文摘
骨修复材料迅速成为生物医用材料领域的一个热门话题由于人工骨修复缺陷的一个重要手段和替换硬组织。镁(Mg)合金具有潜在的生物相容性,综合分析,生物可降解金属材料,可用于骨修复因其体内原位降解、机械性能类似于骨头,和能力积极刺激新骨的形成。然而,这些材料在生理环境中快速降解气体可能导致蛀牙,溶血和骨质溶解,因此,阻碍他们临床骨科应用程序。综述最近的工作使用镁合金在骨修复植入。研究在合金设计、表面改性和生物性能的合金是全面总结。未来的挑战和发展生物医学Mg合金用于骨修复进行了讨论。
1。介绍
作为最大的体内动态生物组织,骨骼是由无机矿物质和新陈代谢活跃细胞大量的细胞外基质包围,他们形成一个严格的框架,在维持生命活动不可替代的作用,包括支持身体和保护内脏器官(1,2]。外科治疗骨损伤已成为普遍现象,有数百万的骨损伤患者急诊全世界每年由于参与激烈的体育活动,社会不稳定,交通事故,延长人类的寿命3- - - - - -5]。骨缺陷,主要引起创伤性撕裂、后遗症的侵染诱导骨封存,先天畸形,或者肿瘤切除术,面对我们对重建手术一个极端的挑战。需要诱导骨再生修复结构性骨缺陷激发了研究和开发大量的骨修复材料(2,6]。
骨修复是一个生理过程受到各种生物力学、生物化学、细胞、激素、和病理因素。连续骨沉积、吸收和重构和足够的血液供应促进骨修复(7]。骨组织愈合的基本原则的基础上,人们提出了不同的骨修复材料。很长一段时间,自体骨被认为是黄金标准的骨修复材料替换受损或丢失的骨头,因为他们有所有必要的特点osteoconductivity刺激新骨生长,osteogenicity, osteoinductivity。然而,这些自体稀缺资源和二次手术增加病人的痛苦。此外,施主能级可能发生并发症,临床好处是没有保证的,和有一个高速率相关的并发症(4,8,9]。大量的骨修复替代材料已被越来越多的用于替代自体骨和商用骨替代品。最常用的产品是由钙磷酸(Ca)陶瓷、Ca硫酸,生物活性玻璃、天然材料和生物/合成复合材料(10- - - - - -15]。然而,这些材料的临床表现是令人不满意的。例如,一些贫穷的机械性能和显示有限osteoinduction在诊所(16,17]。金属材料是另一个替代用于病变或受损骨组织的修复或更换。金属材料目前广泛应用于骨科包括不锈钢和钛合金,因为它们是机械强和抗断裂18- - - - - -21]。然而,有一个潜在的释放金属离子和/或粒子通过腐蚀和/或磨损,引发炎症反应,可以减少生物相容性并导致组织的损失。此外,金属和骨的弹性模和拉伸强度明显不同,这可能会导致应力屏蔽,导致削弱周围的骨头。这些惰性植入物也经常需要通过入侵二次手术切除一旦骨折完全愈合。减少创伤患者,降低医疗成本,可降解植入物可以用来取代传统金属植入物和删除需要二次手术(22- - - - - -26]。
镁(Mg)合金有一个革命性的名声可降解金属材料在骨科的应用程序由于其良好的生物相容性,生物降解能力,可接受的机械性能(27- - - - - -30.]。第四个人体最丰富的阳离子,Mg是必不可少的一个元素在许多代谢过程和主要是存储在骨组织中。Mg是每天在大量进入人体的情况下,刺激骨细胞的生长,加速骨组织的愈合。Mg合金是退化的在活的有机体内由于氯的存在−在生理环境中,从而消除需要二次手术移除植入物。毫克2 +镁合金植入物的腐蚀产物,不会引起意想不到的并发症,因为过度Mg阳离子很容易消除尿液中(31日- - - - - -34]。此外,镁合金力学性能相似的骨头。(1.7 Mg合金是轻量级和密度-1.9克/厘米3)非常类似于人类的皮质骨(1.75克/厘米3),与钛合金(Ti-6Al-4V 4.47克/厘米3)和不锈钢(约7.8克/厘米3)。45毫克合金的弹性模量,绩点,相对接近自然骨,3 GPa,而钛合金和不锈钢的弹性模(110年和200年平均绩点,resp)。因此,从著名的机械应力屏蔽自然骨和金属植入物之间应该减轻(35- - - - - -37]。因此,Mg合金有望成为生物相容性,生物降解,轻量级,承载骨科植入物(22,38- - - - - -40]。
