随着生物医学领域的快速发展，对可吸收材料的需求也日益增长。目前的可吸收植入物主要由可吸收聚合物和生物陶瓷制成。然而，聚合物的机械强度和陶瓷的脆性往往限制了它们作为承重装置的应用^[1]。相比目前广泛的的金属材料，可吸收镁合金在生物医学中具有很大的优势，例如能够促进组织再生和修复，同时避免了二次手术等。可吸收镁合金作为一种新型生物医学材料，在生物相容性、可降解性以及力学性能等方面具备独特的特点，因此受到了广泛的关注和研究^[2-3]。然而，尽管可吸收镁合金的研究和应用前景被广泛认可，但在实际临床应用中仍面临着一系列挑战。例如，如何精确控制合金在体内的降解速率以匹配组织愈合的速度，以及如何进一步提高其抗腐蚀能力和生物相容性。本文综述了可吸收镁合金在医学应用中的现状及优势、挑战和可能的改进方案，并对可吸收镁合金的应用前景进行展望。

1 可吸收镁合金的优势

在骨科医用植入物的设计中，力学性能是必须考虑的基本参数之一^[4]。镁合金的弹性模量约为35～69 GPa，与天然骨皮质的（7～30 GPa）接近。相近的弹性模量使其有助于减少植入物与骨界面负载传递过程中的“应力屏蔽”，减少植入物周围骨量下降，防止继发损伤^[5-6]。镁合金密度（1.74～1.84 g/cm³）取决于合金成分，与天然骨皮质的（1.75～2.10 g/cm³）相当。相近的密度使其可模拟天然骨皮质的力学性能，为人体提供理想支撑。镁是最易加工的结构金属之一，容易满足设计的目标尺寸的要求，这对医疗应用通常需要的复杂形状至关重要。

镁合金的可降解性是其能作为骨科医用植入物的独特优势之一。在理想情况下镁合金作为医用植入物在提供足够的生物力学支持后逐渐降解，在被患者组织取代之前完成促进愈合过程的使命，无需二次手术取出，从而降低了患者的费用和出现并发症的风险^[7]。镁合金降解过程中机械支撑的减少导致载荷慢慢从骨科植入物转移到骨骼，从而减少了骨密度降低的风险^[8]。医用植入材料首要也是最重要的要求是生物相容性和无毒性^[7]。镁是骨骼结构的重要组成部分，是人体第4大金属元素。它具有良好的生物相容性。镁离子可通过循环系统运输并迅速通过尿液和粪便排出体外，镁摄入过量不会对人的健康产生不良反应^[9]。在镁降解的过程中，镁离子可以提高成骨细胞的活力来促进骨再生和骨修复^[10]。同时降解的镁离子还可以促进巨噬细胞由表型转化为M2型，抑制炎症反应^[11]。

2 可吸收镁合金在生物医学中的应用现状 2.1 骨科中的应用

骨固定装置在骨修复方面起着举足轻重的作用。传统的骨固定装置用生物材料通常选用钛合金，但钛合金具有比骨大得多的弹性模量，导致骨缺损部位长期处于低应力状态。由于缺乏机械刺激，可能会出现骨质疏松症和其他症状^[12]。可吸收镁合金在骨科相关植入材料方面具有广阔的应用前景。可吸收镁合金可用于制造骨植入物，如骨板、骨钉等，既可以提供初始的机械强度和稳定性，又可促进骨骼愈合和再生修复^[13]。2013年，德国的 Syntellix 公司生产的 MAGNEZIX®镁合金空心加压螺钉（见图1）首次取得欧洲CE认证^[14]，正式应用于临床。Sukotjo等^[15]评估了镁合金在骨固定中的临床应用效果。研究分析了468名分别接受镁合金螺钉和钛合金螺钉治疗的患者。结果表明，使用镁合金螺钉的患者与钛合金螺钉的相比，并发症发生率没有显著差异，这证明镁合金在临床应用中的安全性和可行性。

