医用镁合金性能及其合金化改善途径研究进展

石尘尘,苑克真,高冬芳,乔阳*

（1.济南大学 机械工程学院，济南 250022；2.山东大学第二医院 基础医学研究所，济南 250033）

医用金属材料，是指可以经过临床手术植入生物体与生物体的本体相结合的一种金属材料[1]，是一种极具发展前景的医用植入材料。优异的生物可降解金属材料应满足以下几点：首先，应具备优异的生物相容性；其次，应具有良好的腐蚀降解性能和适宜的降解速率。愈合后，不需要二次手术取出[2]；最后，需要具有一定的生物活性，能够促进成骨细胞的增殖分化，从而加速愈合[3]。截止到目前，可以用来对生物体内病症进行医治的医用材料主要包括传统医用金属材料(不锈钢、铁基合金等)、生物有机非金属材料(如有机高分子材料)、无机非金属材料(如生物陶瓷、碳素材料)及其他复合材料等[4]。与传统医用金属材料相比，新型医用金属材料在生物相容性、可降解性等方面上具有很强的优势[5-6]。

医用镁合金是一种新型医用金属材料[7-8]，具有较好的生物相容性、力学性能和可降解性能。并且相较于钛合金、不锈钢、钽合金等传统医用金属材料，医用镁合金能有效缓解“应力遮挡”效应，并且可避免二次手术取出给患者带来的生理及心理损伤[9]；与锌合金及多孔结构材料相比，医用镁合金可塑性更好，表面改性更加简单。据相关研究报道，Mg2+有利于骨骼的恢复生长，不仅可以促进血管的生成，还可以调节骨骼的免疫反应[10-11]。除此之外，镁合金还具有密度低、质量轻、比强度高等优点，而且弹性模量和抗压屈服强度与人骨相近。因此，近年来在生物医疗植入领域有着广阔的应用前景[12-13]。

近年来，镁合金作为可降解生物材料被广泛应用于骨修复、血管支架等临床领域。2013年，德国公司研发的治疗轻度拇外翻畸形的Mg-Y-REZr镁合金，因其具有良好的生物相容性和骨传导性，获得欧盟CW认证，正式应用于骨修复等临床[14]。2017年，由中国科学院金属研究所研发的医用Mg-Zn-Ca合金成功应用于骨修复领域。2018年，美国斯坦福大学医学院研究团队利用医用镁合金成功制造出一种可植入式心脏支架，植入后在体内可提供支撑和修复受损心脏血管的作用。关于镁合金的研究不断深入，未来医用镁合金将会应用到更多的临床领域。

然而，与一些惰性生物医用材料相比，镁及其合金在人体内耐腐蚀性能较差，降解率高。并且降解过程中会产生更多的氢气，导致力学性能降低，在愈合期前失效[10,15-16]，因此需要进一步改进。基于以上讨论，本文综述了医用镁合金具有的综合性能，包括其相较于其他材料所具有的良好的力学性能、腐蚀降解性能和生物相容性等。并通过分析不同元素对医用镁合金微观组织结构(包括晶格畸变、晶粒细化等)的改善效果，进一步总结了元素对合金性能的影响，为今后医用镁合金的研究发展提供了参考方向。

1 医用镁合金综合性能

1.1 力学性能

医用植入器械在力学性能方面应该与人骨相近，能够代替人骨完成正常的生理活动，并且应具有和人骨相当的强度、韧性及适当的弹性和硬度[11]。除此之外，可植入材料在人体内工作时应该给人带来与人骨相似的体验，这要求医用植入器械拥有明显的抗疲劳、抗蠕变性能及足够的耐磨性和自润滑性[17]。

医用镁合金作为医用植入物具有良好的力学性能，其密度为1.7～1.9 g/cm3，与人体密质骨密度(1.75 g/cm3)相近，是铝合金的2/3和不锈钢的1/4。并且，镁合金还具有高导热、高阻尼[18]及无磁性(对Computed tomography或Magnetic resonance imaging检查干扰小，可以对植入区域进行核磁共振成像造影)等优异性能。

此外，医用镁合金的断裂韧性比陶瓷材料更强，其弹性模量与人骨的弹性模量(20 GPa)比较接近[19]，屈服强度更接近正常骨组织，能有效抵抗因弹性模量不匹配而产生的应力屏蔽[12]，在临床上对骨折愈合、延长植入体的服役时间具有重要作用。医用镁合金与不同医用植入材料的力学性能对比如表1所示。通过表中数据可以看出，镁(Mg)与其他材料相比，在取代天然骨用作医用金属材料方面有着天然的优势。

