可降解医用镁合金材料开启生物医用金属材料“新革命”

围绕“介入无植入、植入无残留”的临床紧迫需求，可降解材料已成为生物材料研究的热点，近年来，可降解医用镁金属材料的研究及临床应用受到了广泛关注。 在医用植入金属材料领域，不锈钢、钛合金、钴铬合金、镍钛合金等因为良好的力学性能、生物惰性、耐腐蚀性、整体结构稳定等特点而被广泛应用。

然而，针对众多的完成治疗功能后不需要植入物存在的应用场景，这些金属材料无法完成体内降解和生物学融合，需要再次手术取出，造成的二次创伤让许多患者痛苦不已，或者永久留存患者体内，造成异物风险。同时，目前临床使用的聚乳酸等高分子材料虽然在体内可被降解吸收，但因存在的力学强度较低、降解酸性物质诱发炎症等一些问题而不能被市场广泛接受，应用受限。

在我国著名镁金属材料专家、中国工程院院士丁文江表示，镁的密度与人骨接近，镁是构成骨组织的重要元素之一。镁金属可以降解为镁离子，被人体吸收，参与机体内正常代谢。 镁是人体必需的宏量元素，镁在降解过程中会产生镁离子、氢氧根、和氢气，这些物质都对人体有益，因此自2000年以来，在全球范围内的生物医用材料领域，可降解的金属镁备受关注，被誉为“变革性的医用金属材料”。

 01 为什么镁合金可以作为生物材料？

Mg的密度为1.74 g/cm³，在所有的金属结构材料中密度最小，与人的骨密度相近。镁的断裂韧性比陶瓷生物材料羟基磷灰石要高，且其弹性模量约为41~45 GPa，更接近人骨的弹性模量，可有效缓解应力遮挡效应，促进骨的生长和愈合并防止发生二次骨折。医用镁合金的研究始于上世纪初，早在1907年，人们就使用镁合金来固定骨折的小腿。金属植入物通常机械强度和断裂韧性较好，承载力也较高，综合力学性能优于陶瓷和聚合物复合材料。生物镁合金是轻质金属材料，具有很好的生物相容性，并具有与天然骨骼相似的力学性能，因此可以称为新一代生物可降解医用材料，生物镁合金因具有可控的腐蚀速率，在心血管植入和骨修复上有很好

 02 国产产品准备“起跑” 

目前，我国可降解金属研究与国际同步且水平相当，特别是在可降解镁合金的设计与制备、表面改性、降解行为、生物相容性等方面，已开展大量探索研究工作，并已开始进入临床应用研究阶段。除此之外，我国还是最早在国际上开展可降解金属临床试验研究的国家之一。

2023年12月13日苏州奥芮济医疗科技有限公司生产的“可降解镁金属闭合夹”成功通过国家创新医疗器械特别审批通道获批上市。这是国内首款获国家药监局批准的可降解镁金属闭合夹，植入患者体内后一定时间就可以被吸收，不用再进行二次手术取出。这项产品填补了此前国内该领域的技术空白，不仅打破了进口产品的垄断地位，国产化后还将大大降低医疗费用，减轻患者负担。

2014年，宜安科技“可降解镁骨内固定螺钉”产品通过创新医疗器械特别审批申请。2019年7月，该产品获得临床试验批件。20年 5月，宜安科技研发的镁骨钉通过欧盟医疗器械考核，取得CE认证，并已开展美国FDA注册申请，以此推动同类产品在海外市场投放。预计未来2~3年内，镁骨钉将迎来技术转化风口，正式进入市场化阶段。

目前宜安科技第一款可降解镁骨内固定螺钉已完成临床试验，第二款产品已启动临床试验目前正在有序进行临床入组。 据悉宜安科技的镁骨钉产品以纯度为99.99wt.%的纯镁为材料，具有元素单一、无需考虑多元素毒性影响，在生物安全性方面更具优势，与此同时，还具有良好的生物相容性、与骨组织接近的力学性能，能促进骨成型，实现在体内修复功能的同时逐渐降解，不在体内残留，避免了二次手术取出给患者及其家属造成的心理、生理及经济上的负担。

