作者：山东中医药大学    葛炎炎

生物可降解镁合金是一类以镁为基体,添加锌、钙、锰等生物相容元素,通过调控合金组成及制备工艺,兼具良好的力学性能、生物相容性及可降解性的功能性金属材料。其低密度与骨相近的弹性模量有助于降低应力遮挡,在植入后逐步降解并被新骨替代,可避免传统钛、不锈钢植入物的二次取出。近年来,围绕合金体系(如ZX系、ZK系、WE系)、微弧氧化与复合涂层、以及增材制造[激光粉末床熔融(L-PBF)]多孔结构的研究快速推进,在足踝等小、中负载部位内固定与骨缺损修复等场景显示出良好可行性与安全性。同时,如何实现降解与愈合时序匹配、维持早期力学稳定并在规模化制造中确保粉末处理一致性,仍是临床转化的关键挑战。本文系统综述了近年生物可降解镁合金在骨科植入物领域的材料学进展与临床证据,并探讨了其在医学研究方面面临的挑战与潜在突破方向。

生物可降解镁合金的特性与优势

力学特性与骨匹配性     镁合金密度1.7~1.8g/cm3,弹性模量41~45GPa,其弹性模量显著低于临床常用的Ti6Al4V医用钛合金(104~115GPa)与316L医用不锈钢(190~210GPa)(见表1),更接近皮质骨(7~30GPa)。这种“模量渐近骨”的特征可降低应力遮挡,减轻长期力学负荷偏移引起的骨质减少风险,早期即可形成有效抗剪支撑,从而保持固定系统稳定。就MRI与CT成像而言,镁及其降解产物对射线的屏蔽较传统金属弱,且随降解推进影像伪影进一步减轻,有助于随访窗口对骨整合及更清晰地评估并发症。此外,镁为人体必需元素,体内稳态主要由肾脏与骨代谢调节;植入物降解释放的Mg2+在常规剂量与合理时序下可被机体缓冲与排泄,未见系统毒性信号的累积证据,但肾功能异常、闭塞腔隙与极端高负载部位仍需谨慎选择。

生物相容性与组织反应    在合理的合金组分调控与多孔支架结构设计下,可降解锌基合金可通过镁元素添加优化成骨活性,银元素引入赋予广谱抗菌性能,植入后周围仅见温和至中度的炎性反应并快速向修复期转化,伴随新生骨包覆与骨小梁跨越植入界面,具备优异的骨整合能力;其降解过程中局部影像学表现的一过性透亮影,多属良性、自限现象,通常在随访中逐步减退而不影响临床功能。而植入后早期影像学观察到的局部透亮影,多为降解过程中的良性自限性改变,绝大多数可在术后随访中自行消退,不会对患肢功能与临床结局造成不良影响。进一步分析表明,这一界面愈合过程的生物安全性,核心取决于植入物降解速率、局部组织灌注条件与生理负载模式的适配性,需通过合金成分、微观组织与表面涂层的多维度协同调控,最终实现植入物降解行为与宿主骨愈合进程的精准时序匹配。

组织与免疫调控    镁及其合金元素可通过离子微环境影响巨噬细胞极化(向促修复的M2表型转化)、血管内皮细胞迁移与管腔形成、成骨前体细胞分化与矿化;适当的弱碱微环境与Zn2+等离子还显示出抑菌潜力,可能在感染高风险骨折或翻修场景中减少病原黏附与定植。这些机制与功能化涂层(如含抗菌肽或银离子、一氧化氮供体或促血管因子)具有协同效应,为软组织—骨界面重建(如肩袖缝线锚、前交叉韧带干预螺钉)提供生物学支撑;大动物与离体人骨研究已证明其初始锚固强度达现行材料同量级,并呈现出纤维软骨化“类似Sharpey纤维”重建的组织学趋势。

生物可降解镁合金在骨科的研究现状

生物可降解镁合金的研究进展已跨越材料验证进入临床阶段,生物可降解镁合金材料治疗骨折,在韧带修复与骨缺损治疗领域展现出广阔应用前景。

在骨科植入物中的应用      常规钛合金植入物一般需术后二次手术摘除,若永久性植入物未按计划取出,可能引发植入物异常移动或断裂、局部疼痛与植入区感染等不良反应,这些并发症会给患者带来明显痛苦。作为可降解材料,镁合金可在骨折修复时渐进性降解,最终由新形成的骨组织替换,克服了传统金属植入物需二次手术取出的缺陷。近年实验结果表明,镁合金螺钉在内踝骨折等中低应力区固定、肩袖韧带重建及股骨头坏死骨移植手术中,均表现出理想的生物适应性和机械强度。Xie等研制的JDBM(Mg-Nd-Zn-Zr)合金固定螺钉,依靠元素组合改进,降解特性与力学参数实现双重突破,能在愈合过程中维持骨折端的长期稳定;经(12.2±4.9)个月的跟踪随访证实,所有患者的内踝骨折均实现解剖对位,在骨折愈合前所有JDBM螺钉均未发生断裂;9例内踝骨折病例经涂层JDBM螺钉治疗,均获得良好的美国足踝外科协会(AOFAS)评分结果,放射学随访显示骨折线完全消失且对位良好。