表1 不同医用植入材料的力学性能对比[20]Table 1 Comparison of mechanical properties of different medical implant materials[20]

1.2 腐蚀降解性能

医用镁合金发生的腐蚀类型可以分为电偶腐蚀、晶间腐蚀及点腐蚀等。在电解质溶液中，当具有不同电势的两种金属彼此接触时，就会发生电偶腐蚀。在电偶系列中，如果Mg与作为更高电位的其他金属接触时，则始终都是阳极[21-22]。因此，镁合金会优先被腐蚀。电偶腐蚀也可能是由于镁基体中存在有害杂质或金属间元素引起的。而晶间腐蚀发生在晶界处[22]，主要是由于二次相的沉淀。对于传统的金属合金，二次相比晶粒内部更活跃，从而导致晶间腐蚀[23]。Song等[24]经研究认为，这种类型的晶间腐蚀不会发生在镁合金之中。由于沿晶界分布的晶间相比镁合金基体更耐腐蚀，晶间次生相没有被破坏。点腐蚀的产生是由于在制备医用金属材料时杂质含量不同，导致材料与体液之间发生的腐蚀。点腐蚀是局部腐蚀的一种形式，与腐蚀性环境中钝化层的分解有关[21]。由于材料的电偶差异，镁合金微观组织中的杂质会进一步促进点腐蚀的发生[25]。此外，体液的氯化物环境和阳极溶解物质的镁离子的结合也会进一步促进点蚀凹坑的形成[25]。点蚀对医用镁合金的影响非常显著，一旦点蚀开始，镁合金就会迅速被腐蚀，这会降低骨科植入物的承载能力。并且，点蚀还会增加局部应力，进而导致裂纹的生成[26]。

镁合金的腐蚀主要受其自身成分和显微组织的影响，在镁合金内部的杂质元素是重要的影响因素。对于纯镁来说，其耐蚀性主要与有害杂质的含量有关[27]。任伊宾等[28]研究发现在镁合金中Fe、Cu、Ni的最高含量分别可以达到1.7×10-4wt%、1×10-3wt%和5×10-6wt%，如果超过了这个界限，镁合金的腐蚀速率将会明显提高。除此之外，镁合金由于所处的外部环境不同时，其所受到的腐蚀也不相同。首先，在体液中存在大量的离子，它们对镁合金的腐蚀速率都有或多或少的影响，其中Cl-的浓度对镁合金的腐蚀降解性能影响最大，通常随着Cl-浓度的不断增加镁合金的腐蚀速率加快[29]；其次，在人体血液中还存在很多的有机物，如蛋白质、氨基酸、葡萄糖等也都会对镁合金的耐腐蚀性能产生一定影响。Xin等[30]研究了不同的有机物对镁合金耐腐蚀性能的影响，结果表明蛋白质可以附着在镁合金的表面延缓腐蚀，氨基酸最初的吸附会抑制镁合金的溶解，但随着时间的延长反而会起到催化剂的作用，使镁合金的腐蚀速率加快[31]，而镁合金的腐蚀电位随葡萄糖浓度的升高而下降，腐蚀速率也有显著的降低[32]。

1.3 生物相容性

生物相容性是指人体的细胞组织与植入材料适应性和包容性的程度，它包括生物安全性等，具体表现在材料的无毒性、无致癌性、温度适应性及在人体体液中的稳定性[33]。由于其出色的可降解性和生物相容性，医用镁合金被预测为可降解血管支架和医用骨植入物最有潜力的选择之一[34]。对于植入血管的材料(如血管支架等)还应该具备良好的血液相容性，即不破坏红细胞及血小板、不改变血红蛋白、不会对血液中的电解质产生影响等性能[35]，镁合金与其他医用金属材料相比拥有更加良好的生物相容性，能够满足人体对医用金属材料的要求。Pan等[36]对镁合金的血液相容性进行了实验观测如图1所示，从图1(b)可以看出粘附在Mg表面的血小板数量为9 562个血小板/mm2，血小板聚集明显，与其他样品相比，图1(c)体现了Mg表面的环鸟苷单磷酸(cGMP)浓度相对较低(30 nm/L)，说明镁合金可以显著改善血小板的附着能力和活性，具有较好的生物相容性。

图1 ((a),(b)) 附着在不同表面上的血小板的SEM图像和数量；(c) 不同样品上血小板的环鸟苷单磷酸(cGMP)表达；((d),(e)) 不同样品的溶血率和活化部分凝血活酶时间(APTT)[36]Fig.1 ((a),(b)) SEM images and number of platelets attached to different surfaces; (c) cGMP expression of platelets on different samples;((d),(e)) Haemolysis rate and APTT of different samples[36]