2024年6月30日在全球首款“可降解镁金属颅骨固定系统”在上海启动临床试验，该系统由上海神经外科专家会同上海一家本土科技创新企业的科学家们，历时多年自主研发而成，填补了世界神经外科手术材料领域的空白。

2023年11 月 5 日，上海交通大学医学院附属第九人民医院3D打印创新研究中心宣布，一种新型的可降解涂层镁合金接骨螺钉临床试验正式启动。这种材料被认为是“新一代革命性的金属生物材料”，有望彻底改变目前以不锈钢和钛合金为主的骨内固定技术避免患者二次手术的痛苦和风险。

据悉，该产品已经通过了大动物实验，并获得了良好的效果。目前，该产品已经进入了临床试验阶段，将在多个医院进行前瞻性、多中心、随机、单盲、平行对照的研究，评价其安全性和有效性。该产品主要适用于非关键承重部位的骨折内固定，如手、足、肋骨等。据估计，该产品在一年内会降解 50%，在 3 至 5 年内会基本降解完，无需二次手术。

医用镁合金的应用任重而道远，如何通过调控镁合金结构与组成、优化表面处理方法来控制降解速率、解决氢气聚集问题是未来研发创新的突破点。医用镁合金在心血管支架、口腔科等医用耗材领域的应用研究也在逐步推进，未来有望在非承重部位的固定植入物领域全面替代不锈钢和钛合金。

 03 生物镁合金有哪些好的性能？ 

（1）生物镁合金表面涂层性能 表面涂覆技术包括微弧氧化、化学转换和电泳沉积涂覆等，涂层能很好的调控基体镁合金在植入初期较快的腐蚀速率，并最终达到一个稳定范围的降解速率。而且还可以加强镁合金在体内的生物活性等，使植入体特别是在开始植入阶段，能与周围骨组织有机结合在一起，从而加快骨组织的愈合。

（2）生物镁合金力学性能 选取特定的合金化元素和最佳的热处理工艺，有望制备具有低腐蚀速率，高强韧性等力学性能统一的生物材料，并开发出更具有应用前景的生物材料。好的力学性能使可降解镁合金在植入初期有很好的承载能力，并在长期服役期间，保持力学性能完整性，促进血管重构、骨的生长和愈合。并且，对工艺和合金成分的调控后，生物镁合金力学性能将会有极大改善，能更好地应用于临床医学，实现产品研发。

（3）生物镁合金可持续降解 由于镁的化学性质比较活泼，于是镁合金器械在人体的长期植入过程中，会自动溶解，并释放无毒金属离子，促进伤患处愈合，因而，具有可降解性。且通过调控一系列关于镁合金的杂质元素、成分及工艺，可以达到生物体内稳定可持续降解的目的。这种生物镁合金的可持续降解性可以减少患者二次手术所引起的伤痛、额外费用及感染风险，且避免目前常用的钛合金等医用金属植入物在体内释放有毒离子造成的炎症反应等隐患。 人体体液是一个复杂的生物环境。当镁合金在体液中腐蚀时，环境中的氯离子会加速镁合金的腐蚀，而磷酸盐和碳酸盐却会促进表面保护性腐蚀产物层的生成。此外，人体温度37 ℃是高于室温，会加速腐蚀反应，但也会有助于不同形式磷酸钙等产物的形成。最后，其他环境因数，如血液pH为7.4、体内蛋白质、细菌等有机物也会进一步协同影响腐蚀反应的进程。

（4）生物镁合金表面抑菌性能 当材料植入后，如果成骨细胞比细菌吸附得更快，则有利于骨组织增长；反之，则会引起感染。而镁可能因为其溶解产生的局部碱性环境，对细菌吸附有较好的抑制作用。此外，细菌主要进入骨缺损位置形成生物膜，而这种生物膜是骨科感染的主要因素，使在生物膜内的细菌很难被人体免疫系统杀死。镁可以抑制生物膜的形成，有很好的抗细菌感染性。在另一方面，添加一些抑菌的合金化元素，如Ag等，会使镁合金具有更加优良的抑菌性能。

