骨科内固定材料镁合金的生物学研究进展

目前金属内固定材料仍发挥重要作用，协助修复或替换已经患病或受损的骨组织。金属内固定材料的高比强度和抗断裂韧性的特点，使其适合成为固定装置。常用的骨科内固定材料包括不锈钢、钛、钴-铬合金等。但是，这些金属生物材料在腐蚀或磨损过程中，可能释放有毒金属离子和/或颗粒，导致炎症级联反应，造成生物相容性的减少，导致骨溶解，甚至置入物失败，且其弹性模量与天然骨组织不能很好匹配，形成应力遮挡效应，抑制了新骨形成和重建，降低了置入物的稳定性，在体内可永久存在则需通过二次手术去除，增加了患者的痛苦及医疗费用。另外，其降解速度难以控制，降解产物易引起无菌性炎症。

镁是一种轻金属，密度约为1.74g/cm3(密度仅为铝合金的2/3，钢的1/4)，抗断裂韧性比陶瓷大的多，与其他常用的金属置入物相比，弹性模量和比强度更接近天然骨，镁离子还能够刺激骨折端硬骨痂的生成、诱导成骨，促进骨折愈合，并刺激软骨生成。另外，镁是许多酶的辅助因子，可稳定DNA和RNA的结构。
zreiqat 等发现Ⅰ型胶原蛋白表达也明显增高，同时检测到整合素α5β1和β1配体表达明显增高，提示镁离子能促进成骨细胞的增殖与黏附。Mg2+是人体新陈代谢的关键，存在于天然骨组织中，在人体阳离子中排第4位，正常70kg的成人大概含1mol，其中大约一半的镁存在于骨组织中。细胞外液中镁的水平范围在 0.7～1.05mmol/L，在体内由肾脏和肠维持平衡。当血清镁含量超过1.05mmol/L时，可引起肌肉瘫痪、低血压和呼吸窘迫，高达 6～7mmol/L时可致心脏骤停，但高镁血症发病率较罕见，原因是其常随尿液排出。镁在体内电解质环境中，会腐蚀形成一种可溶性的、无毒的氧化物，由尿液排出。
因此，镁及其合金作为可降解、承载负重的骨科置入物，经过12～18周骨愈合期，仍能保持力学完整性，最终被自然组织所取代。但是，人体体液比自然环境更复杂，体液内的氯化物含量约为150mmol/L，其他阴离子对镁也有腐蚀作用，纯镁在生理pH(7.4～7.6)和高Cl-环境中会快速降解腐蚀(腐蚀反应为:Mg(s)+2H2O→Mg(OH)2(s)+H2(g) (1);Mg(s)+2Cl-(aq)→MgCl2(2);Mg(OH)2(s)+2Cl-→MgCl2(3))，镁置入物在骨折完整愈合前，就失去了力学完整性，且在腐蚀过程中产生氢气的速率超过了宿主组织的处理速度。
尽管有了一些早期的成功尝试，该金属置入物仍未能在临床中广泛应用。但仍存在一些方法，如应用合金元素和防护涂料，降低其腐蚀速度，当然这些处理也必须使用无毒的生物相容材料。本综述旨在就合金化镁合金、含有表面活性成分镁合金和多孔镁合金3个方面叙述镁合金的生物学性能。
含不同合金元素的镁合金的生物学性能
首次镁材料应用是在上世纪上半叶，1907年，Lambotte第一次报道了镁的使用，利用纯镁(实际纯度级别未知)与镀金钢钉固定治疗小腿骨折，由于纯镁在体内迅速降解，且术后仅8d发现广泛皮下气腔，宣告纯镁金属尝试使用失败。1944年，Troitskii和Tsitrin报告了34例，关于使用含少量镉的镁合金板和螺钉，用于固定治疗各种骨折，其中9例由于感染以及石膏下无法处理气腔而失败。在所有患者中，未出现血清镁离子浓度的增加，无明显的炎症反应，能促进骨痂形成，虽然在降解过程中会释放氢气，但可通过注射器引出。Castellani等表明了镁稀土合金置入后未出现炎性反应和血细胞比例改变。
这些说明了镁合金材料具有无毒性，可促进骨折愈合。然而，纯镁或这些简单的合金腐蚀率过快，达不到骨折愈合要求，所以期望镁置入物在体内有效力学效应至少存在12周。合金化是一个重要的方法，用以提高镁合金的力学完整性和耐蚀性。常见构成镁合金的合金元素有铝、锰、锌、钙、锂、锆、钇和稀土等，这些元素影响了镁合金的生物学性能。Witte等将AZ91D镁合金支架置入兔的股骨远端，发现其有良好的生物相容性，且在置入物周围的成骨细胞增殖更为明显。
