《可降解镁合金骨内植入物的研究开发》-杨柯

可降解镁合金骨内植入物的研究开发可降解镁合金骨内植入物的研究开发杨柯2011.9.5医疗植入介入体创新技术高峰论坛医疗植入介入体创新技术高峰论坛镁金属及生物可降解镁合金镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，在地壳中镁的储量约占2.77％，海水中有0.13％的镁。在目前实用化的结构用金属材料中，镁是最轻的金属（1.738g/cm3），镁的比重约是铝的2/3，是铁的1/4，因此具有高的比强度和比刚性。◇镁合金是以镁为基加入其它金属元素组成的合金，其特点是密度小（在1.8g/cm3左右），比强度高，弹性模量大，消震性好，承受冲击载荷能力超过铝合金，目前已应用于航空、航天、交通、机械等工业部门以及一些民用领域。◇镁金属作为植入器件的医学应用尝试已经由来已久，只是限于当时的医疗技术和材料技术，人们并没有提出并发展可降解镁合金这一创新设想。镁合金在工程应用中存在的主要问题：易腐蚀+塑性差镁金属的特性镁金属的特性，负于其它工业结构用金属，其氧化膜疏松多孔，不能对基体起到良好的保护作用，尤其是在含有氯离子（Cl-）的腐蚀介质中，呈现出较高的化学和电化学活性。Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2↑生物学性能优异人体中含镁量：21-35g骨：60％；血液：1％；肌肉：39％。成人每人每天的镁需求量约为400mg。镁在人体中起到多种重要生物学作用对人的心脏血管具有重要的保护作用，有“心血管卫士”之称；镁能激活体内多种酶、抑制神经兴奋、维持核酸结构稳定、参与蛋白质合成、调节体温等。，医生/教授，奥地利人，镁金属医学应用的开创者早在1878年，Huse就采用镁丝作为绷带，成功地用于三个不同病例中。奥地利医生Payr从1892年开始，相继研究了镁金属在不同医学领域中的应用尝试，获得了大量临床实验结果，初步证明了镁金属在体内的良好生物相容性以及可降解特性，对当今可降解镁合金的研究发展具有重要影响。镁金属在临床上的尝试应用领域包括：骨科、肿瘤、肌肉、血管系统等。镁金属植入器件包括：绷带、骨钉、骨板、缝合线、骨棒、镁箭等。生物可降解镁合金的研究与应用（本世纪初）生物可降解镁合金的研究与应用（本世纪初）德国Biotronik公司的可吸收镁支架（AMS）人数改善率再狭窄免截肢一个月19100%无100%三个月2089%无100%六个月2079%无94.7%十二个月2072.4%无94.7%二十四月2073.3%无94.7%2003.12-2005.12，20例外周血管内植入镁合金支架获得成功2005.6.30人类第一次冠脉内植入AMS63例AMS冠脉植入手术4个月随访：无心梗、支架内再狭窄及死亡4个月完全降解MRI完全兼容国际上首次报道，获欧盟创新奖国际生物材料的学术权威人士对镁合金的生物医用可行性均持肯定态度。英国皇家科学院院士D.F.Williams（Biomaterials主编）在2006年以“NewInterestsinMagnesium”为题目撰写的评论中指出，尽管传统外科植入物材料的腐蚀产物被认为有潜在危害性，镁的腐蚀产物更可能是生理上有益的，而不是有害的。美国自然科学基金会2008年批复成立了“革命性医用金属材料”第三代工程研究中心，（5+5）年分别投资4000万美金用于可降解金属植入材料研究与应用。参加单位：NorthCarolinaAgriculturalandTechnicalStateUniversityUniversityofPittsburghUniversityofCincinnatiHannoverMedicalSchoolAfive-year,$18.5-millionEngineeringResearchCenter(ERC)grantconferredbytheNationalScienceFoundationin2008应用目标：CraniofacialandOrthopedicApplications（颅面外科和骨科应用）CardiovascularDevices（心血管器件）ResponsiveBiosensorsforImplants（用于植入体的响应型生物传感器件）革命性的金属生物材料工程研究中心（美国）革命性的金属生物材料工程研究中心（美国）:experimental,invitroandinvivostudies7.Measuringandpredictingthemechanicalpropertiesinsituduringdegradation8.Requirementsfortheidealdegradablemetallicbiomaterials9.Biologicalinvitro,invivo,andclinicaltests10.Assessingtoxicityofthedegradationproducts生物可降解镁合金的特点2.生物可降解镁合金的特点（1）在体内腐蚀降解，并被吸收，避免二次手术020406080100-0.50.00.51.01.52.02.53.03.54.0AZ31Bin0.9%NaClsolution(pH:7.5)AZ31BinHank'ssolution(pH:7.5)Immersingtime/hourVolumeofH2release/ml/cm2镁的腐蚀电位非常低，在人体环境中易发生腐蚀降解：Mg+2H2O=Mg(OH)2+H2镁合金降解在短期内不会对生物体的主要脏器产生不利影响；镁合金降解产物在短期内主要通过肾脏等进行代谢。024680.00.20.40.60.81.01.2Mg2+concentration/mmol/lImplantationtime/week024680102030405060Mg2+concentration/mmol/LImplantationtime/week尿液血液心脏肾脏脾脏肝脏（2）镁是人体中的常量元素，具有良好的生物相容性只几内亚猪无致敏性-FrankWitte,JournalofBiomedicalMaterialsResearchPartA,2008,86A(4):1041-1047.拉伸强度(MPa)弯曲强度(MPa)弹性模量(GPa)皮质骨13050-1507-30AZ31B镁合金240-260~40045可吸收材料高分子（®BIOFIX）－~1903.4生物陶瓷（β-磷酸钙）－140-15433-90生物陶瓷（硅酸钙）55-60－－不可吸收材料生物陶瓷（羟基磷灰石）－115-20080-110钛合金（Ti6Al4V）≥860－~110不锈钢（冷变形）500-1100－~190钴基合金600-800－~200（3）良好的综合力学性能可避免应力遮挡材料密度(g/cm3)皮质骨1.6-2.1纯镁1.74AZ31镁合金1.78WE43镁合金1.84纯钛4.51钛合金（Ti6Al4V）4.42不锈钢~7.8超高分子量聚乙烯0.927-0.944聚乳酸～1羟基磷灰石（HA）3.156β-磷酸钙3.07（4）与骨组织接近的密度材料价格（元/kg）镁合金（铸态）100聚乳酸（原材料）50,000钛合金200镁是地球上储量最丰富的轻金属元素之一，在地壳中镁的储量约占2.77％，海水中有0.13％的镁。我国目前在镁工业方面有三项“世界冠军”：首先是镁资源大国，储量占世界首位，已探明的菱镁矿石约占世界探明储量的1/4；其次是原镁生产大国，产量占全球2/3；第三是出口大国，近年的出口量约占总产量的80-85％。（5）丰富的原材料和低廉的价格（6）独特的降解方式，有利于保持力学完整性骨骨植入前植入初期植入中期植入后期MgPLAMg:面降解方式PLA:体降解方式（7）具有生物活性，加快成骨速度镁降解有利于钙元素的沉积，形成类骨磷灰石，并向成骨转化。几内亚猪植入18周SR-PLA镁周围矿化骨面积明显多于SR-PLA96；镁周围新生骨组织明显多于SR-PLA96；周围软组织中未发现新生骨组织；镁周围骨质明显高于SR-PLA96。Mg-F.Witte,Biomaterials,2005,26:3557–3563.◆镁合金基体有利于基质细胞的粘附以及其向类骨