而研究Mg合金作为骨植入物导致了重大进展在过去的20年里,这些材料在人体的快速降解仍然是一个主要障碍阻碍他们在诊所使用。可生物降解材料,重要的是,植入物降解的速度匹配骨组织的愈合率,通常由一个早期炎症阶段持续3到7天,一个修复阶段,导致一个强大的治疗联盟持续大约3 - 4个月,然后重构阶段可以持续几个月到年41- - - - - -43]。因此,有必要对植入保持稳定至少12周(22]。然而,当前可用的Mg合金降解过快持有期间植入。这种快速退化导致氢气蛀牙的形成,快速植入的机械完整性丧失,和宿主组织不良反应,如局部肿胀和显著的痛苦手术后第一周内44- - - - - -46]。
最近有很多发展的机遇和挑战Mg合金用于骨修复。因此,有必要总结在这一领域的研究人员的发现。而最近发表评论(27,47- - - - - -53),更有针对性,具体探讨可降解镁合金用于骨修复。我们回顾合金化设计,表面修饰,在体外和在活的有机体内Mg在骨修复的生物学性能。新颖的见解,被用来提高生物医学的兼容性和可靠性Mg合金在骨重建领域进行了讨论。
2。镁合金的合金设计
足够的强度、韧性、抗疲劳和耐生物腐蚀是重要的特征可降解植入在骨科的应用程序使用。因为添加合金元素可以改善力学性能和降低Mg通过修改结构的腐蚀速率和相位分布,几毫克合金设计满足骨修复植入材料的要求(30.,32,60]。
2.1。合金元素
仔细选择合金元素是第一步在设计Mg合金。加强Mg-based材料,添加元素如铝、锌、钙、Ag)、Ce, Th可以生成不同的微观结构,提高机械性能的镁合金[71年- - - - - -74年]。的腐蚀,合金元素电化学势类似于Mg (−2.37 V),如Y (−2.37 V), Nd (−2.43 V)和Ce (−2.48 V),并且有相对较高的固体溶解度在Mg,如Sc (25.9 wt。Gd (23.5 wt %限制),。%的限制),Dy (25.3 wt。%的限制),可以提高耐蚀性降低内部电化学腐蚀在生理环境中(37,75年,76年]。生物相容性也需要考虑。先前的报道表明,生物营养物质(如钙、锶、锌、硅,和Mn)和跟踪无毒的元素(例如,Zr、Nd和Y)单独或一起添加到毫克矩阵不引起有害的局部组织反应,可以很容易地吸收周围组织(29日,30.,35,77年- - - - - -80年]。与可降解镁合金的发展,研究人员已经开始试图赋予Mg合金通过合金化新生物医学功能。钙、Sr、Ag)和铜作为摘要微量金属元素已确认,促进骨细胞的激活,刺激新骨形成。除了促进骨生成,这些元素也植入后抑制细菌感染,从而有效地降低发病率和死亡率,通过环境的碱性和释放抗菌金属离子(81年- - - - - -86年]。
2.2。合金系统
由于拥有良好的力学性能和耐腐蚀性能,一些商业镁合金系统已经被选为可降解镁合金处于初期阶段。商业Mg合金用于生物研究包括阿兹(Mg-Al-Zn),我们(Mg-RE-Zr), ZK系列(Mg-Zn-Zr)合金。
阿兹系列合金,尤其是AZ31 (Mg-3Al-1Zn)和AZ91合金(Mg-9Al-1Zn),都已经被广泛地研究过了在体外和在活的有机体内近年来(46,87年- - - - - -89年]。据报道,AZ31和AZ91合金释放氢在生理环境中降解,导致显著增加pH值和镁离子浓度(90年]。在汉克的解决方案中,AZ31合金比AZ91合金降解较慢,但没有显著差异在活的有机体内(91年,92年]。短期在活的有机体内AZ31和AZ91合金的研究也显示,在生物相容的Ca磷酸盐保护膜层覆盖表面,增加新植入物周围骨质的形成(92年,93年]。
