摘要：生物镁合金具有良好的生物相容性和生物安全性，在骨支架、心血管支架和骨钉等植入医疗器械中展现出极大的应用前景。与其他医用金属（如不锈钢和钛合金）相比，镁合金的杨氏模量更接近天然骨组织，这有助于减轻骨重建过程中的应力屏蔽效应，为骨愈合及与周围组织的结合创造更有利的
01背景与意义
生物镁合金具有良好的生物相容性和生物安全性，在骨支架、心血管支架和骨钉等植入医疗器械中展现出极大的应用前景。与其他医用金属（如不锈钢和钛合金）相比，镁合金的杨氏模量更接近天然骨组织，这有助于减轻骨重建过程中的应力屏蔽效应，为骨愈合及与周围组织的结合创造更有利的环境。重要的是，镁合金在服役期间可在体内逐渐降解直至被完全吸收，巧妙地实现其作为临时替代物的临床需求；同时降解释放的镁离子不仅能参与体内多种代谢反应，还对骨细胞的活性、增殖和分化起着关键作用。这一特性使得生物镁合金的应用改变了传统医用金属植入器械的设计和功能，带来了新的医疗效果，被誉为“革命性的医用金属材料”。针对目前开发的系列生物医用镁合金，发现稀土镁合金因其优异的综合性能而受到广泛关注，尤其是在骨科植入物和心血管支架的应用中，取得了实质性和令人鼓舞的研究进展。
为此，江西理工大学帅词俊教授课题组杨明立博士与杨友文副教授等人综述了稀土镁合金在力学性能、降解性能和生物学性能方面的研究现状。重点讨论了稀土元素在改善镁合金的力学性能、调控降解行为以及赋予植入物生物功能方面的作用，以及医用镁合金中稀土元素的生理效应和设计标准。此外，本文还探讨了稀土元素对镁基合金性能的影响机制，并阐明了其在植入物生物功能中的理论基础。最后，讨论了稀土元素对镁合金制备过程的影响，并对当前稀土镁合金的临床应用进行了分析，指出了目前存在的挑战，并提出了展望，为提高镁合金的综合性能以及发展提供新的思路。
02图文导读
稀土元素独特的价电子结构赋予其独特的物理和化学性质。研究表明，加入稀土元素的镁合金可以有效解决其在生理环境中快速降解的问题，同时提升镁合金的机械性能、生物性能和加工性能。然而，作为合金元素，稀土必须满足无毒、无过敏、无刺激、无致癌等安全要求。因此，在考虑稀土元素在生物医学镁合金中的应用时，了解其生物反应性至关重要。为此，本文重点综述了稀土镁合金的生物相容性、抗菌性能、成骨作用、血管生成效应以及抗肿瘤活性等方面的研究进展。
生物降解镁合金的降解行为受多种复杂因素的影响，部分稀土元素对镁合金降解行为的影响如表1所示。由于镁具有较低的标准电极电位和较高的化学活性，它在生理环境中易受到电偶腐蚀的影响。更为严重的是，合金表面形成的腐蚀层在生理环境下易溶解且疏松，容易被氯离子腐蚀，进而形成多孔结构。此外，降解过程中会产生大量氢气，导致腐蚀层严重脱落和解体，无法有效保护镁基体。因此，在新形成的骨能够承受足够机械负荷之前，镁合金种植体会经历快速降解，进而影响其机械性能。幸运的是，稀土合金化处理能够有效改善这些问题，优化镁合金植入物的降解行为。其改善机制主要体现在以下三个方面：1）减缓微电偶腐蚀，2）改变相类型、体积分数及分布，3）提高腐蚀产物层的致密性和完整性。
表1 部分含稀土镁合金的降解行为
除了优良的生物性能和适宜的降解速率外，充足的机械性能是镁基骨科植入物的必要前提。这一点在承重部位尤为重要，因为植入物需要提供有效的结构支持，以维持初期的机械稳定性，促进长期的骨结合及骨缺损的修复。稀土元素的加入显著改善了镁合金的力学性能，一些含稀土镁合金的力学性能如表2所示。大量研究表明，稀土元素可以提高材料的机械强度和塑性变形能力）。这些改进主要归因于细晶强化、固溶强化、沉淀强化和弥散强化等机制。
表2 一些含稀土镁合金的力学性能
化学活性较高的镁合金在加工过程中容易氧化，形成非金属夹杂物，这些夹杂物可能呈球形、棒状或不规则形态，并破坏镁基体的连续性。它们不仅会引起应力集中，还可能成为缺陷源，显著影响镁合金的机械强度和耐腐蚀性。加入稀土元素可以改善镁合金的铸造性能。由于大多数稀土元素具有较高的熔点，它们能提高析出相的共晶温度和稳定性，从而有效减少热裂的发生。目前，稀土镁合金的常用加工技术包括锻造、挤压和轧制，尤其是激光增材制造技术。该技术可以精确控制外部轮廓和内部结构，为植入物的个性化定制提供了新机会，进而改善患者的治疗效果并提供定制化的医疗解决方案（图1）。
图1 具有个性化结构的激光增材制造植入物用于修复人体组织
随着医疗技术和卫生标准的进步，生物可降解金属植入物作为惰性金属植入物的替代品已成为治疗各种疾病的一种有前途的解决方案。然而，生物可降解金属的临床应用仍然相对有限。目前，经过长期研究，只有少数稀土镁合金植入物成功商业化（图2）。
图2 近十年来的稀土镁合金植入体研究现状
03结论与展望
稀土元素对生物医用镁合金的降解行为、力学性能、生物相容性及其他关键生物医学功能具有重要影响。尽管已有一定进展，但将生物医用稀土镁合金作为外科植入材料应用仍面临若干挑战。作为可降解植入物，深入分析生物医用稀土镁合金在实际生理条件下的表现是获取可靠生物安全信息的关键。鉴于人体生理环境的复杂性，多种稀土元素在不同植入部位的代谢过程及相互作用需通过长期研究加以探讨。此外，生物医用稀土镁合金的功能涂层还需进一步开发和应用。为了模拟人体复杂的生理环境，亟需开发并实施能够再现人体血液流动的实验装置，以深入分析稀土镁合金的行为和耐久性。在临床应用方面，制定相关技术标准对于推动稀土镁合金及其相关技术的进步至关重要。
04文章信息
