科学家从纳米尺度观察到人体植入镁合金降解速率

瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员首次在纳米尺度上观察到用于生物医学应用的镁合金的腐蚀。这是更好地预测人体植入物降解和开发定制植入物材料的重要一步。这项研究的结果已经发表在《高级材料》杂志上。

镁及其合金越来越多地用于医学，可用作骨外科手术的植入材料，如螺钉或钢板。它也可以用作心血管外科手术中扩张狭窄冠状血管的支架材料。

与由不锈钢、钛或聚合物制成的常规植入物相比，轻金属具有生物可吸收性的优点，因此无需第二次手术即可将植入物从患者体内取出。镁还促进骨骼生长，从而有助于骨折愈合。

然而，纯镁太软，不适合这种外科应用。为了获得必要的强度，必须添加合金元素，通常是稀土元素钇和钕。由于这些物质是人体的异物，当植入物被移除时，它们可能会在人体内积聚，从而导致不可预测的后果。这种植入物更不适合儿童。

苏黎世联邦理工学院金属物理与技术实验室的约格·洛夫勒教授开发了一种新的合金系列，除镁外，还含有不到1%的锌和钙。这些元素，像镁，是生物相容的，可以被人体吸收。

根据不同的制造工艺，由三种合金元素形成的沉淀物将在新开发的合金中形成。这些沉淀物大小不同，通常只有几十纳米。然而，有必要提高植入材料的良好机械性能，并可能影响材料的腐蚀速率。

然而，这些生物相容性镁合金的广泛外科应用仍然面临障碍，主要是由于在所谓的生理条件下对体内金属降解的机制了解甚少。因此，不可能获得这种植入物在体内停留时间的可靠预测。

洛夫勒教授和他的同事借助于分析透射电子显微镜(TEM)可以在几秒钟到几小时的模拟生理条件下以前所未有的纳米分辨率详细观察镁合金的结构和化学变化。这种现代技术的使用已经证明了一种以前无法获得的脱合金机制，该机制可以确定镁基体中沉淀物的降解。

当与模拟体液接触时，研究人员可以近乎实时地观察到钙和镁离子是如何从排泄物中逸出的，而锌离子则是如何保留和积累的。结果排泄物的化学成分不断变化，这也证明了排泄物在沉积物中的电化学活性是动态变化的，即加速了植入材料的降解。

该项研究的主要作者、洛夫勒教授的博士生马蒂娜·西科娃说，“这种理解颠覆了以前的教条。迄今为止，人们一直认为镁合金中析出相的化学成分在腐蚀过程中保持不变。这一假设导致大多数关于人类植入持续时间的预测都是错误的。”

由于新的发现，现在可以设计镁合金来更好地预测它们在体内的降解行为，并更精确地控制它们。这对于儿童植入手术尤其必要，因为儿童体内镁植入体的降解速度比成人快得多。此外，镁合金支架的降解速度明显慢于接骨板或螺钉。“随着我们对详细腐蚀行为的了解，我们已经朝着为不同患者和医疗应用定制合金的目标迈出了关键的一步，”希乔瓦说。