可降解生物镁合金的应用进展进行了全面综述，希望通过本文加强大家对可降解生物镁合金的了解。

    镁合金为最适宜医用金属材料

    用于临床生物医用材料主要有生物医用金属材料、无机材料、高分子材料、复合材料、及仿生材料等。医用金属材料与高分子材料和陶瓷材料相比，具有较高的强度、韧性和加工性能，因此应用最为广泛。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、锆等。但临床应用表明，以上材料均存在一些弊端：在人体内放出毒性金属离子，导致受体体内发炎，从而降低生物相容性；弹性模量大多无法很好地与人骨相近，导致应力遮挡效应，从而减少对新生骨组织生长和重塑的刺激作用，最后致使植入体的不稳定；目前临床使用的医用金属材料均为不可降解材料，当植入体在人体内的服役期满后，必须通过再次手术取出，将增加患者的痛苦及医疗费用负担。但在近几十年的研究发现，镁合金是能克服以上不足的新型生物医用植入材料。

    镁合金作为骨折内固定材料的优势明显，镁的弹性模量和屈服强度与人骨更接近，能够有效地避免应力遮挡效应，如果作为植入材料，可以避免二次手术的可能性。同时，镁是人体新陈代谢和骨组织中的基本元素，微量释放对人体有益，具有非常低的平衡电极电位，特别是在含有Cl-离子的溶液中易被腐蚀而降解。大量的研究认为，镁合金具有很好的生物相容性，镁合金植入并未对动物机体的循环免疫、泌尿系统产生负面影响，并且镁对骨膜组织和骨的沉积变硬有积极作用。因此，镁被誉为“革命性的金属生物材料”而受到全球高度瞩目，可以预见，在未来的3~5年内，可降解医用镁合金材料将有望应用于临床，造福广大病患者。

    可降解生物镁合金研究处于初级阶段

    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两个基本条件，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。所以，可降解镁合金在生理环境下的腐蚀降解过程和机制、过程控制方法、骨诱导性能的机理研究、生物相容性等问题还亟待进一步解决。

    目前医用镁合金研究开发的热点是提高镁合金的耐蚀性能，控制其腐蚀速率，主要方法有：提高镁合金纯净度、合成保护性膜层或涂层、快速凝固工艺、离子注入和激光处理等表面改性技术这几个方面。合成保护性膜层或涂层、离子注入和激光处理等表面改性技术是今后研究的重点方向。相信，随着深入与系统的研究，镁及其合金作为医用植入材料的优势将会进一步展现，其临床应用领域也将会更加开阔。

    基础研究向临床转化存在诸多问题

    目前国际上已经有多种多样的镁合金医学制品，包括板材、棒材、管材、多孔泡沫、复合材料、骨钉和血管支架等多种形式，充分显示了镁合金医学制品的良好加工成型性能和应用潜力。这些制品主要应用有骨折固定材料、矫形材料；牙种植体材料；口腔修复材料；骨组织工程多孔支架材料等。

    尽管目前已有动物体内及人体临床实验，然而绝大多数为商用镁合金，缺乏生物安全性。作为生物医用材料，在设计时必须考虑材料的生物安全性、强韧性、耐蚀性（特别是类似于均匀腐蚀降解方式）。因此，需要设计具有生物安全性、高强韧性、耐蚀性和腐蚀均匀性的新型生物医用镁合金。同时，需要对其强韧性设计制备理论、在体内的降解代谢机制及体内降解产物的生物安全性、降解行为的可控性等方面进行系统深入的研究，进而为可降解生物医用镁合金的临床医学应用提供更加可靠的科学依据。

    镁合金加工工艺的飞速发展给医用镁合金植入材料的研究和临床应用带来了新的机遇和挑战。国内外科学家对医用镁合金材料进行了多年的探索，取得了很多可喜的成绩。中国的镁合金医用植入材料研究方面数量走在世界的前列，但目前主要表现在学术论文的发表上，即停留在基础研究阶段，从基础向临床的转化过程还要面临许多问题，需要广大医用材料研究者的共同努力，推动医用镁合金材料早日投入临床应用，造福广大患者。

    2013年9月9日，上海交大一项新材料研究成果被国际学术媒体报道：一种可在动物体内完全降解的新型镁合金材料，有望被用来制造新一代的心血管支架。近年来，上海交大丁文江教授领导的轻合金精密成型国家工程研究中心团队致力于可降解医用镁合金材料的研究，在可控降解心血管支架用镁合金材料和骨修复用高强韧医用镁合金材料方面均取得了突破性进展，研发了具有自主知识产权的医用镁合金JDBM（JiaoDaBioMg）系列，目前均已进入大动物试验阶段。

    近10年来，从概念提出起，可降解镁合金研究在国际上就一直非常活跃且发展迅速，现已逐渐进入到医学临床应用的研究阶段。我国在可降解镁合金研究方面与国际发展同步，总体研究水平处于国际领先，具有一批完全自主知识产权的技术成果。然而，我国可降解金属领域研究，尤其是临床应用研究正在面临严峻的挑战。

    镁合金具有优良的综合力学性能、与人体良好的生物相容性以及生物可降解吸收性等特点，采用镁合金制备的新型医疗器械具有巨大的潜力和广阔的市场前景。但截至目前，还没有镁合金相关的医疗器械得到各个国家药监局的批准上市。这主要是源于目前从材料到产品的研发过程还有许多问题亟待解决，包括：镁基医疗器械的腐蚀降解速率调控、力学性能衰退及建立可降解金属的生物相容性评价标准等。我国镁资源丰富，医用镁合金及其医疗器械制品的研发已被列入国家各类研究计划，形成了医用镁合金的战略产业联盟，开展镁合金医疗器械的多学科交叉研究，相信在不久的将来，镁合金在医用领域的应用将进一步扩大，并对我国生物材料产业的发展产生巨大的推动作用，同时在世界上出现具有我国自主知识产权的可降解镁合金系列医疗器械产品。

    镁合金最终能否成为医用生物材料并应用于临床，材料的安全性、足够的力学性能和降解速率的可控性是必须满足的三个基本条件。一些新开发的医用镁合金，由于其中加入了其它元素，这些元素将对人体产生怎样的影响，仍然需要进行大量的研究；另一方面，镁合金生物植入材料在人体内的降解速度要与组织新生或愈合的速度严格匹配，这就要求我们继续深入研究镁合金在人体不同部位降解的机理和控制方法。同时，为了实现镁合金在医疗领域的应用，建立以生物体内外实验为基础的数据收集和评价方法也应成为生物镁合金材料研发过程中不可忽视的一个重要方面。

    镁合金以其优良的机械性能、良好的生物相容性和可降解性能，表现出巨大的潜力，不断吸引国内外学者的目光，成为当今研究的热点之一。但作为新一代的硬组织材料，镁合金的研究才刚刚起步。若要将镁合金作为医用材料应用于医学领域，对镁合金的物理、化学、生物性能也提出了更加严格的要求。特别是当植入不同部位时，要求也有差异。但相信随着科学技术的进步和研究的进一步深入，镁合金产品会越来越广泛的为人类应用，为人类造福。