镁合金的发展

1,目前,国内将镁及镁合金作为生物医用材料的研究和应用还较少。但是,在国际上已有研究人员作了研究和尝试。镁及镁合金的生物医用研究通常是用于以下一些方面:骨固定材料、骨组织工程多孔支架材料、冠状动脉植入支架材料以及口腔植入材料和整形外科材料等。 如今广泛应用于骨板、骨钉的生物医用材料主要是钛及钛合金、不锈钢及聚乳酸等。但是,这些材料都存在一定的局限性。例如:采用钛及钛合金、不锈钢等金属材料作为生物医用材料时会发生应力遮挡效应,即将该金属材料植入人体后,因其与人骨材料的弹性模量不匹配而产生的人骨受力被遮挡的效应,这会使骨骼强度降低、愈合迟缓。而聚乳酸等高分子材料力学性能较差,很难承受较大的负重。而镁及镁合金有高的比强度和比刚度,且镁及其合金的杨氏模量约为45GPa,更接近人骨的弹性模量(20GPa),能有效降低应力遮挡效应。 对于发展骨组织工程支架材料,需要它既要有良好的力学性能,又要有类似于骨的多孔结构和生物可降解性能。近期的研究表明,镁的性能基本符合骨组织工程多孔支架的要求,即较低的弹性模量、适当的强度、良好的生物相容性、生物可降解性和生物可吸收性能等。作为冠状动脉内支架的研究,自从1976年德国医生安德里亚•格隆茨戈首次提出支架的设想,最早是于1986年由Sigwart及其同事使用网状管形金属丝植入冠状动脉内,旨在减少冠状动脉成形术后管腔的弹性回缩。可用于治疗各种类型的心绞痛、急性心肌梗死等[31]。到20世纪90年代冠脉支架广泛应用临床以来,已经出现了第三代可吸收药物洗脱支架。但目前以不锈钢和钴铬合金为基础的药物洗脱支架(DES)仍不能从根本上解决亚急性血栓形成和再狭窄的问题[32-35],于是生物可降解支架开始成为关注的焦点和热点。镁合金具有理想的机械支撑力、良好的生物相容性且容易降解,其降解产物参与新陈代谢。因此,镁合金被认为是比较合适的生物可降解支架材料[36]。 总之,目前大部分的研究都处于实验状态,并没有被广泛使用,因此对于这方面进行研究和开发是很有必要的。

2,镁合金加工技术的快速发展为医用镁合金材料的研究和临床实践带来了新的机遇,可降解镁合金材料已成为当前材料科学和医学生物材料领域备受关注的热点和重点,具有广阔的应用前景和商业潜力。欧盟、美国曾分别在2007年和2009年启动了医用镁合金材料的重大科技研究计划,并给予了高度重视。

镁合金若在可降解医用植入研究领域实现新的突破,不仅要有好的耐腐蚀性能,

同时还要具有良好的力学性能,特别是塑性变形能力,对于这些要求,现有的工业用镁合金很难同时满足。近几年,我国很多科研院所对医用镁合金材料进行了大量的研究和探索,并取得了一些可喜成绩。

研究和探索历程

Ø 2007年9月在中国科学院金属研究所召开了可降解医用镁合金研讨会,多名与会学者就相关研究工作做了专题报告;

Ø 2009年12月在广州召开的中国生物医学工程学会生物材料分会首次设立了“可腐蚀降解型医用金属材料”分会场,国内有50位从事可腐蚀降解型医用生物材料的专家与会并进行了热烈的交流;

Ø 2010年4月东莞宜安电器制品有限公司与中国科学院金属研究所、解放军总医院等5 所机构的专家,在海南省文昌市召开研讨会,以宜安电器为主体,联合中科院金属研究所、中科院长春应用化学研究所、科技部高技术研究发展中心、解放军总医院、广州有色金属研究院等国内多家顶级研究院,进入“镁合金生物降解材料”领域,进行“医用可降解金属内植入物的应用研究”; Ø 2010年5月在北京大学组织召开“可腐蚀降解型医用金属材料学术研讨会”,多名专家与会并作学术报告;

Ø 2010年12月在上海沪杏科技图书馆召开“镁合金的医学转化研究”学术研讨会,来自全国的10余名专家做了学术报告。

可喜成果

² 中国科学院金属研究所杨柯研究员领导的生物医用材料与器件课题组选择AZ31 镁合金作为可降解支架材料,自行设计并采用激光切割方法加工出镁合金心血管支架。克服了镁合金自身塑性低等问题对支架变形性能的影响,通过表面改性处理,实现了镁合金支架的分段可控降解,使其在植入初期提供足够的力学支撑作用。为了进一步降低血管新生内膜厚度,增加管腔直径,在镁合金支架外层,制备了携带药物的可降解聚合物涂层,可在血管病变部位缓慢释放抑制内膜增生的雷帕霉素药物,达到同步治疗作用。现已完成大量体外研究,开始进行镁合金支架动物植入实验。这是该课题组继成功开发出316L 不锈钢支架后,开发出的新一代极具临床应用前景的心血管支架,目前处于国内领先水平。

² 上海交通大学新近开发出一种新型生物医用镁合金JDBM(Mg-Nd-Zn-Zr),该合金室温变形能力可达20%~35%,同时具有优异的耐腐蚀性能和力学性能,能很好的满足可降解镁合金心血管支架以及骨科内植物材料的性能要求。该合金有望作为一种生物植入材料用于制备可降解骨科内植物(接骨板和骨钉)及可降解心血管支架等。

