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user: 2. 生物医用镁合金的性能研究 2.1. 镁锂合金的抗拉强度与延伸率 为防止镁合金制造的心血管支架在球囊膨胀过程中断裂 [ 6 ] ，需要高延性才能使塑性应变达到20%~30% [ 6 ]。316 L不锈钢是最常用的支架材料，从力学性能的角度来看，常被认为是金标准 [ 7 ]。其中316 L不锈钢，抗拉强度为480~620 MPa，延伸率为30%~40%，具有最佳的强度和延性。 Zhou等 [ 8 ] 研究的Mg-Li基合金的延伸率范围较宽(15.6%~46.1%)，与316 L不锈钢的延伸率相重叠，优于其他镁合金。此外，与其他镁合金相比，这些Mg-Li-(Al)-(RE)合金有其他优点，即除了延展性高，机械强度略微下降是可接受的。还可通过合金化和先进的工艺技术，可以进一步提高Mg-Li基合金的机械强度。例如，Chang等 [ 9 ] 发现，等通道转角挤压工艺对提高Mg-Li合金室温强度具有重要的作用。这表明Mg-Li基合金的机械特性可以调节为心血管支架可接受的值。 2.2. 镁锂合金的腐蚀性能 对于理想的生物可降解支架，需要6至12个月的时间来完成重建过程。因此，镁合金的腐蚀速率应该保持在低于0.1 mm/年的水平 [ 10 ]。普遍认为支架的溶解不得在6个月前发生，以防止血管发生机械故障或栓塞 [ 11 ]。由WE类型的合金制成并植入猪冠状动脉内的支架在植入后立即开始降解，并且在第60天内完成降解。过快降解与缺乏血管壁的有效支撑以及可能增加的炎症反应相关 [ 12 ]。减缓降解将有助于保持支架的机械完整性以及降解产物低水平释放 [ 13 ]。因此，需要具有低于WE43合金的降解速率的可生物降解材料。 M.A. Leeﬂanga等 [ 14 ] 对比了LA92、LAE912、LAE922和WE型合金的析氢速率。研究发现 [ 14 ] ，经过94天的浸泡试验，LA92合金的降解远远小于LAE912合金和LAE922合金，甚至WE型合金。此外，LA92合金的析氢速率没有出现峰值，这将被认为是该合金作为一种可生物降解植入材料的非常重要的特性。此外，挤压态LA92合金的断裂伸长率为33%，几乎是WE型合金的两倍。从降解性能、析氢速率和力学性能，特别是延展性等方面考虑，LA92合金可能是心血管支架应用中最感兴趣的合金，值得进一步的体内外研究。 2.3. 镁锂合金的降解性能 可降解生物材料的另一个重要性能是降解速率，即镁合金的腐蚀速率。这不仅关系到组织的愈合期，而且在中也会导致生物材料在降解过程中力学性能的丧失。Zartner P.等 [ 15 ] 将可吸收金属支架(AMS)植入早产儿，意外结扎左肺动脉。左肺再灌注持续4个月，支架逐渐降解过程完成。在一项多中心和非随机的研究中，对63名患者的AMS支架进行了评估。结果表明，71个支架，长度10~15 mm，直径3.0~3.5 mm，重量约3 mg，可获得与其他金属支架相似的即刻血管造影结果，4个月后可安全降解。 在表1中，Mg-9Li-1Zn合金的腐蚀速率最高(0.38 mg·cm −2 ·h −1 )，而Mg的日释放量仍在毫克水平，远低于Mg的日允许量。这意味着在降解过程中Mg的释放对人类是安全的。 Table 1 In vitro and in vivo corrosion rates of different magnesium alloys [ 8 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 19 ] - [28 Material In vitro electrochemical corrosion rate/(μA·cm −2 ) In vitro immersion corrosion rate/(mg·cm −2 ·h −1 ) In vivo corrosion rate/(mg·mm −2 ·yr −1 ) 0.9% NaCl Hank’s solution SBF m·SBF 0.9% NaCl Hank’s solution SBF m·SBF Pure