医用镁合金优异的生物相容性除了能够促进血细胞活性外，还具有良好的骨诱导性，能够与骨组织紧密结合，促进骨再生和修复。Mg2+能够诱导骨细胞的生殖分化[1]。当纯镁植入人体后，会在人体骨膜表面产生磷酸盐类物质(如磷酸镁)，同时镁合金在人体中释放出的Mg2+有利于骨细胞的生长，并刺激其增殖和分化，诱导周围的成骨细胞大量增殖，促使受损骨骼能够迅速愈合[37]。Zhang等[38]研究发现，将纯镁植入到实验大鼠骨髓腔内后，促进了股骨周围生成新骨，并且骨膜神经纤维能够分泌出具有标志性的神经递质及相关肽。在骨膜部位，感觉神经末端被Mg2+刺激后能够分泌出大量的神经递质(如神经元降钙素基因相关多肽-α (CGRP)等)，增多的CGRP会诱导骨膜内成骨干细胞的分化，以便于新骨在骨膜部位快速形成。杨婷婷[39]将大鼠前体成骨细胞和镁合金共同培养，研究表明，镁合金中的Mg2+促进了成骨细胞分裂繁殖，具有较优的细胞增殖特性。Mg2+可以通过多种途径来促进成骨细胞的增殖和分化，Zhou等[37]进一步阐明了Mg2+促成骨增殖分化的机制，如图2所示。此外，有研究表明，碱性磷酸酶(ALP)是成骨细胞功能的一项重要指标，能够反映成骨细胞的成骨能力[40]。Liu等[40]研究发现将小鼠胚胎成骨细胞(MC3 T3-E1细胞)加入Mg-0.03Cu浸提液后，细胞中的ALP活性明显增强，反映出合金中的Mg2+能够促进成骨细胞的成骨能力。并且，王健等[41]的研究也发现6 mmol/L和10 mmol/L的Mg2+均能够提高大鼠乳鼠颅骨成骨细胞中ALP的活性，促进细胞的成骨分化。

图2 镁离子通过促进增殖和分化来增强成骨示意图：(a) Mg2+通过Mitogen-Activated Protein Kinase/Extracellular Signal-Regulated Kinase途径(控制干细胞成骨分化的信号通路之一)促进干细胞分化为成骨细胞；(b) Mg2+通过改善成骨分化促进新骨形成；(c) Mg2+通过上调骨髓间充质干细胞中的愈合骨骼中的细胞外基质成分(COL10 A1)和血管内皮生长因子(VEGF)的表达来增强骨再生；(d) Mg2+激活Wingless/Integrated信号通路(在细胞间进行通信和调控的机制)以上调β-连环蛋白及其下游基因(LEF1、DKK1)的表达[37]Fig.2 Schematic diagram of magnesium ions enhancing osteogenesis by promoting proliferation and differentiation: (a) Mg2+ promotes differentiation of stem cells into osteoblasts via Mitogen-Activated Protein Kinase/Extracellular Signal-Regulated Kinase pathway (one of the signaling pathways controlling osteogenic differentiation of stem cells); (b) Mg2+ promotes new bone formation by improving osteogenic differentiation; (c) Mg2+ enhances bone regeneration by upregulating extracellular matrix components in healing bone (COL10 A1) and vascular endothelial growth factor (VEGF) expression in bone marrow mesenchymal stem cells; (d) Mg2+ activates Wingless/Integrated signaling pathway (mechanisms for communication and regulation between cells) upregulates the expression of β-linked protein and its down-stream genes (LEF1,DKK1)[37]

此外，关于镁合金作为医用植入材料，必须考虑以下方面[19]。其一，生物相容性及生物安全性。合金化元素必须使用无毒性元素；其二，较好的力学性能。作为骨科植入材料，屈服强度值应大于200 MPa，伸长率不小于10%，在37℃的模拟体液(Simulated body fluid，SBF)中降解速率小于0.5 mm/year，以保证植入物的有效“寿命”为90～180天。相反，心血管支架则需要较高的延展性(大于20%)和适中的抗拉强度；其三，可控的生物降解。大多数镁合金很容易受到局部腐蚀的影响；均匀和可控的降解对于准确预测植入物的“预期寿命”至关重要。这三方面是高性能医用植入材料的关键。表2为临床应用中医用镁合金作为血管支架、接骨板和骨螺钉等的形式植入人体的标准。

