作者:李惠钰 来源:中国科学报 发布时间:2013-1-23
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镁合金医用材料应用难题待解

 
我国医用镁合金领域中60%至70%的人都在做研究工作,真正能开发出产品的并不多。图片来源:素材精品屋
 
临床应用的生物体内可降解吸收材料主要是聚合物和某些陶瓷材料,如聚乳酸、磷酸钙等,但聚合物材料强度偏低,陶瓷材料的塑韧性又较差。
 
能够生物降解的医用金属材料就成为植入材料未来的研究与发展方向。如何尽快把它推向临床应用,是国内面临的最大挑战。
 
■本报见习记者 李惠钰
 
植入体内的金属材料能否完全降解并被人体吸收?
 
在近日召开的中德生物镁合金骨科产品临床前研讨会上,专家们认为镁合金是与人体骨骼具有最好生物力学相容性的金属材料,有望成为实现上述愿景的突破口。
 
然而,记者在采访中了解到,截至目前,国内还没有一项与镁合金相关的医疗器械产品得到国家药监局的批准上市。
 
中国科学院金属研究所专用材料与器件研究部主任杨柯对《中国科学报》记者坦言,镁合金植入体内仍然缺乏足够完整的生物安全性研究数据,在临床应用前还有许多技术难题亟待解决。
 
镁合金优势独特
 
生物体内可降解吸收材料是生物材料研究的热点。临床应用的生物体内可降解吸收材料主要是聚合物和某些陶瓷材料,如聚乳酸、磷酸钙等,但聚合物材料强度偏低,陶瓷材料的塑韧性又较差。
 
不锈钢、钛合金和钴铬合金等用于医用植入金属材料的优势在于其良好的耐腐蚀性,可在体内长期保持整体的结构稳定。然而,植入这些金属材料的“善后”工作,却让许多患者痛苦不已。
 
例如,治疗骨折使用的传统钢钉,长期存留在体内会因腐蚀导致有害金属离子溶出,引发人体过敏,病愈后需通过二次手术将其取出。金属心血管支架植入人体后会诱发炎症和血管内膜增生,为此患者不得不坚持长期服用抗凝血药物。
 
在北京大学工学院材料科学与工程系副主任郑玉峰看来,能够生物降解的医用金属材料就成为植入材料未来的研究与发展方向,而与人体骨骼密度最为接近的镁合金有着独特的优势(镁合金密度约为1.7g/cm3、人体骨骼密度约为1.75 g/cm3)。
 
郑玉峰对《中国科学报》记者表示,镁合金容易加工成形,并且具有优良的综合力学性能以及独特的生物降解功能,而镁又是人体所必需的宏量金属元素之一。
 
此外,镁合金的弹性模量约为45GPa,也接近于人体骨骼(10~40GPa),能有效地缓解甚至避免“应力遮挡效应”;镁合金在人体中释放出的镁离子还可促进骨细胞的增殖及分化,促进骨骼的生长和愈合。
 
不仅如此,镁合金的加工性能远优于聚乳酸、磷酸钙等其他类型可降解植入材料,因此其在心血管支架方面也具有临床应用价值。
 
诸如,镁合金支架在植入初期能够对病变心血管产生支撑作用,而随着病变血管周围环境的改善及血管结构重塑的完成,镁合金支架还可缓慢腐蚀直至完全降解,避免刺激血管壁导致内膜增生及再狭窄的发生。
 
“我国镁资源极为丰富,价格也相对低廉。”在杨柯看来,原料的丰富也是镁合金可能作为生物医用材料进行临床的优势之一。
 
应用难题:降解速度和塑性
 
总的来说,科学家的构想是巧妙地利用镁合金在人体环境中易发生腐蚀(降解)的特性,实现其植入人体后不仅能达到修复功能,还能逐渐降解直至最终消失。
 
可问题是,“镁的腐蚀速度太快了,甚至快到我们无法控制。”杨柯对记者说,“一个镁合金心血管支架在体外模拟体液中放置一至两个星期,基本上就降解没了。”
 
由于镁合金很难达到植入物在人体所需要的“服役期”,降解过快又会导致溶血、溶骨等问题,因此,如何通过可控的方式实现镁合金在体内的降解,就成为业界亟待解决的关键问题。
 
在杨柯看来,降低镁合金腐蚀速率的有效方法之一就是表面涂层改性。即给镁合金增加一层保护膜,比如仿生磷酸钙涂层、可降解高分子涂层等。
 
除此之外,郑玉峰表示,涂层也可以直接在镁合金表面上获得,比如通过化学或电化学反应,使基体金属表面原位形成防护膜层,继而降低腐蚀速度。
 
专家们还提出,通过添加适量的合金元素也可以有效提高镁合金的耐腐蚀性能,但前提条件是,所添加元素同样具有良好的生物相容性。
 
记者采访中了解到,除降解速度难以控制之外,塑性差也是镁合金难以临床应用的另一缺陷。
 
“塑性是表现材料可变形大小的一种能力,就是不希望像玻璃体一样易碎。但是,镁合金属于金属中塑性较差的,很容易在变形的过程中断裂。”杨柯说。
 
郑玉峰也对记者称:“高分子材料就像平时缝衣服的线一样,可以随意的打结和弯曲,而镁丝就无法做到这一点。”
 
为了改善镁合金的塑性,郑玉峰提出,镁合金在变形时可以不仅采取像其他金属材料一样的位错、滑移方式,还可以通过引入一些孪晶,改善其变形能力。杨柯则提出,通过改变心血管支架的结构设计,让每一条支架丝的变形小一点,也不失为一种补充镁合金塑性不足的好方法。
 
临床应用尚待时日
 
“我国医用镁合金领域中60%至70%的人都在做研究工作,真正能开发出产品的并不多。”
 
杨柯表示,我国医用镁合金的研发技术已经处于全球领先的地位,但如何尽快把它推向临床应用,是国内面临的最大挑战。
 
郑玉峰认为,由于人体环境的复杂性,镁合金应用于临床前还缺少足够的安全性评价,需要深入了解镁合金在体内腐蚀的本质,并建立更为完善的体内外评价标准。
 
杨柯则认为,产业的发展更需要国家的支持与引导。“国家很多检测机构都对国产医用金属材料持怀疑态度,审批非常严格。导致国内医疗器械所用的医用金属材料大都是从国外进口,没有一个是我们自己研发出的新材料。”
 
“我国医疗器械要面向‘量大面广’及高端的方向发展,而这就需要国家有组织、多形式地对其推动,特别是在新型医用植入材料及产品研发上给予相应的扶持,并鼓励国内具有自主知识产权的医疗器械产品上市。”杨柯说。
 
他的建议是,可以进一步结合镁合金材料的性能特点设计出不同类别的新型可降解金属植入器件,以满足不同临床患者的需求。
 
《中国科学报》 (2013-01-23 第4版 综合)
 
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