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可降解医用镁基金属骨科材料研究进展

发布日期:2019-03-08 作者:客服 点击:

  生物医用可降解金属是指能在体内逐渐降解,并伴随着腐蚀产物的释放在宿主体内产生适当的宿主反应,而且在帮助宿主完成组织修复之后完全降解,不在宿主体内残留的金属材料。21世纪以来,生物医用可降解金属(Biodegradable Metals)成为生物医用金属材料领域最热、最活跃的研究方向。欧盟正通过第七框架下的People Programme(Marie Curie Actions)滚动支持研究开发新型可降解镁基金属;美国国家自然科学基金会于2008年批复“革命性医用金属材料”工程研究中心,投资1800万美金用于可降解镁基金属材料及植入器件研究。我国的可降解金属研究处于国际并跑阶段,特别是可降解镁基金属的设计与制备、表面改性、降解行为、生物相容性等方面已开展了大量的探索研究工作并已开始进入临床应用研究阶段。国家先后在国家重点基础研究发展计划(973)、国家高技术研究发展计划(863)、国家科技支撑计划、国家自然科学基金等项目设立了可降解金属及其医疗器械产品研发的课题,鼓励科技原始创新。


  目前可降解金属钙材料已经发展出了以镁基、锌基、铁基等几大类代表性系列,其中镁及其合金以其优异的理化性能和良好的生物相容性脱颖而出,受到了人们的广泛关注。可降解镁骨科材料作为一种新型医用植入物,在体内服役完毕后,可以在人体内完全降解吸收,免去了病人二次开刀的心理和生理痛苦,也大大降低病人的经济负担。


  一、镁概述


  从材料学角度而言,镁及其合金属于典型的轻金属,纯镁的密度为1.74g/cm3,镁合金的密度为1.75-1.84g/cm3,与人皮质骨密度相近(1.8-2.1g/cm3),要远低于医用钛合金(4.5g/cm3)和医用不锈钢(7.6g/cm3)。镁及其合金的Young’s模量约为41-45GPa,不及医用钛合金的1/3,与人体皮质骨弹性模量更为接近。在骨科应用中,能够有效缓解应力屏蔽效应,促进患处骨组织功能重建。

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  从生物学角度来说,镁是人体必需的金属元素,其含量仅次于钙、钠、钾元素,几乎参与着体内所有的生理生化反应,在蛋白质、核酸的合成中具有重要调节作用。作为多种酶的辅助因子,镁还起到了稳定DNA和RNA结构、维持细胞膜电位的作用。成年人每日推荐的镁摄入量为375mg,通过肠和肾脏来维持体内镁含量的稳定,在正常人体中,过量的镁会通过尿液迅速排出体外。


  一个正常成年人体内约含有24g的镁,其中超过50%都存在于骨中。在骨科应用中,镁是骨生长代谢所必需的元素,通过与成骨细胞表面的整合素相互作用,促进成骨细胞的粘附和增殖,达到骨生长的作用。人体缺镁会引起骨吸收以及骨质疏松症,对骨的正常生长和发育造成不利影响。因而,在体内采用镁及其合金作为骨科植入材料具有其天然优势。


  二、可降解医用镁基金属骨科材料发展历史


  早在1907年,Lambotte就使用铁丝环扎术和一块带有六个钢螺丝的镁板来固定骨折的小腿,但是由于镁和铁接触后发生电化学反应,加速了镁的腐蚀,术后一天即观察到了大量的皮下气腔,并伴有局部有肿胀和疼痛。因此在排除了镁和其他金属混用后,Lambotte与其助手Jean Verbrugge用镁钉治愈了4例儿童肱骨髁骨折(图1),除发现气泡产生外,没有其它不良反应发生。Jean Verbrugge在接下来的几年里,采用镁及其合金(AZ63和Mg-8wt.%Al)进行了25例骨折治疗的临床实验,如图2所示。由于镁在植入后的快速腐蚀降解,镁板和镁钉固定系统植入三周后,骨折线即消失不见。除此之外,有病人反映,植入部位会有暂时的麻木感觉,但没有组织感染迹象或不良反应发生。在这些病例中,因植入尺寸以及位置不同,镁在人体内在三个星期到一年最终吸收。McBride进行的临床应用探索,如图3所示,发现镁可以加速治疗初期结缔组织的早期增殖和愈合组织的增生。1940年,Maier使用了由梭形镁片制成的针治疗肱骨骨折,并且在接下来的14年获得良好的恢复。


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