我们系列合金具有良好的耐生物腐蚀,因为他们形成一个稀土(RE)氧化膜在水环境中。据报道,WE54(锆(Zr) 1.58, 4.85, 0.28, 0.08, 0.13 Gd, 0.16, 0.13 Yb,和平衡在wt.毫克%)略高于抗退化在体外比纯Mg和热处理的影响其降解[94年]。Witte等人分析了在活的有机体内降解四种不同毫克合金和证实WE43(4.16, 3.80, 0.36锆、锌、0.20和0.13 Mn,所有在wt. %)具有良好的生物相容性(93年]。然而,铝离子浓度的增加大脑中与阿尔茨海默病的发生和严重的肝毒性发生后管理的元素,比如Y, Ce,和公关6]。
最近,ZK系列合金,尤其是ZK40 (mg - 4 -锌- 0.5 - zr)和ZK60 (mg - 6 -锌- 0.5 - zr),吸引了研究人员的注意,因为组件的良好生物相容性的元素(95年- - - - - -97年]。每天摄入11毫克锌和50μg Zr是允许的,所以Mg-Zn-Zr合金比Mg-Al-Zn更有吸引力和Mg-RE-Zr合金元素的生物相容性和生物安全,候选人可降解金属用于骨修复的设备(25]。然而,Mg-Zn-Zr合金的降解率极高的担忧并限制他们未来的发展。
除了上述商业镁合金系统,新的Mg合金也被开发用于骨科应用程序,包括Mg-Ca Mg-Sr Mg-Zn, Mg-RE合金系统。
Ca,充当Mg合金晶粒细化剂,可以稳定粒度水平高达0.5%的钙含量,导致轻微的降低进一步增加(98年]。人类骨骼的主要成分,对骨细胞信号至关重要,有利于骨折愈合。据报道,Mg-1Ca合金不诱导细胞毒性和成骨细胞和骨细胞是高度活跃Mg-1Ca合金针植入兔股轴,从而展示良好的生物相容性和生物活性(84年]。
锶(Sr)和Ca属于同一家庭和有相似的理化性质和生物功能。Brar等人研究了Mg -wt。% Sr ( 、1.0和1.5 wt. %)合金,发现mg - 0.5 - sr合金降解最慢(35]。赵等人,顾et al .,分别报道,as-extruded mg - 0.5 - sr和轧制状态的Mg-2Sr合金耐腐蚀性能的最佳组合,高强度在活的有机体内生物相容性(86年,99年]。
锌(锌)是一种最丰富的人体必需的营养和安全用于生物医学应用(One hundred.]。Mg腐蚀的速度可以减少锌和镁的质量分数增加,因此加强Mg的力学性能通过固溶硬化(101年]。蔡等人报道,5 wt的锌含量。%在Mg-Zn二元合金晶界,固溶体,和中学阶段加强,导致改善耐腐蚀和力学性能(102年]。Mg-6Zn合金具有良好的生物相容性在体外基于溶血和MC3T3-E1细胞粘附试验(103年]。
因为Mg-RE合金具有良好的力学性能和耐腐蚀性能,新Mg-RE合金,如Mg-Y Mg-Nd, Mg-Gd, Mg-Ce Mg-Ld,研究了。在这其中,Mg-Nd合金腐蚀速率慢得多比其他合金(74年]。Mg-Y使用区域凝固合金制备方法和改进的耐蚀性和力学性能104年]。Mg-Y-Zn合金包含一个有趣的首选的微观结构、机械、电化学和生物属性,使它非常有前途,用作生物可降解植入材料(105年]。
2.3。合金微观结构
合金元素在Mg合金的形式可能存在第二相粒子和沉淀颗粒或颗粒边界,大大提高力学性能通过第二相强化。
图1介绍了第二阶段的典型形态毫克合金和表1介绍了可降解镁合金的第二个阶段。Mg矩阵相比,第二阶段有较高的潜力和可能促进腐蚀,浸到生理环境中伴随着的退化矩阵。调查Kannan Mg的降解性17艾尔12阶段在模拟体液(SBF)使用电化学测量,发现Mg的降解率17艾尔12是低于毫克。我们之前的研究表明,出现点状腐蚀和开裂毫克17艾尔12阶段在汉克的解决方案和降低比AZ31合金和纯毫克(慢得多106年]。