2.2 血管支架中的应用

可吸收镁合金在血管支架领域也具有广阔的应用前景。国际上完全可降解金属支架以德国百多力公司（Biotronik GmbH）的全降解镁合金支架为突出代表。该公司已开发了AMS、DREAMS 1G和DREAMS 2G系列支架，并在此基础上开发了第3代冠状动脉药物洗脱可吸收镁支架（DREAMS 3G）（见图2），以提高前几代支架的性能，同时实现与当代药物洗脱支架相当的血管造影效果。第3代药物洗脱可吸收镁支架DREAMS 3G具有高的可输送性、良好的支撑对位性和安全性，同时显著改善了造影晚期管腔丢失的情况，使其成为永久性药物洗脱支架的潜在替代方案^[16]。Ma等^[17]综述了可吸收镁合金血管支架在体内和体外实验中的研究进展，强调了镁合金支架的“生物适应”概念，即支架在植入后与局部组织微环境相互作用的过程。该研究发现，镁合金支架能够在提供机械支撑的同时逐渐降解，其降解产物（如镁离子和氢气）对组织重建具有积极作用。此外，Xiao等^[18]在动物实验中验证了国产镁合金外周血管支架的性能和安全性。该研究结果表明，镁合金支架在植入后能够逐渐降解，且在实验过程中没有出现显著的炎症反应或形成血栓。

3 可吸收镁合金的主要问题与挑战

理想情况下，植入的可吸收生物材料应该在组织愈合后降解，且生物降解过程不应对人类健康产生不利影响。尽管镁及其合金十分符合这一特性，但其作为植入物的最大挑战是它们在生理环境中的腐蚀速率极高^[19]。高腐蚀速率促进了力学性能的快速退化，导致植入物在组织愈合过程完成之前过早失效^[20]。镁合金植入物的这种非常快速的降解不仅导致机械完整性过早丧失，还在镁腐蚀的同时阴极发生析氢反应导致植入部位皮下氢气聚集，干扰愈合。

镁是电负性最强的金属（与标准氢电极相比，其电化学电位为-2.3 V），在大多数水性环境（包括人体体液）中极易受到腐蚀。镁的腐蚀会在表面产生氧化物/氢氧化物层，这在大多数水性环境中没有保护作用。以下反应代表了镁合金在大多数水性环境（包括生理环境）中的腐蚀过程。

$ \qquad \mathrm{Mg} \rightarrow \mathrm{Mg}^2+2 \mathrm{e}^- $

(1)

$ \qquad 2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}+2 \mathrm{e}^- \rightarrow 2 \mathrm{OH}^-+\mathrm{H}_2 $

(2)

$ \qquad \mathrm{Mg}+2 \mathrm{H}_2 \rightarrow \mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_2+\mathrm{H}_2 $

(3)

即使形成的氢氧化层覆盖了镁的表面，但该氢氧化层在存在氯离子的人体体液中并不稳定。氯离子的存在迅速将氢氧化物层转化为高溶解性氯化镁^[21]。

$ \qquad \mathrm{Mg}(\mathrm{OH})_2+2 \mathrm{Cl}^- \rightarrow \mathrm{MgCl}_2+2 \mathrm{OH}^- $

(4)

氯离子导致氢氧化层的消失加速了镁合金的腐蚀。此外，在上述整个腐蚀过程中，会产生大量氢气，在植入物附近或组织较疏松处形成气泡，这可能导致组织层的分离^[22]。为了更好地了解镁合金在体内的腐蚀机制，研究人员进行了大量的体外模拟体内环境的实验。Jana等^[23]通过体内和体外实验研究了镁合金的降解行为，发现腐蚀速率受实验条件、材料组成和表面处理的显著影响，并指出在生理环境中的腐蚀速率通常高于体外模拟环境的。Chen等^[24]研究了镁–钙–锌–银合金的腐蚀行为，通过体内实验发现，这些合金在体内的腐蚀速率显著高于体外实验的，这可能是由于植入部位的高血管化特性导致的。这些研究为了解可吸收镁合金在体内环境中的腐蚀机制及危害、开发更耐用和安全的生物医用材料、进一步改善可吸收镁合金的性能提供了重要的理论依据和实验支持。

4 改善可吸收镁合金生物降解性的方法

提高镁合金耐腐蚀性的方法主要有两种：一种是添加合金元素，另一种是表面改性技术。

4.1 合金化处理

合金化处理对于提高镁合金的力学性能、耐腐蚀性和加工性能具有重要意义，是优化镁合金性能的关键技术之一。几种常见的金属元素对镁的腐蚀行为、生物相容性和力学性能的影响如表1所示。

镁合金降解释放的金属离子必须是无毒的。比如铝可以提高镁合金的耐腐蚀性、机械完整并且降低镁降解时的析氢反应，但过量的铝摄入可能会导致神经系统疾病（如老年痴呆症）、骨骼问题和其他健康问题。因此，铝不适合在生物医学领域应用，最好从镁合金生物材料的选择中剔除^[25]。