表2 医用镁合金器材植入标准Table 2 Criteria for implantation of medical magnesium alloy devices

2 不同元素对医用镁合金性能影响

合金化可以起到改善合金微观结构[50]、细化合金晶粒[51]、优化第二相[52]等作用。钙(Ca)、锌(Zn)、锰(Mn)、锶(Sr)和稀土元素(RE) (如钇(Y)、钆(Gd))等都是常用的合金化元素，对于提高镁合金的力学性能、生物相容性和耐腐蚀性能具有显著影响。图3解释了近年来元素合金化处理工艺在镁合金中的研究进展。然而，不同的元素对镁合金的成分、相组织与微观结构会产生不同的影响，从而致使镁合金综合性能呈现不同程度的增长或减弱。近年来，关于合金元素对镁合金性能影响的研究不断增加，根据不同元素对镁合金性能的影响不同，本文主要对以下元素(Ca、Zn、Mn、Sr、RE等)进行了综述。

图3 合金元素强化镁合金特性的研究进展[53]Fig.3 Magnesium alloys progression with strengthening their characteristics with alloying elements[53]

2.1 Ca元素

Ca是人体所必需的重要元素之一，人体每天所需摄取Ca的含量在1 000～1 200 mg左右[54]，是骨骼发育的基础元素[55]。此外，Ca元素还可以刺激多种酶的产生和参与激素分泌，并维持体液的酸碱平衡，对心血管系统也有直接的影响。

在医用镁合金中添加适量的Ca元素能够细化晶粒从而可以改善镁合金的微观组织，提高其力学性能。Ma等[56]研究了不同Ca含量对挤压Mg-2Zn-0.5Mn合金的显微组织和力学性能的影响。研究发现，Ca的添加可以细化挤压态合金的晶粒，合金平均晶粒尺寸由未添加Ca之前的5.4 μm变为1.5 μm。同时，随着Ca的添加，未再结晶区域变大，织构强度变强，合金整体织构强度增加。并且，由于Ca2Mg6Zn3相和晶粒细化的作用，合金的极限抗拉强度在Ca含量为0.4wt%时，达到327 MPa，其综合力学性能达到最佳。此外，Ca元素的加入能够降低合金中二次相体积分数的增加，减少较细相(可以提供更多的电偶位点)的产生，从而抑制合金的电偶腐蚀，表现出最佳的腐蚀降解性能。Zhang等[57]将Mg-2Zn-0.2MnxCa(0%、0.38%、0.76%、1.10%)浸泡于模拟体液中发现，随着Ca含量的增加，腐蚀速率先下降后上升。当Ca的含量为0.38%时，合金晶粒细化，且第二相体积分数较小，表面氧化膜致密，耐蚀性较好。但是研究还发现，当Ca在0.76%和1.10%时，由于含量较多，导致了Mg-Ca的第二相体积分数的增加，形成了微电偶腐蚀，导致腐蚀速率增加，反而降低了腐蚀降解性能，并且添加Ca元素的含量较少时也会对合金的腐蚀性能产生不利影响。因此，应严格控制Ca的添加量，使其发挥最佳性能。

钙(Ca)在生物相容性方面也表现出了良好的特性，不仅可以促进骨细胞的增殖分化，还能与骨组织结合诱导骨再生。Mohamed等[58]将Mg-0.8Ca医用镁合金浸泡在Hanks' 平衡盐溶液(Hanks'balanced salt solution，HBSS)后发现，在合金表面形成了碳化羟基磷灰石(Ca10(PO4)3(CO3)3(OH)2)，其与人体骨骼中的“生物”磷灰石相似，能够促进细胞黏附和骨细胞的生长。同时，还通过二苯基四氮唑溴盐(MTT)活力测定来评估Mg-0.8Ca医用镁合金在体内的细胞活性和毒害性，将HEK293细胞在不同培养基上培养并通过吸光度值检测细胞活力。通过对比实验得出，Mg-Ca合金清液上的细胞活性更高，表明此合金可以促进细胞增殖分化，从而诱导骨骼的愈合，并且对细胞无毒害作用，表现出良好的生物活性和生物相容性。此外，Kim等[59]通过对Mg-35Zn-xCa (x=1～5)合金的研究也表明，Mg-35Zn-2Ca合金在力学性能、腐蚀降解性能和细胞响应方面表现出显著有效的改善，并且Mg-35Zn-2Ca合金可以促进成骨细胞增殖，有助于骨缺损的骨整合。