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当评估镁合金植入物用于骨修复,第二阶段和Mg矩阵的稳定性在不同条件下可能显著影响降解和生物反应在体内植入物。杨等人从理论上研究四个传统的第二阶段的热力学稳定性Mg-Zn-Zr, Mg-Ca, Mg-Sr, Mg-Al-Zn合金,以及矩阵在bioabsorbable毫克的锌合金,通过Dmol3计算方法。第二阶段的相位稳定性高于Mg矩阵,但相位稳定性相当不同为不同类型的第二阶段和second-phase-4H2O系统(71年]。为了评估的影响第二阶段可降解镁合金植入物的生物安全,毫克17艾尔12第二阶段从Mg-Al-Zn合金进行了研究在体外生物相容性和巨噬细胞吞噬作用。毫克17艾尔12第二阶段不引起溶血和优秀cytocompatibility。毫克17艾尔12粒子处理endolysosomal隔间和溶酶体在消化毫克发挥重要作用17艾尔12粒子(107年]。
然而,并不是所有的合金元素镁合金形成第二相粒子。正如上面提到的,一些合金元素在Mg固体溶解度相对较高,如Y (12 wt。%的限制),Sc (25.9 wt。Gd (23.5 wt %限制),。%的限制),Dy (25.3 wt。%的限制),可以以固体的形式存在的解决方案,从而实现固溶强化。的解决方案,原镁晶体结构保持不变,但产生晶格畸变,因此混乱的运动变成了阻碍,导致强度的增强毫克。高等人探讨了影响固体的解决方案在二进制Mg-Y单相合金的力学行为。他们发现在室温下增强硬度随着Y含量的增加,因为大Y的原子半径的差异和Mg和一个相对广泛的溶解度108年]。此外,固溶体合金也可能影响降解的Mg合金通过改善耐蚀性降低内部第二阶段之间的电化学腐蚀和Mg矩阵。张等人研究了固溶处理对Mg-15Y合金的腐蚀和电化学行为,发现解决方案治疗降低了电化学腐蚀的程度因解散毫克24Y5第二阶段为矩阵(109年]。因此,坚实的解决方案可能是一个可行的替代方案生成一个单相镁合金,可以帮助改善Mg合金的耐腐蚀性能在骨科的应用程序。
2.4。杂质在镁合金
在铸造和精炼,镁总介绍了多余的杂质元素的含量。杂质元素镁合金通常包括铁(Fe)、镍(镍),和铜(铜)66年,110年]。这些元素可以显著加速毫克时腐蚀浓度超过公差范围(111年- - - - - -113年]。标准为毫克~ ppm杂质元素铁、镍20 - 50 ppm, 100 - 300 ppm铜(wt. %)。以下公差范围,没有杂质颗粒形成,因此,不存在电化学阴极网站来加速腐蚀作用,使腐蚀速率非常缓慢。水平超出公差范围时,铁、镍和铜镁合金显著增加腐蚀速率由于这些元素的低溶解度及其在电化学系列明显更高贵的位置(66年]。Atrens等人发现杂质元素明显加快海水腐蚀Mg二元合金(114年]。最近的研究表明,硅(Si)添加到活性杂质元素铁、镍、铜腐蚀是有害的,因为它扮演了一个关键的角色在促进Fe-rich粒子的形成和发展。李等人建议,Mg的腐蚀是依赖于内容的比例杂质,如铁/锰比,而不是他们的绝对含量。随着铁/锰比例的增加,高的腐蚀阶段延伸率(5]。除了加速腐蚀,过多的杂质元素也有害的生物相容性。例如,镍浸出到体内有毒生物效应和高水平的铜产生毒性作用在细胞表面115年]。为了减少杂质在铸造和精炼,坩埚,搅拌器,模具包含不谨慎地利用这些元素(31日]。