Pietak 等研究表明镁合金促进体外成骨细胞黏附、分化和增殖，同时能促进骨质形成。M.Bornapour等发现Mg-0.3Sr-0.3Ca提高了耐腐蚀性，改善了生物学性能，其高强度、良好的弯曲性能和韧性使其比钛金属置入物更接近人体骨。Witte等人比较了四种镁合金(AZ31、AZ91、WE43、 LAE442)及聚乳酸材料(SR-PLA96)周围的新生骨量和耐腐蚀性，证实了镁合金的降解取决于合金元素的组成，同时发现镁合金周围骨矿化区面积和骨矿化沉积率明显高于聚乳酸材料。
RachelW.Li等发现利用纯Mg，Mg-1Y，Mg-5Al，andMg-2Ca的降解研究人骨髓间充质干细胞(hMSCs)的分化、增殖和基因表达，观察到Mg2+最大浓度(约8.0×10-4mol/L) 有利于ATP的产生，超过此浓度则ATP产生下降，同时发现Mg-1Y和纯Mg有利于促进hMSCs增殖和分化，提高了 TGFβ-1，SMAD4，FGF-2，FGF-10和BMP-2的表达，而SOX-2，SOX-9和TNF-α的表达则下降，镁合金通过Smad信号通路增加了TGFB-1、SMAD4、BMP和COLIA1蛋白表达，进而促进成骨分化。然而某些合金元素对人体有害，KuCH等发现铝对神经元、成骨细胞有害，与痴呆、阿尔兹海默病有关。上述实例，证明合金化镁合金的优良性能，但是合金元素的选择和含量的确定仍有待进一步改善。
含表面活性成分的镁合金生物学性能
近年来，骨科置入物表面仿生涂层修饰，促进骨重塑和防止或减少金属离子自金属置入体释放，期望降低/改善置入体表面弹性模量，并且有可能成为解决生物镁体内降解速率过快问题的途径之一。仿生纳米涂层方法包括生物大分子(Ⅰ型胶原)、生物矿物(羟基磷灰石等)，以及某些可设计的多肽等，甚至包含某些药物和骨生长因子。NanZhao等发现氟化物和I型胶原蛋白涂层降低了镁合金的降解速率。
Raza- viM等发现纳米结构的镁黄长石(Ca2MgSi2O7)涂层能提高镁合金耐腐蚀性、细胞相容性和力学稳定性。此外，在生物电解质环境中，无定形磷酸钙或镁钙磷灰石((Ca1-xMgx)10(PO4)6(OH)2)可在镁合金表面沉淀。Ki-DeogPark等也发现Ca-P涂层镁合金能刺激成骨细胞 MC3T3-E1细胞分化，进而促进骨折快速愈合。BingWang等发现HA涂层降低了ZK60镁合金降解速率，改善了ZK60镁合金纤维成骨样细胞 L929的细胞相容性。然而，Serre等人在体外试验发现富含胶原海绵和磷灰石的镁合金，对骨细胞有更高水平的毒性作用。从这些结果中，含有表面活性成分的镁合金材料有着良好的前景。
多孔镁合金的生物学性能
人骨应力减小会导致钙和磷的丢失，人骨生长或吸收取决于负荷应力，即所谓机械刺激，这是骨重新构建的本质。换句话说，弹性模量将是最重要的因素之一，其大小应该尽可能地接近宿主骨的弹性模量，而多孔镁置入物具有较低的密度和一定的比强度、选择适当的孔径可以显著改善置入物特性，使其接近天然骨组织。目前有多种技术用于生产多孔金属材料，如氩气注入法，但是为确保所得材料的生物相容性，人们必须仔细选择试剂或方法。
赵为民等人表明多孔镁支架的复合材料强度明显提高，可能解决部分脱钙骨支架和人自体骨髓间充质干细胞复合物，以及其他非金属支架(包括有机的和无机的)在置入人体早期缺乏一定力学强度的问题，提高了骨机械刺激，促进骨折愈合，从而有可能应用于负重的四肢骨缺损修复。JavierTrinidad等人发现作为骨科置入物，多孔镁的孔隙度范围在30%～69%之间时其力学性能更接近于骨小梁和皮质骨的特性。
展望前景
镁合金良好的骨诱导性、可降解性、生物相容性，使其具有成为骨科内固定材料的潜力，但对镁合金的临床应用仍需大量的研究。显然，首先在生理电解质环境中对镁材料降解速率的控制必须完成，镁材料的无毒性和耐腐蚀性，也需进一步评估。镁合金存在骨诱导性，它要求完成在体外骨细胞附着的研究，分化为成骨细胞表型，基质的增殖和形成，以及在体内骨沉积和组织生长的研究。多孔镁置入物的开发，性能和应用，也需要进一步研究。相信随着研究的深入化和系统性，镁合金材料必定会在骨科领域得到广泛的应用。