总之，在合金中加入适量Ca元素不仅可以通过细化晶粒增加镁合金的力学性能，还可以通过减小第二相体积分数、降低基体的电位差及增强氧化膜的致密性等方式，对腐蚀起到一定的阻碍作用，从而提高镁合金的耐腐蚀性能[51]。并且，适量Ca元素的加入使镁钙合金具有良好的生物相容性，对细胞表现出无毒害作用，可作为临床医用植入材料使用。

2.2 Zn元素

Zn元素在人体中扮演着非常重要的角色，大部分都储存在人体的器官和肌肉中，不仅参与核酸及蛋白质的合成，促进骨骼生长和营养物质代谢，还可以增强人体免疫功能，维护细胞膜结构的同时，具有抗菌消炎的能力[60]。

Mg-Zn合金在医用合金材料中是极为常见的。在医用镁合金中加入一定量的Zn之后，能够起到细化晶粒作用，从而促使合金强度和延伸率得到提高。申广鑫等[61]研究了不同含量的Zn对Mg-4Y-1Ca镁合金微观组织和力学性能的影响，研究表明：随着Zn(1%、3%、5%)的加入，组织得到细化，经热挤压变形后，晶粒细化更加明显，延伸率和强度也得到显著提升，并且在Zn含量为5%时，伸长率和强度达到最大值。此外，Zn元素在细化晶粒的同时也具有很强的固溶强化机制，能够增强镁合金的力学性能。Cai等[62]研究发现，当合金中Zn的含量≤5wt%时，能够通过晶粒强化、固溶强化和第二相强化等作用机制使合金强度逐渐增强。不仅如此，Zn元素的添加还能够提高合金的耐蚀性，通过促进Mg2 Ca相的生成抑制其他相与基体的电偶腐蚀，从而降低基体的腐蚀降解性能。Wei等[63]研究了Zn作为合金化元素添加到Mg-xZn-0.2Ca-0.1Mn合金中对合金腐蚀降解性能的影响，通过比较Mg2Ca相、α-Mg相和Ca2Mg6Zn3相的电位确定了电偶腐蚀的发生顺序首先从Mg2Ca相开始，发现Zn元素的添加(超过0.2wt%，但不超过1wt%)可以促进Mg2Ca相的不断生成，抑制其他相的生成；并且Mg2Ca相可以保护镁基体不受腐蚀的侵害。

Mg-Zn合金也具有良好的生物相容性。Zn与Ca元素一样，不作为主要的合金元素时对细胞均无毒性，且在一定程度上对细胞的活力具有促进作用。He等[64]将Mg-5.62Zn合金棒植入12只具有肝、脾、心的兔股骨中进行了生物相容性实验，经研究发现合金对不同身体部位的功能均无有害影响。Cao等[65]研究了添加Zn对Mg-xZn-0.5Ca-0.4Zr合金(x=2、3、4、5)的生物相容性的影响。通过对细胞进行的生物相容性测试表明，铸造后的Mg-4Zn-0.5Ca-0.4Zr合金具有较低的溶血率和出色的增殖能力，具有优异的生物相容性。

由此可见，Zn元素对医用镁合金的性能影响是相对显著的。除了上文提及的固溶强化机制、抑制电偶腐蚀和改善腐蚀降解性能等作用，Zn的添加还可以改善医用镁合金的加工性能，使其更容易进行塑性变形和成形加工，在进行医用镁合金骨钉、血管支架等医疗器械的加工中效果尤为明显。此外，Zn和Ca也表现出相似的生物相容性，医用镁锌合金材料可以调节人体细胞活性，并且适量锌离子的释放可以促进细胞增殖和骨细胞的分化。

2.3 Mn元素

Mn元素与Zn元素一样，是保证人体健康所必需的微量元素，维持着人体内多种生理功能的正常运转[66]。并且，Mn的存在还可以维持人体内各部分骨骼的正常发育，促进糖和脂肪正常代谢及抗氧化作用，对骨的形成、氨基酸的合成和身体的基础代谢具有重要意义。