Mg合金的化学性质十分活跃,产生大量的非金属夹杂物也在铸造和精炼充当额外的主要杂质镁合金(116年]。非金属夹杂物主要包括分别以毫克3N2,MgF2,出来2,阿尔夫3。这些非金属杂质主要来自Mg合金的氧化环境氛围。例如,分别以一个常见的镁合金包容,是生产Mg和O2反应在空中。图2说明了不同形态的采用杂质Mg-Gd-Y-Zr合金(56]。毫克3N2是由于Mg和N2结合在空中。当Mg合金冶炼科幻的保护下6气体,MgF2从科幻小说之间的反应,MgS夹杂物可能形式6和液体毫克。非金属杂质大大降低铸造性能、机械性能、和Mg合金的耐腐蚀性能,净化技术正在不断发展117年]。净化Mg合金的常见方法包括气体净化、熔剂净化、过滤净化,净化,和电磁净化方法(116年]。
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3所示。镁合金的表面修饰
为了有效地提高Mg合金的耐蚀性在生理环境中,维护他们的机械完整性和改善界面生物相容性,各种表面修改已经开发出来。不同于合金技术,表面直接修改Mg合金免受周围的生物环境和防止体液渗透到基板(One hundred.,118年,119年]。基于新阶段是否生成表面的Mg合金,表面改性的方法可以分为三类:化学修改,物理的修改,这两种方法的组合(120年]。
3.1。化学修饰
化学修改被定义为新阶段覆盖Mg合金的表面通过化学或电化学合成反应。该方法消除了原生氧化层,更少的被动属性,如不能有效地防止腐蚀,但形式容易由于Mg矩阵的高反应活性。化学修饰通常包括酸浸、碱热处理,氟化处理、阳极氧化、微弧氧化(毛)120年]。
酸腐蚀是一种预处理方法通常用于去除生产过程产生的粗尺度和替换本机氧化层和更紧凑的钝化层(121年]。Turhan等人报道,酸腐蚀2.5%的H2所以4解决方案将大大增强.合金的抗降解[122年]。此外,碱热处理,一种简单而经济的方法,创建了一个毫克(哦)2在衬底表面阻挡层,降低镁合金的腐蚀速率123年]。据报道,Mg的腐蚀速率是通过降低氢氧化钠处理,在氢氧化钠浓度1 M导致腐蚀速率最慢,通过形成一个保护层123年,124年]。氟化物治疗Mg合金代替原来的氧化膜薄、更均匀MgF2和高极化电阻层。MgF的优点2层包括一个高密度、低水溶性,无毒性,当氟离子释放到宿主生物体。Witte发现MgF2涂层放缓在活的有机体内LAE442合金的腐蚀没有显著地提高氟浓度在相邻骨125年]。此外,氟可以刺激成骨细胞增殖,增加新矿物沉积在松质骨,减少骨组织的溶解度在并入骨(88年]。狗的实验研究发现,fluoride-modified植入表面促进osteointegration后愈合的早期阶段安装期间的植入126年]。
阳极氧化是一个电化学过程,产生一种对金属氧化膜厚而稳定。雷等人创建了一个毫克氧化膜对AZ31B镁合金阳极氧化在恒流。这部电影有效地延迟退化AZ31B镁合金没有任何负面影响成骨细胞增殖或新骨形成127年]。毛是一个高压plasma-assisted阳极氧化过程,被广泛用来修改可降解镁合金的表面。毛涂料非常困难,有良好的耐磨性,温和的耐蚀性,和更好的热稳定性和介电性能128年]。林等人准备forsterite-containing毛涂料在ZK60镁合金减缓退化和提高合金的生物属性。发现毛的耐腐蚀涂层增加准备电压增加。裸露的ZK60镁合金相比,MAO-coated ZK60没有显著降低溶血率和细胞毒性L929细胞。图3介绍了ZK60合金的表面形态生成与毛涂料在不同电压(29日]。
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3.2。物理的修改
不同的化学方法,没有表面之间形成化学键和基质物理修改。修改的目标是提供一个物理屏障,改善镁基板的耐蚀性。物理的修改可以通过引入执行磷灰石涂料、聚合物涂料、激光表面处理,或冷喷涂料(120年,129年]。