1,目前,国内将镁及镁合金作为生物医用材料的研究和应用还较少。但是,在国际上已有研究人员作了研究和尝试。镁及镁合金的生物医用研究通常是用于以下一些方面:骨固定材料、骨组织工程多孔支架材料、冠状动脉植入支架材料以及口腔植入材料和整形外科材料等。 如今广泛应用于骨板、骨钉的生物医用材料主要是钛及钛合金、不锈钢及聚乳酸等。但是,这些材料都存在一定的局限性。例如:采用钛及钛合金、不锈钢等金属材料作为生物医用材料时会发生应力遮挡效应,即将该金属材料植入人体后,因其与人骨材料的弹性模量不匹配而产生的人骨受力被遮挡的效应,这会使骨骼强度降低、愈合迟缓。而聚乳酸等高分子材料力学性能较差,很难承受较大的负重。而镁及镁合金有高的比强度和比刚度,且镁及其合金的杨氏模量约为45GPa,更接近人骨的弹性模量(20GPa),能有效降低应力遮挡效应。 对于发展骨组织工程支架材料,需要它既要有良好的力学性能,又要有类似于骨的多孔结构和生物可降解性能。近期的研究表明,镁的性能基本符合骨组织工程多孔支架的要求,即较低的弹性模量、适当的强度、良好的生物相容性、生物可降解性和生物可吸收性能等。作为冠状动脉内支架的研究,自从1976年德国医生安德里亚•格隆茨戈首次提出支架的设想,最早是于1986年由Sigwart及其同事使用网状管形金属丝植入冠状动脉内,旨在减少冠状动脉成形术后管腔的弹性回缩。可用于治疗各种类型的心绞痛、急性心肌梗死等[31]。到20世纪90年代冠脉支架广泛应用临床以来,已经出现了第三代可吸收药物洗脱支架。但目前以不锈钢和钴铬合金为基础的药物洗脱支架(DES)仍不能从根本上解决亚急性血栓形成和再狭窄的问题[32-35],于是生物可降解支架开始成为关注的焦点和热点。镁合金具有理想的机械支撑力、良好的生物相容性且容易降解,其降解产物参与新陈代谢。因此,镁合金被认为是比较合适的生物可降解支架材料[36]。 总之,目前大部分的研究都处于实验状态,并没有被广泛使用,因此对于这方面进行研究和开发是很有必要的。

2,镁合金加工技术的快速发展为医用镁合金材料的研究和临床实践带来了新的机遇,可降解镁合金材料已成为当前材料科学和医学生物材料领域备受关注的热点和重点,具有广阔的应用前景和商业潜力。欧盟、美国曾分别在2007年和2009年启动了医用镁合金材料的重大科技研究计划,并给予了高度重视。

镁合金若在可降解医用植入研究领域实现新的突破,不仅要有好的耐腐蚀性能,

同时还要具有良好的力学性能,特别是塑性变形能力,对于这些要求,现有的工业用镁合金很难同时满足。近几年,我国很多科研院所对医用镁合金材料进行了大量的研究和探索,并取得了一些可喜成绩。

研究和探索历程

Ø 2007年9月在中国科学院金属研究所召开了可降解医用镁合金研讨会,多名与会学者就相关研究工作做了专题报告;

Ø 2009年12月在广州召开的中国生物医学工程学会生物材料分会首次设立了“可腐蚀降解型医用金属材料”分会场,国内有50位从事可腐蚀降解型医用生物材料的专家与会并进行了热烈的交流;

Ø 2010年4月东莞宜安电器制品有限公司与中国科学院金属研究所、解放军总医院等5 所机构的专家,在海南省文昌市召开研讨会,以宜安电器为主体,联合中科院金属研究所、中科院长春应用化学研究所、科技部高技术研究发展中心、解放军总医院、广州有色金属研究院等国内多家顶级研究院,进入“镁合金生物降解材料”领域,进行“医用可降解金属内植入物的应用研究”; Ø 2010年5月在北京大学组织召开“可腐蚀降解型医用金属材料学术研讨会”,多名专家与会并作学术报告;

Ø 2010年12月在上海沪杏科技图书馆召开“镁合金的医学转化研究”学术研讨会,来自全国的10余名专家做了学术报告。

可喜成果

² 中国科学院金属研究所杨柯研究员领导的生物医用材料与器件课题组选择AZ31 镁合金作为可降解支架材料,自行设计并采用激光切割方法加工出镁合金心血管支架。克服了镁合金自身塑性低等问题对支架变形性能的影响,通过表面改性处理,实现了镁合金支架的分段可控降解,使其在植入初期提供足够的力学支撑作用。为了进一步降低血管新生内膜厚度,增加管腔直径,在镁合金支架外层,制备了携带药物的可降解聚合物涂层,可在血管病变部位缓慢释放抑制内膜增生的雷帕霉素药物,达到同步治疗作用。现已完成大量体外研究,开始进行镁合金支架动物植入实验。这是该课题组继成功开发出316L 不锈钢支架后,开发出的新一代极具临床应用前景的心血管支架,目前处于国内领先水平。

² 上海交通大学新近开发出一种新型生物医用镁合金JDBM(Mg-Nd-Zn-Zr),该合金室温变形能力可达20%~35%,同时具有优异的耐腐蚀性能和力学性能,能很好的满足可降解镁合金心血管支架以及骨科内植物材料的性能要求。该合金有望作为一种生物植入材料用于制备可降解骨科内植物(接骨板和骨钉)及可降解心血管支架等。


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