Mn也是镁合金中重要的合金元素之一。Mn的添加不仅可以细化晶粒，还能够通过固溶强化及第二相强化机制提高合金的性能。Abdiyan等[67]研究了挤压Mg-1Gd-3Zn-xMn (x=0、0.5、1)合金的微观组织、局部力学性能和腐蚀行为。结果表明，Mn的添加使合金的力学性能提高。并且由于晶粒细化、第二相颗粒体积增大(第二相体积分数从1.9vol%达到了2.9vol%)及含Mn合金固溶体浓度较高的原因，合金的硬度从HV 60增加到了HV 66。此外，加入一定量的Mn还能够在镁合金中生成含Mn的致密氧化膜，可以起到阻止腐蚀离子渗透的作用，以此来达到提高合金耐蚀性的目的[68]。赵德华等[69]采用汉克溶液浸泡实验和动电位极化实验研究了Mg-4n-0.5Ca-xMn (x=0、0.4、0.8)合金的腐蚀降解性能。实验表明，随着Mn含量的不断添加，合金的耐蚀性逐渐提高。并且，在合金中加入Mn后，腐蚀产物层中形成了附加的氧化锰和二氧化锰膜，其能抑制Cl-向腐蚀表面渗透，如图4所示。这种氧化膜可以增加合金的稳定性，进而证明Mn的添加有助于合金耐蚀性的增强。

图4 Mg-4Zn-0.5Ca-xMn合金在Hank'溶液中30天的腐蚀速率及其飞行时间二次离子质谱法(ToF-SIMS)对氯离子、MnO和MnO2薄膜进行2D成像分析：(a) Mg-4Zn-0.5Ca；(b) Mg-4Zn-0.5Ca-0.4Mn；(c) 4 h后Hank'溶液中的Mg-0Zn-5.0Ca-8.2Mn合金[69]Fig.4 Depicts the corrosion rate of Mg-4Zn-0.5Ca-xMn alloy in the Hank's solution for 30 days,along with the 2D imaging analysis of chloride ions,MnO,and MnO2 thin films using time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS): (a) Mg-4Zn-0.5Ca; (b) Mg-4Zn-0.5Ca-0.4Mn;(c) Mg-0Zn-5.0Ca-8.2Mn alloy after 4 h in Hank's solution[69]

此外，适量Mn的加入具有良好的生物相容性，并可促进骨诱导和骨再生的形成。Shi等[70]制备了Mg-2Zn-1Mn、Mg-3Zn、Mg-3Zn-1Y和Mg-2.5Y-2.5Nd 4种合金，通过体外实验发现，除Mg-2Zn-1Mn无细胞毒性外，其他3种合金均具有不同程度的细胞毒性。将Mg-2Zn-1Mn植入新西兰兔肱骨后发现，骨缺损愈合良好，骨骼外观与正常兔几乎相同，并且没有明显的过敏和排斥反应，表现出良好的生物相容性。但是值得注意的是，Mn的浓度过高也会对生物细胞造成损害。过量的Mn元素降解在血液中，可诱导形成自由基，从而通过干扰抗氧化酶活性等方式引起线粒体能量代谢失衡和氧化应激，最终可能诱发帕金森综合症和阿尔茨海默症等疾病[71]。并且Ding等[72]通过研究Mn元素对动物细胞的影响也发现，Mn浓度在10 μmol时就会对新生大鼠耳蜗培养物中的神经元和感觉细胞造成损害，并且剂量越大损害程度越高。

不难看出，Mn元素与Zn元素在提高医用镁合金力学性能方面具有相似的作用机制，都可以通过固溶强化、细化晶粒、强化第二相等方式作用于合金的微观结构从而改善其性能。在生物相容性方面，Mn也具有一定的促进作用，可以在一定程度上促进骨细胞的增殖分化；但是，需要严格控制Mn含量的添加，使其在不损伤人体的同时发挥最佳效果。

2.4 锶(Sr)元素

锶(Sr)已被确定为用于医疗应用的潜在元素。其密度为2.64 g/cm3，具有与Mg相同的生物相容性和成骨性，并且Sr有助于减少骨折的发生[20]。

Sr被公认为金属镁的晶粒细化剂，可改善骨组织生长并延缓腐蚀。在医用镁合金中添加Sr(小于2%)往往会使化合物脱离晶粒限制，并增加拉伸强度和屈服强度[73]。Qin等[74]以Mg-2Zn-0.5Ca-xSr (x=0、0.5、1.0)合金为原料，研究了锶添加对Mg-2Zn-0.5Ca合金组织结构演变、腐蚀降解性能和力学性能的影响。研究表明，随着Sr元素的加入，Mg-2Zn-0.5Ca合金晶粒得到明显细化，并且得到细化的晶粒随着Sr含量的添加而增多，合金最大抗压屈服强度也逐渐增强。同时由于晶粒尺寸的减小、晶粒组织相对均匀及晶界数的增加，合金的腐蚀速率也在一定程度上得到降低。研究还表明，当Sr含量在0.5wt%时，镁合金耐蚀性达到最高，具有最佳的综合性能。