磷灰石是自然骨的主要无机成分。它可以明显促进骨折的恢复由于其良好的生物活性。此外,磷灰石也可能提高植入物作为防护层的抗降解由于其相对较低的溶解性和热稳定性高130年]。
磷灰石家族的重要成员之一,羟磷灰石(HA)显示了最近的化学成分与骨矿物质和被广泛用于外套镁合金骨修复(120年]。王等人开发了一个HA涂层ZK60镁合金与HA的降解,发现它在阻止合金和增加cytocompatibility L929细胞,呈现ZK60合金更适合整形应用程序。此外,抗压强度没有显著恶化指出在涂层合金相比裸一个(131年]。
聚合物涂料也有前景的镁合金修改在骨科的应用程序使用。Gray-Munro等人研究了聚合物涂层的腐蚀速率的影响AZ31镁合金在SBF使用计划,这是一种半晶质的生物可降解聚合物,并发现涂层防止腐蚀,特别是在植入的早期阶段(90年]。
激光表面处理,使用高能激光光束,也被用来调节生物降解的Mg合金和被发现导致二次相位解散并创建一个细粒结构。不愿等人发现了重大的解散Mg的第二阶段17艾尔12.当使用激光表面处理(132年]。类似的结果被郭等人报道,Khalfaui等人WE43和ZE41合金使用激光加工(133年,134年]。明显的改善耐腐蚀也被观察到上述修改后的合金(135年]。
冷喷涂技术是表面工程的Mg合金的一种可行的方法。冷喷涂涂层的沉积包括弹道冲击粒子,通常规模从1到100不等μm,加速了高速气流,对衬底表面喷洒。低温过程,冷喷涂特别适合生物活性涂层的沉积Mg合金,从而能够抑制氧化和衬底的相变。最近Noorakma等人研究了HA的沉积在一个AZ51合金使用修改后的冷喷涂过程,发现这一修改帮助保留HA的特点。沉浸在SBF长达14天显示HA-coated AZ51合金生物活性,促进磷灰石形成(136年]。
3.3。化学和物理的修改
考虑单一的化学和物理治疗的局限性,综合修改,涉及化学和物理治疗方法已经获得越来越多的关注。据报道,double-modified层有效改善抗生物降解的基质和控制降解率在一个更大的范围内(120年]。郭等人编造了一个毛/ poly-L-lactic酸(丙交脂)复合涂层WE42合金表面通过密封丙交脂毛涂层物理联锁。这个毛/ PLLA-modified WE42合金被发现具有良好的耐蚀性和cytocompatibility。图4礼物WE42的表面形态、WE42-MAO WE42-MAO /丙交脂前后四天被淹没在汉克的解决方案(57]。如数据所示4(一)和4 (d),WE42镁合金严重腐蚀了汉克的解决方案。WE42经历了强烈的表面腐蚀,如图4 (d)基于更深层次和更广泛的裂缝和孔洞,以及白色絮状的沉淀积累。微孔隙和微裂隙被随机分布在毛的表面涂层(图4 (b))。毛淹没后,涂层表面与白色絮状沉淀腐蚀(图4 (e))。生物相容性丙交脂密封层光滑均匀,覆盖裂缝和孔隙表面的毛涂层(图4 (c))。如图4 (f)没有显著的变化,表面的毛/丙交脂的表面WE42-MAO /丙交脂样品仍然覆盖着一层完好无损,没有腐蚀的迹象显示。
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4所示。生物可降解镁合金作为骨植入物的性能
是重要的生物可降解镁合金具有良好的体内生物相容性为了应用于临床[130年]。因此,在体外和在活的有机体内生物可降解镁合金的性能已经研究多年来(137年]。
4.1。在体外生物性能