钙和锶在骨科生物材料的合金化设计中很有前景。钙离子的释放可调节破骨细胞和成骨细胞，从而促进体外和体内的骨再生^[26]。在镁合金中添加钙可以提高镁–钙合金的耐腐蚀性、力学性能、组织和电化学行为^[27]。Chen等^[24]研究了镁–钙–锌合金，发现添加锌和钙后，合金的抗菌性能和骨生成能力显著提高，同时腐蚀速率减缓。这些元素的加入不仅提高了合金的抗腐蚀能力，还增强了其在生物环境中的生物相容性，能够促进细胞的粘附和增殖，从而有利于骨组织的修复和再生。锶可以促进成骨细胞的生长^[28]。镁合金中一定量的锶可以增强合金的耐腐蚀性^[29]和机械强度^[30-31]。Wen等^[32]开发了一种新型的镁–1锌–1锡–0.2锶四元合金，研究表明该合金在体内具有良好的生物相容性，并显著减少了氢气的释放，促进了细胞的粘附和扩展。锶元素的加入通过在合金中形成稳定的锶氧化物层，从而提高合金的耐腐蚀性能。

锌和锰都是维持人体健康所必需的微量元素。锌是许多酶的辅助因子，参与了细胞分裂、免疫功能、伤口愈合和DNA合成等生物活动。锰是细胞内活动所必需的营养物质，它在血液凝固、能量产生、抗氧化防御、消化、免疫反应和神经元活动调节中起着积极作用。它有助于大脑、神经系统的正常功能、细胞生长和细胞稳态。研究表明，镁–锌合金和镁–锰合金都具有出色的力学性能、生物相容性和更高的耐腐蚀性^[33]。因为锰和锌可以降低镍和铁杂质的腐蚀作用。除此之外，在镁合金中加入锌可以显著减少镁降解时氢气的产生。Hou等^[34]研究了可生物降解镁–3锡–1锌–0.5锰合金的生物相容性、腐蚀行为和力学性能，植入兔股骨的体内结果表明这种合金良好的生物相容性、耐腐蚀性和力学性能。

锂是一种轻金属，镁锂合金最突出的特性是其优异的延展性，这一特性满足血管支架设计的需求。在镁锂合金的动物实验中，也证明了其拥有良好的生物相容性和较低的降解速率^[35]。Wu等^[36]研究了镁–锂–铝–锌四元合金，发现通过添加锂和铝，合金的延展性和抗拉强度显著提高，同时腐蚀速率显著降低。锆也适用于生物医学应用。这是因为人体含有少量的锆且具有低毒性。锆可以细化晶粒并有效提高镁合金的耐腐蚀性^[37]。Sayari等^[38]研究了镁–0.7锆合金超塑性行为和微观组织的影响，发现镁–0.7锆合金在挤压过程施加适度变形后表现出超塑性行为，原因是由于锆的加入，使合金中形成了双峰微观结构，晶粒尺寸减小。

4.2 表面改性技术

生物医用镁合金在部分医用植入物中得到了应用，例如可降解的骨钉、骨板等。由于镁合金在生物体环境中的高腐蚀速率和生物活性，其表面改性技术对于提升医疗效果、降低副作用、提高生物相容性和控制腐蚀速率尤为重要。目前，对生物医用镁合金已经开发出多种表面改性技术。

化学涂层是一种通过化学反应在材料表面生成保护性薄膜的表面改性技术，广泛应用于镁合金等金属材料的抗腐蚀和功能增强方面。对于生物医用镁合金而言，化学涂层不仅可以增加其耐蚀性，还能提高其生物相容性和生物活性。化学转化涂层通常包括铬酸盐涂层、磷酸盐涂层、含氟涂层等。但考虑到铬酸盐会从涂层中渗出并导致癌症，化学转化法的涂层主要集中在磷酸盐涂层和含氟涂层上^[39]。Witte等^[40]研究了涂有氟化镁的镁合金LAE442在兔子体内的腐蚀和降解。结果表明，氟涂层植入物能有效降低镁合金的腐蚀速率。

微弧氧化又称等离子体电解氧化，是一种用于金属表面处理的先进技术，特别适用于轻金属如镁、铝和钛合金^[41]。该技术通过在金属表面施加高电压产生微弧放电，从而在金属表面生成陶瓷化的氧化膜。这层氧化膜具有优良的耐磨性、耐腐蚀性和耐高温性，同时还能改善材料的生物相容性。Lin等^[42]发现，形成的微弧氧化涂层显著提高了中空玻璃珠/镁合金的抗腐蚀性。Guo等^[39]综述了微弧氧化技术在镁合金表面改性方面的应用，指出这种方法能够显著提高镁合金的耐腐蚀性和生物相容性，特别适用于生物医学领域。