Sr作为人体必需的微量元素，除了能促进成骨细胞生长发育，抑制破骨细胞的分化和活化，还具有优良的生物安全性，表现为高度的无毒无害性。Wen等[75]为了验证Sr元素的生物相容性，对Mg-1Zn-1Sn-xSr (x=0、0.2、0.4、0.6)合金进行了体内体外实验测试。结果证明，Mg-1Zn-1SnxSr合金有利于细胞增殖、黏附和扩散，具有良好的组织相容性；并对Mg-1Zn-1Sn-xSr合金的降解产物是否安全进行了检验，对与大鼠肝肾功能和血清镁浓度密切相关的血清生化指标进行了监测，结果如图5所示。虽然血清镁浓度在植入后第3天略有升高，但在第7天迅速恢复正常。这些结果表明，降解产生的金属离子或颗粒不影响肝肾功能，所有大鼠在所有观察时间点的肝肾功能指标均在正常参考范围内，Mg-1Zn-1Sn-xSr合金的生物安全性是可靠的。

图5 植入前后肝肾功能的主要血清生化指标水平：(a) 丙氨酸氨基转移酶；(b) 天冬氨酸氨基转移酶；(c) 肌酐；(d) 血尿素氮；(e)血清镁[75]Fig.5 Levels of the main serum biochemical indicators of liver and kidney function before and after implantation: (a) Alanine aminotransferase;(b) Aspartate aminotransferase; (c) Creatinine; (d) Blood urea nitrogen; (e) Serum magnesium[75]

相比于Ca、Zn、Mn元素，Sr元素也具有类似的力学性能和生物相容性。除此之外，还有稀土(RE)、锆(Zr)等元素也具有良好的生物相容性，但是它们的力学、耐腐蚀等性能差异显著，需要配合多种元素添加共同作用于医用镁合金的性能改善，单一元素的添加对合金性能的影响效果有限。

2.5 稀土(RE)元素

稀土元素(RE)是指镧系元素及钪(Sc)和钬(Ho)两个元素的集合，因其在地壳中的含量较低，因此被称为“稀土”元素。RE元素具有一些特殊的物理和化学性质，在改善镁合金综合性能方面具有良好的效果。

RE元素的种类多样，并且每种元素的性质差异明显，因此在镁合金中加入不同的RE元素往往具有不同的影响。研究表明，钆(Gd)的添加能够导致晶格畸变的产生，改变合金内部的晶体结构，提高合金的力学性能。杨淼等[76]通过添加质量分数为0.5wt%、1wt%、1.5wt%和2wt%的稀土元素Gd对AM50医用镁合金进行改性试验，研究了目标元素对金属在溶液中应力腐蚀敏感性的影响。研究发现，Gd元素的加入导致了晶格畸变的产生，并且Gd原子固溶与镁合金中引起的晶格畸变有助于钉扎位错，会起到固溶强化的作用，从而提高合金的力学性能。钇(Y)元素能够限制晶粒的长大，从而起到细化晶粒的作用，有助于提高合金的强度和热稳定性。Zhao等[77]通过研究钇(Y)元素的添加对粉末冶金Mg-Zn-Zr合金的微观组织结构和力学性能的影响发现，加入钇元素后，合金晶粒的平均尺寸相较于未加钇元素的合金减小了0.2 μm，晶粒得到细化。此外，Y的加入使合金微观结构更加均质化，抑制了孪生变形，从而提高了基体稳定性。并且更细且分布均匀的晶粒削弱了镁合金的基础织构，提高了屈服强度，从而使镁合金的力学性能显著上升。除上述区别外，RE元素在生物相容性方面也具有一定差异。Liu等[78]验证了16种稀土元素对镁性能的影响，研究发现镥(Lu)元素会造成严重的细胞溶血，对生物体造成不利影响，而其他RE元素的影响相对较小。

目前为止，相较于其他元素，稀土元素的研究相对较少，并且加入稀土元素的镁合金，在实际应用中还是存在争议的。一方面，在镁合金中加入钪(Sc)、铕(Eu)、铽(Tb)和镱(Yb)等元素可以提高合金的延展性，加入钇(Y)、镧(La)和镨(Pr)等元素可以提高合金的强度，加入钕(Nd)、镱(Yb)元素能让合金表现出较好的耐腐蚀性；另一方面，一些稀土元素对人体具有毒副作用，如钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)等重稀土元素。因此，在通过稀土元素改变合金性能的同时，更需要注意元素本身对被植入对象的影响，确保安全性的同时提高合金性能。