在体外实验可以用来模拟和预测腐蚀和Mg合金的生物相容性在活的有机体内(138年]。相比在活的有机体内实验中,在体外实验是更方便和可以提供快速、合理的反馈效果(139年]。顾等人研究了在体外腐蚀和生物相容性的九个二进制Mg-1X (wt. %, X =, Ag)、锰、硅、Sn, Y,锌、和锆合金使用扫描电镜,X射线衍射,拉伸测试,浸泡试验,电化学腐蚀测试、细胞培养和血小板粘附。添加合金元素Mg的强度和耐蚀性的影响。铝、硅、锡、锌、锆改善Mg的强度,而铝,锰、锌、锆减缓腐蚀的铸态Mg-X合金在SBF和汉克的解决方案。相反,如果和Y Mg腐蚀的负面影响。细胞毒性试验表明,Mg-1Al Mg-1Sn, Mg-1Zn合金提取不显著减少成纤维细胞(l - 929和NIH3T3)的可行性,Mg-1Al, Mg-1Si, Mg-1Sn, Mg-1Y, Mg-1Zn,和Mg-1Zr合金提取没有显著的毒性对成骨细胞(MC3T3-E1)和Mg-1Al Mg-1Zn没有负面影响血液vessel-related细胞的可行性(ECV304和VSMC)。溶血试验、Mg-1In Mg-1Mn Mg-1Si, Mg-1Y合金低的溶血率小于5%。坚持血小板大约是圆形的,有轻微的蔓延的伪足,但少了坚持合金比纯Mg控制(140年]。王等人研究了在体外细胞反应和退化的镁合金M1A (Mg - 1.42 wt。% Mn)在SBF和albumin-containing SBF (A-SBF 40 g / L)。他们发现的腐蚀M1A强烈影响白蛋白的存在是由于白蛋白吸附和螯合的协同效应。M1A样品有传播细胞和细胞生存能力好,暗示M1A镁合金有可能在可降解植入。图5介绍了表面形态的M1A在A-SBF浸泡30分钟后(58]。图5(一个)说明白蛋白的存在并不显著影响钝化层的形成在第一0.5 h的浸。然而,评估后的表面清洁(数字5 (b)和5 (c))表明,晶界仍然是首选网站发起的腐蚀和腐蚀相对统一的测试表面。然而,在体外化验不能完全概括在活的有机体内实验,因为在活的有机体内环境更复杂(141年]。Witte等人调查的影响在体外和在活的有机体内腐蚀性环境的腐蚀速率gravity-casted .和LAE442毫克合金,发现腐蚀是关于四个数量级的慢在活的有机体内比在体外(92年]。
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4.2。在活的有机体内生物性能
在活的有机体内动物实验必须进行优化模拟生理环境的人体临床前实验。在活的有机体内动物实验帮助描述局部组织反应Mg-based植入物通过后续的测试,包括血清分析、影像学检查、ct机调查,组织学分析,植入考试(142年]。局部骨反应可降解镁合金取决于降解的速率,腐蚀产物,Mg合金的稳定性。
张等人将Mg-Zn-Mn合金植入老鼠调查在活的有机体内镁合金的降解反应的可生物降解的Mg植入骨头,和镁合金的降解对血液成分的影响和器官。Mg-Zn-Mn合金被发现在不同的利率降低骨髓腔和皮质骨。新骨组织,但不是纤维囊形成在Mg植入物植入后4 - 6周。更多的新骨组织,以及膜,被发现在植入10和26周后植入。Mg-Zn-Mn植入物的降解引起血液成分变化不大,肝脏和肾脏(143年]。Dziuba等人开发了一个新的可降解镁合金,ZEK100,探索其长期退化和生物相容性在成年雌性新西兰白兔。重要的是,ZEK100降解缓慢在活的有机体内。然而,有利在活的有机体内退化是不一定有良好的生物相容性和缺乏一般病理相关疾病明确表明镁植入没有可接受的生物相容性。在这项研究中,ZEK100引起各种当地的病理影响严重的骨骼改变的形式(142年]。柴等人植入β磷酸三钙(TCP)涂布Mg AZ31合金股骨的老鼠与1毫米打超前钻眼后手动演习评估移植骨和生物降解性。图6显示了杆样品的扫描电镜β-TCP-coated AZ31、裸AZ31和Ti-6Al-4V合金植入后1、4、12周(59]。为β-TCP-coated镁合金,表面细胞和细胞分泌蛋白质被发现后1周。4周后,棒植入覆盖着大量的有机蛋白质。12周后,降解产物和裂纹表面厚比先前的计算。赤裸裸的镁合金,1周后许多裂缝被清楚地看到。4周后,细胞分泌蛋白质表面上被发现。12周后,薄薄一层,几乎覆盖了排泄矩阵裸体镁合金样本观察。相比之下,钛合金表面形态是一样的在不同的时间点。这表明,βtcp层减缓退化赤裸裸的镁合金植入的早期阶段和确认βtcp涂层大大提高osteoconductivity,在12周的术后早期骨生成。
