可降解医用镁基金属骨科材料应用迈向新里程
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。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。

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与其助手用镁钉治愈了4例儿童肱骨髁骨折,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,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。 近年来,随着金属材料技术的发展,镁合金的力学性能和耐蚀性能均得到大幅改善。生物可降解金属新概念的提出,使镁基金属的医学应用研究又重新获得重视,针对可降解镁基金属材料在骨科植入物产品中的应用进行了大量的体内外研究。 在2005年,Witte等研究了铸态AZ31、AZ91、LAE442以及WE43四种工业用镁合金在豚鼠股骨内的植入行为。研究结果表明,在植入1周后所有实验组中均在皮下发现了H2气囊,但这些气囊在2-3周后自行消失,没有对豚鼠产生不良影响。同时,这四种镁合金表面在降解的过程中均形成了一层与周围骨组织直接接触的含Ca以及P的矿物层。与PLA对照组相比,在植入6周、18周之后,镁合金的植入显著的增加了骨膜处和骨内膜处新骨生成量。 2007年Duygulu等将AZ31镁合金螺钉植入羊的髋骨,在植入3个月后,螺钉发生了明显的降解,降解的部分被新生骨所取代。 近几年先后有纯镁及镁合金材料的临床植入研究报道。2013年,Windhagen等进行了MgYREZr合金空心螺钉进行脚拇指外翻手术后固定的临床研究工作。MgYREZr合金螺钉植入的6个月内,在植入部位没有观察到排异反应、骨溶解以及炎症反应,同时也未见跖趾关节强直现象。影像学检测表明,植入物部位没有发生缺血性坏死以及气体聚集。植入6个月后,MgYREZr合金螺钉未全部降解,骨组织已经完全愈合。 通过前期的基础研究和临床试验研究发现,可降解镁基金属具有良好的生物相容性和骨诱导性,同时由于材料科学的进步,其降解速率也能控制在合理的范围内,虽然由于其力学性能的不足,目前在临床上的应用范围具有一定的局限性,但其良好疗效已经预示着可降解镁作为骨科植入物具有广阔的发展前景。






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