2.6 其他元素

除上述所提到的元素外，还有一些元素通过不同机制影响着医用镁合金的性能。与Mn元素一样，铟(In)元素也能够通过生成氧化膜改善合金的耐蚀性。Yin等[79]通过控制In元素的添加，建立了Mg-In合金双层结构的腐蚀膜层，如图6所示。腐蚀层横截面呈现出一个内部含In层，并伴随着一个外层致密的Mg(OH)2层，其分布在交错或叠层分布的In(OH)3和In层之间。这种新型双层界面结构极大地改善了Mg-In合金的耐腐蚀性，并具有自我修复能力，在出现磨损时，仍然具有高修复效果。而对于合金中晶粒的影响，除上文提到的元素外，锆(Zr)、铝(Al)等元素也具有类似的效果。锆(Zr)元素通常被用作镁的晶粒细化剂，加入到镁合金当中可获得高度细化的等轴晶粒。这是由于Zr元素在镁合金晶界附近形成了一种阻碍晶粒生长的弥散相，阻碍了晶界的运动和晶粒的长大，从而起到了晶粒细化的效果[80]。Wan等[81]将Al元素添加到高强度Mg97Zn1Y2合金中，研究了元素对合金微观组织结构的改善机制，并确定了Al的最佳添加质量分数。结果表明，随着Al含量的增加，合金的晶粒得到明显细化，并促进了合金位错密度的增加，使其在外力作用下更难发生滑移，从而提高了合金的强度和硬度。并且在基体中加入Al固溶体能够导致晶格畸变的产生并伴随着Mg17Al12相的产生，从而产生固溶强化作用。

图6 镁铟合金腐蚀过程中电化学置换反应的横截面机制示意图：(a)铟离子在镁表面的吸附和置换反应等腐蚀过程；(b) 短时间(25天)浸泡后形成的腐蚀层；(c)长期(200天)浸泡后形成的腐蚀层[79]Fig.6 Cross-sectional mechanism of electrochemical replacement reactions during corrosion of magnesium-indium alloys: (a) Corrosion processes such as adsorption of indium ions on the magnesium surface and replacement reactions; (b) Corrosion layer formed after a short period of time (25 days) of immersion; (c) Corrosion layer formed after a long period of time (200 days) of immersion[79]

不同元素对医用镁合金的性能影响差异显著，然而由于元素种类众多，这里不再赘述。下表简要总结了近年来合金化处理后部分合金的力学性能和腐蚀速率表3～表5。

表3 Mg-Zn合金的力学性能与腐蚀速率Table 3 Mechanical properties and corrosion rate of Mg-Zn alloy

表4 Mg-RE合金的力学性能与腐蚀速率Table 4 Mechanical properties and corrosion rate of Mg-RE alloy

表5 镁基四元合金的力学性能与腐蚀速率Table 5 Mechanical properties and corrosion rate of magnesium-based tetrameric alloys

3 结论与展望

本文围绕镁基合金的元素合金化处理技术进行综述，通过总结梳理近年来国内外学者的研究进展及成果，进一步分析了不同合金化元素对合金的力学性能、腐蚀降解性能和生物相容性的影响，为后续医用镁合金的临床应用提供了有力保障。基于上述分析，对于目前医用镁合金存在的不足提出未来发展方向：

(1)医用镁合金在生理环境中的高降解速率依然是亟待解决的问题，合金化后镁合金的力学性能、腐蚀降解性能及生物相容性之间未能达到较好的平衡状态，未来应加强对腐蚀降解速率机制的研究，结合仿真软件实现三者的完美结合。并可根据人体部位的特定需求，开发出不同优异性能的镁基植入物；

(2)医用镁合金合金化处理对于材料的性能提高效果非常明显，但是元素和元素成分的改变对合金化后合金性能的影响是非常显著的，而现实中往往需要花费大量的时间才能验证元素和成分的改变带来的影响。因此，可以结合机器学习和材料基因工程，建立镁合金数据库，并由此进一步指导多元镁合金的开发，以期找到综合性能最佳的多元镁合金；

(3)医用镁合金力学性能和腐蚀降解速率与加工方式之间有着密切的联系，精细的加工方式往往能够决定合金使役性能的好坏。改善镁合金的性能不仅要从合金成分出发，更应该注重加工方式，例如粗糙的表面相比于光滑的表面可能更容易被腐蚀。因此，未来对于医用镁合金植入器材的加工应该更加注重，确保镁合金延长服役时间。