该文章发表在《Journal of magnesium and Alloys》2024年第12卷第4期：
[1] Mingli Yang, Cheng Chen, Dongsheng Wang, Yinjin Shao*, Wenhao Zhou, Cijun Shuai, Youwen Yang*, Xinghai Nin*. Biomedical rare-earth magnesium alloy: Current status and future prospects [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2024, 12(4): 1260-1282.
05下载链接
06中文摘要
生物医学镁合金因其独特的可降解性、良好的生物相容性和适宜的力学性能而受到广泛关注。稀土元素凭借其独特的物理化学性质，在显著提高生物医学镁合金的力学性能、降解行为和生物性能方面发挥了重要作用。目前，一系列稀土镁合金正被设计和研究用于骨科植入物和心血管支架，并取得了可喜的研究进展。本文全面总结了生物医学稀土镁合金的最新研究进展，讨论了稀土元素在生物医学镁合金中的生理作用及设计标准，特别深入研究了其降解行为和力学性能及其潜在机制。此外，还回顾了稀土镁合金的制备技术和当前应用现状。最后，本文提出了当前面临的挑战，并展望了未来的研究方向，以指导高性能生物医学镁稀土合金的发展。
07英文摘要
Biomedical magnesium (Mg) alloys have garnered significant attention because of their unique biodegradability, favorable biocompatibility, and suitable mechanical properties. The incorporation of rare earth (RE) elements, with their distinct physical and chemical properties, has greatly contributed to enhancing the mechanical performance, degradation behavior, and biological performance of biomedical Mg alloys. Currently, a series of RE-Mg alloys are being designed and investigated for orthopedic implants and cardiovascular stents, achieving substantial and encouraging research progress. In this work, a comprehensive summary of the state-of-the-art in biomedical RE-Mg alloys is provided. The physiological effects and design standards of RE elements in biomedical Mg alloys are discussed. Particularly, the degradation behavior and mechanical properties, including their underlying action are studied in-depth. Furthermore, the preparation techniques and current application status of RE-Mg alloys are reviewed. Finally, we address the ongoing challenges and propose future prospects to guide the development of high-performance biomedical Mg-RE alloys.
08作者简介
第一作者/通讯作者简介：
帅词俊，教授，博士生导师，植入医疗器械增材制造江西省重点实验室负责人，一直从事增材制造组织再生结构研究，发表SCI论文290余篇，其中ESI高被引76篇、热点36次，期刊Most Cited/Hot Article 12篇、优秀论文奖5篇、中国科协优秀科技论文1篇(基础研究论文10篇中排第1)；入选Elsevier 2022中国高被引学者（机械工程）；获省自然科学一等奖等省部级奖励7项（均排1），入选长江特聘、万人领军、国家优青等人才计划。担任中国工程院院士增选外部同行评选专家，长江学者、万人计划、国家优青、国家重点研发等会评专家，期刊副主编/编委。
杨明立（第一作者），博士，江西理工大学讲师，担任江西省机械工程学会增材制造分会理事，主要从事激光增材制造可降解金属植入物研究，发表SCI论文16篇，其中高被引论文3篇；授权国家发明专利1项；主持/参与国家自然科学基金、重点实验室开放课题等研究项目；获中国金属学会冶金医学奖；指导学生获得中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛省级银奖，获批大学生创新训练国家级项目。
转载：JMACCMg
来源：特铸杂志