5。结论和建议
本文提出并讨论了最近的研究和发展镁合金用于骨修复。重要一直努力改善机械性能,耐蚀性和生物相容性的Mg合金通过合金化设计和表面改性。总之,有巨大的潜力为未来使用的合金在骨修复外科植入材料。尽管大量的研究主要集中在生物可降解镁合金植入物,这将减少需要后续手术并导致更安全、更有效的骨修复,需要改进,本文未来的研究提出了建议。
为了更好地模拟生理环境中Mg合金的性能,需要创建有针对性的动物模型。例如,切除卵巢的老鼠模型构建探索10% SrHA涂层植入固定的影响和预防绝经后骨质疏松症(144年]。Waselau等人创造了三角碎片1厘米长臂用y形的第二和第四跖骨截骨术马和可生物降解的磷酸镁水泥的影响相比,钙磷酸盐水泥,水泥,没有骨修复、生物相容性和骨粘连(145年]。上述动物模型以及传统的骨损伤模型,应该用于未来的研究在Mg合金用于骨修复的使用。
关于使用可生物降解的可行性Mg合金在骨修复手术,联锁的骨植入物,如钉子、螺丝、针,和盘子,向周围骨必须生物力学测试。重要的是要评估骨植入固定的强度在活的有机体内通过比较常用的植入物的植入物的兴趣。Erdmann等人相比,可降解的生物力学性质mg - 0.8 - ca合金和常用的不锈钢(S316L)螺丝使用单轴拉拔力测试的速度在MTS 858迷你Bionix 0.1毫米/秒。mg - 0.8 - ca有良好的耐受性和生物力学特性与S316L在第一次植入后2 - 3周。因此,它的使用作为一种可降解植入是可能的23]。卡斯特拉尼等人研究了骨植入界面强度和骨整合的一种新型可降解镁合金相比(Mg-Y-Nd-HRE基于WE43)和控制(Ti-6Al-7Nb)钛。相比之下,Mg-Y-Nd-HRE合金不仅增强骨骼的反应,也有优秀的界面强度,从而实现两个关键需求用于骨植入物(146年]。创建一个机械稳定骨植入界面特别成功的关键临床骨修复植入物的使用。因此,在未来需要额外的生物力学研究。
因为人体的生理环境的复杂性,长期研究需要调查在活的有机体内退化和生物相容性的生物可降解镁合金。除了上述建议,未来的工作应重点关注下面描述的主题。可控降解的发展可降解镁合金通过小说或传统的策略,如处理控制和仿生涂料,是必需的。摘要介绍合金系统的发展就是一个例子使用人体必需营养素合金(81年]。此外,由于骨脉管系统起着至关重要的作用在骨骼发育,装修,和体内平衡,血管生成Mg-based植入物也应该专注的研究[147年]。为了获得更可靠的生物安全信息和准备临床试验,需要调查的长期影响镁合金组织和器官移植。的在活的有机体内可降解镁合金的性能可能会改善在不久的将来,因此,镁合金植入物将扮演更重要的角色在骨科疾病的治疗。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
目前的工作是由浙江博士后研究优先股基金项目(2017),国家自然科学基金(81572113,81572113),广东省科技项目(2016 a020222007),深圳科技研究经费(JCYJ20160229195249481、JCYJ20160429185449249 JCYJ20160608153641020), Shenzhen-Hong香港技术合作资助计划(SGLH20150213143207910),和深圳孔雀计划110811003586331。