Mg(99.95%) - 15.98 86.06 - - 0.011 0.038 - - AZ31 34.10 31.60 - - - 0.0065 - - 1.17 AZ91 22.56 - - 65.70 - 0.0028 - - 1.38 WE43 27.30 30.60 16.03 - - - 0.085 - 1.56 ZE41 - - - - - 0.0626 - - - LAE442 - - - - - - - - 0.39 AZ91Ca - - - 17.80 - - - - - AZ61Ca - - - 36.50 - - - - - Cast Mg-Mn-Zn - 1.45~1.60 - - - 0.003~0.010 - - - Extruded Mg-Mn-Zn - - 79.17 - - - 0.05 - 0.92 Extruded Mg-Zn-Y - 1.88~4.47 - - - - 0.015~0.04 - - Cast Mg-1Ca - - 546.09 - - - 0.136 - 2.28 Extruded Mg-1Ca - - 75.65 - - - 0.040 - - Mg-3.5Li - 4.28 - - - 0.02 - - - Mg-8.5Li - 6.61 - - - 0.022 - - - Mg-3.5Li-2Al-2RE - 14.2 - - - 0.34 - - - Mg-3.5Li-4Al-2RE - 10.4 - - - 0.144 - - - Mg-8.5Li-1Al - 4.18 - - - 0.02 - - - Mg-8.5Li-2Al-2RE - 6.87 - - - 0.058 - - - LAE92 - - - - - 0.017 - -- Mg-6Li-1Zn - 1.725 ± 0.888 - - - 0.15 - - 0.08 Mg-9Li-1Zn - 6.367 ± 0.511 - - - 0.38 - - 0.25 表1. 不同镁合金的体内外腐蚀速率 [ 8 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 19 ] - [ 28 ] 2.4. 镁的病理生理学和毒理学研究 考虑到镁合金的所有元素都会进入人体，应考虑可吸收生物材料的生物安全性和生物相容性。从材料科学的角度看，添加合金元素特别是稀土元素和锂、锆、钙等元素能够有效地改善其力学性能以及耐腐蚀性能，Li元素的加入将镁合金的晶格结构由六方紧密填充(Hcp)转变为体心立方(Bcc)，提高镁合金的延展性和成形性，锆是无铝镁合金中一种有效的晶粒细化剂。钙提高了合金的强度和抗蠕变性能，起到细化晶粒的作用 [ 29 ]。在可降解生物材料的设计中，在可能的情况下应尽量避免存在潜在毒理学问题的元素，如果不能将这些元素排除在设计之外，这些元素只应在最低限度和可接受的数量内使用。由于Ca、Zn、Mn是人类必需的元素，这三种元素应作为生物医用镁合金元素的首选 [ 30 ]。合金元素的第二选择应该是对镁合金性能有重要影响的元素，包括Li、Al和Zr。LAE442和AZ91合金的体内实验表明，这两种镁合金具有良好的生物相容性 [ 16 ] [ 17 ]。然而，鉴于Li和Al的严重毒性，这两种元素的添加应谨慎行事。 考虑到较高的血浆Li离子浓度与毒性症状有关，对Mg-Li基合金中Li + 的释放，还需要进一步的研究。已被报道，在30和50微米的超低浓度下，轻稀土元素，包括铈和镧，可以降低RAW-264.7、MG-63和HUCPV细胞的活性 [ 31 ]。此外，Feyerabend F.等 [ 30 ] 发现锂对原代细胞和细胞系的影响的短期评价表明，锂对细胞活力没有负面影响。因此，对Mg-Li基合金进行研究，探索这些材料应用于心血管支架的可能性是非常有意义的。Heublein B.等 [ 32 ] 以及Zhou等 [ 8 ] 研究发现，Mg-Li-(Al)-(RE)合金对内皮细胞的活力略有降低，但明显降低了对平滑肌细胞的活力，这是其作为支架材料的主要优势，因为前者有利于支架的内皮化，降低了反应和血栓形成过程中的可能性。后者可能是抑制新生内膜增生的有效方法。