溶胶–凝胶法是将具有高化学活性组分的液体化合物经过一系列化学反应形成凝胶，然后氧化成固体的方法^[43]。Nezamdoust等^[44]通过溶胶–凝胶法在AM60B Mg合金表面制备的二氧化硅涂层提高了合金的表面粗糙度、耐腐蚀性和疏水性。Hu等^[45]通过溶胶–凝胶法在 AZ31 镁合金表面制备了一层纳米二氧化钛涂层，发现该涂层颗粒尺寸和降解速率随着固化退火温度升高而增大。

激光表面处理是一种先进的表面工程技术，是通过使用高能激光束来改善材料表面的性质。可以提高镁合金的表面性能，如耐腐蚀性、生物活性以及机械性质，而不影响材料的内部性质。Liu等^[46]使用CO₂激光对AM60B镁合金进行表面熔化，提高了AM60B合金的耐腐蚀性。Meng等^[47]用激光处理Mg合金表面，并在室温和高温下进行拉伸试验。结果表明镁合金的强度有所提高。Kopp等^[48]探讨了激光粉末床熔融技术在镁合金支架制造中的应用。研究发现，通过激光粉末床熔融技术制造的镁合金支架在力学性能和生物相容性方面表现优异，特别是通过对支架进行热处理和等离子电解氧化处理可以显著提高其长期稳定性和机械强度。研究结果表明，激光粉末床熔融技术与表面改性技术的结合，可以有效解决镁合金在生理环境中快速降解的问题，使其在骨科支架中的应用更加广泛和可靠。

多层涂层技术是一种通过在镁合金表面构建多个功能层以显著提高其耐腐蚀性的方法。这种技术通过结合不同材料的优点，在镁合金表面形成致密且多功能的保护层，从而有效地降低腐蚀速率，并改善生物相容性。Gao等^[49] 通过逐层自组装方法在AZ31B镁合金表面构建了一种壳聚糖/肝素化氧化石墨烯多层涂层。研究结果表明，这种多层涂层显著提高了镁合金的耐腐蚀性和生物相容性。电化学阻抗谱和电化学极化测试显示，该涂层可以显著降低镁合金的腐蚀电流密度，提高耐腐蚀性能。Shanaghi等^[50]通过层层自组装和溶胶–凝胶法在AZ91镁合金表面构建了含抗生素环丙沙星加载的聚合物多层和磷酸钙涂层。结果表明，该涂层在提高合金的耐腐蚀性的同时，显著降低了细胞毒性，并增强了抗菌活性。此外，Zhang等^[51]通过层层自组装方法在AZ31镁合金表面构建了茶多酚–金属诱导的多层转换涂层。研究发现，该多层转换涂层显著减少了镁合金的降解速率，提高了耐腐蚀性能。综上所述，多层涂层技术通过在镁合金表面构建多功能保护层，能显著提高合金的耐腐蚀性能和生物相容性。

离子注入是一种表面改性技术，是将高能离子注入样品表面形成化合物，从而提高表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等^[52]。Liu等^[53]在镁–1钙合金表面注入锌离子后，通过金属气相真空电弧等离子体沉积改性了镁合金，在镁合金表面产生了相对均匀的氧化锌涂层，显著增加了腐蚀电位。Lin等^[54]通过等离子体离子注入技术在镁合金表面构建了一种TiO₂/Mg₂TiO₄纳米层，显著提高了其耐腐蚀性，同时在动物实验中观察到新骨的形成和氢气释放的减少。了解可吸收镁合金在体内环境中的腐蚀机制及其危害，对于开发更耐用、安全的生物医用材料至关重要。

5 结论

可吸收镁合金在生物医学中展示了广泛的应用前景。其良好的生物相容性、降解性能和可塑性使其成为一种理想的生物医学材料。在骨科应用中，可吸收镁合金可用于制造骨植入物，通过提供初始的机械强度和稳定性，实现坚强固定、早期康复的治疗目标，同时可促进骨的再生，实现骨折修复和骨缺损的愈合。在心血管领域，可吸收镁合金同样具有潜在的应用价值。然而，可吸收镁合金仍面临一些挑战，如降解速率、力学性能、组织相容性等方面的改进。通过新型镁合金的研发，表面改性和涂层技术的应用，以及多功能性和智能化的发展，可以进一步提高可吸收镁合金的性能和应用范围。总之，可吸收镁合金在生物医学中的应用具有广阔的前景，有望为患者带来更好的治疗效果和生活质量。