 04 可降解镁材料的缺陷及未来方向 

生物医用镁合金具有良好的生物相容性、力学相容性和可降解性而受到了广泛关注，但是也存在一些问题： ● 力学性能相对低，无法满足心脏支架对力学性能的高要求，需同时从材料和支架设计入手。 ● 考虑降解速度过快，需要与具体的临床应用相对应。 ● 种类繁多，难以选择，且难以进行相互对比。

针对上述问题，众多研究者提出镁合金的合金化、表面处理、非晶化和复合材料等各类解决方案。实验表明，虽然抗腐蚀性能得到了明显改善，但4类方案仍然没有完全解决镁合金在实用化道路上的所有问题。可降解镁合金材料的未来研究方向可考虑：

（1）通过合金化、冷加工、热处理和表面处理等方法改善镁合金耐腐蚀性能；

（2）添加合金元素对于材料生物相容性的影响；

（3）对腐蚀过程中材料力学性能变化的分析；

（4）可降解镁合金材料腐蚀产物的成分分析以及生物安全性评价。

随着各地各级政府大力推动医疗器材产业，使我国医疗器械产业供应链逐渐齐全，加上过去产学研相关金属材料研发能量的累积，有利国内发展生物医用金属材料相关产业。

 05 可降解生物镁合金应用 

 心血管支架：传统心血管支架一般由不锈钢与高分子制成，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。但传统支架有一定的弊端，如不锈钢支架永久存在血管内，可引发局部炎症反应，有供血血管再狭窄的可能性；高分子支架力学性能较差，在降解期间，容易在植入处造成酸性环境，延缓病愈。镁合金因易降解性及力学性能符合植入材料要求，可被制成可降解心血管支架。

可降解镁合金血管支架是镁合金作为可降解生物材料研究领域的最大进展。德国Biotronik公司采用激光雕刻技术对WE43(质量分数：Mg-4%Y-3%Re)镁合金管进行加工而成世界首例镁合金支架，且在临床实验中证明该材料具有良好的生物相容性与物理力学性能。

目前，商用化的镁及镁合金种类就包括纯镁、AZ31、AZ91、WE43、AE21、LAE442、ZK60等。  在目前研究中的可降解镁合金支架有：AE21、AM60、wE43、铼钇镁合金支架、镁锌锂合金支架等。

 骨固定材料：镁合金作为骨固定材料，在骨折愈合初期能够提供稳定的力学性能，逐渐而不是突然降低其应力遮挡作用，使骨折部位承受逐步增大直至生理水平的应力刺激，从而加速骨折愈合与塑形，防止局部骨质疏松和再骨折的发生。 镁合金材料与人骨力学性能匹配，避免了应力遮挡效应，同时其可生物降解性避免了患者二次手术的痛苦，兼具良好的生物相容性，使之成为了一种新型骨科医用材料。

 骨修复材料：骨修复研究的最终目标是人工骨不仅可以替代受损的骨骼，还应在体内逐渐降解，并同时引导骨细胞生长，最终实现骨再生。发展新的骨组织工程修复材料，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。 常用的多孔骨组织工程材料有生物陶瓷和聚乳酸,这些材料力学性能差。多孔镁作为一种可降解的生物材料,其力学性能符合要求,且其本身具有生物活性,可诱导细胞分化生长和血管长入。

 普外科领域的应用：镁合金良好的力学性能能够对胆道管腔提供暂时的支撑作用，其可靠的生物相容性及可降解性避免了植入支架对人体的危害和长期放置引起的并发症，在肝胆外科尤其是胆道良性疾病的治疗方面有着广阔的发展前景。

 口腔科领域的应用：镁合金相对于其他金属材料而言更接近人体密质骨，作为牙种植体材料具有更好的生物力学相容性，镁合金还能促进钙磷的沉积，密质骨的生长，表明镁及其合金在口腔种植领域有良好的应用前景。同时，镁合金材料与其他金属材料相比不仅具有相似的韧性，而且其可降解的特性可避免二次手术给病人带来的痛苦，同时，作为金属材料，更易加工和灭菌。因此，镁合金作为可降解生物材料具有巨大的应用潜力，目前可降解生物镁合金已被誉为“革命性的金属生物材料”,而受到广大医疗工作者和生物材料研究者的高度瞩目。

来源:CCME众智医材