针对肩袖重建及韧带修复等操作,缝线锚与干预螺钉多采用镁合金材料进行设计。作为生物可降解金属,镁具有显著代表性,拥有出色的可降解行为、力学响应和生物接纳度。Chen等以质量分数为99.98%的高纯镁缝线锚为研究对象,在绵羊模型中系统考察了其力学表现、降解速率及组织相容性,能满足术后12周前的固定强度要求,且在术后康复阶段,结合面出现纤维软骨分化趋势。研究证实,镁合金缝线锚具有可靠的力学稳定性,同时促进软骨与骨组织的功能重建。

在股骨头坏死的临床治疗领域,镁合金可降解螺钉的应用研究同样取得了积极进展。Zhao等率先在带血管蒂骨移植治疗股骨头坏死的术式中,验证了可降解镁合金螺钉的固定效果与生物安全性;后续Sun等通过随机对照研究,进一步对比了镁合金螺钉与传统钛螺钉的临床疗效。两项研究共同证实,镁合金螺钉作为骨移植物的内固定装置具有优异的临床应用前景。股骨头坏死的病理进展与病灶局部微循环衰竭、成骨到破骨稳态失衡引发的骨结构破坏密切相关,而镁合金在体内降解过程中可持续释放镁离子,有效激活局部血管生成,加速成骨分化进程,显著延缓股骨头的塌陷进程,为骨组织修复与功能重建提供了充足的时间窗口与有利的生物学微环境。

在骨缺损治疗中的运用     即便骨骼存在内在修复机制,但面对大范围的骨组织缺损,依靠自身修复系统常无法做到彻底康复,这类缺损需依赖植骨手术推动骨组织修复与再生。针对骨缺损修复,镁合金展现出显著应用优势,尤其在骨损伤治疗与再生研究范畴。采用3D打印工艺成型的镁合金材料,可加工形成多孔支架,实现出色的力学支撑与生物相容特性。WE43镁合金多孔支架的激光粉末床熔融制备已成为近年研究焦点,采用优化的能量密度及扫描方案,可有效降低冶金缺陷水平,提升孔壁结构紧实度,优化降解路线。活体实验证实,采用该多孔镁合金支架可有效推动骨缺损修复,兼备良好的生理相容特性与降解时序匹配,有效实现了“短期支撑-中期释放-长期替代”的时间序列匹配。磷酸钙水泥渗入复合与水热处理的双重处理,明显提升了支架材料的力学指标及生物相容性,对骨缺损区域的修复作用尤为突出。该复合体系还展现出了良好的降解稳定性,大幅降低了氢气析出量,改善了细胞贴附性能,使松质骨等复杂骨缺损的修复更具可行性。

生物可降解镁合金作为骨科植入物的优势与局限性

优势    力学匹配与应力传递友好     镁合金的密度和弹性模量显著低于钛合金和不锈钢,但与皮质骨的弹性模量接近,从而优化了骨-植入界面的应力传递均匀性,可显著削弱应力遮挡效应,有助于预防骨质在长期负载下的损害。借助镁合金的降解性能,金属植入物在体内的存留时间得以缩短,可有效抑制金属材料引起的伪影,有助于在随访期间进行骨愈合的影像学观察。

自体可降解且免二次取出   不锈钢或钛合金等金属植入物通常需要二次取出。相比之下,镁合金可实现渐进式降解,无需面临二次手术的困扰。随着骨愈合的推进,镁合金发生相应程度的降解,进而在骨组织修复期间实现稳定的力学支撑;当骨损伤加速修复时,其支撑强度呈梯度下降,最终被新生骨组织完全置换。这一无需后续手术取出的特征,显著减少了患者的术后困扰,提高了治愈水平。

界面生物活性与免疫调控潜力    镁合金材料析出的Mg2+、Zn2+及Ca2+等离子,在安全剂量和特定频率范围内可有效刺激成骨分化、血管形成及软骨再生。通过调节巨噬细胞极化,镁合金微环境可调控炎症向修复的定向转变。适量的镁合金降解成分可促进骨修复,并兼具抗菌特性。采用微弧氧化技术,镁合金可同时兼顾降解速率的调控与骨组织再生促进,从而更好地实现与活体组织的融合,减轻植入物周边炎性反应。基于上述特性,镁合金已成为生物修复及免疫调节领域的关键材料,应用前景十分广阔。

结构可设计与个体化制造     借助增材制造技术,镁合金材料在结构设计上展现出更强的可调控性。通过精细调节孔洞直径、孔隙占比及通道空间取向,可基于临床指征定制个体化骨科植入物。该工艺既可实现多孔支架的复杂结构制造,又可通过定制孔隙形态,同步满足“短期支撑-中期释放-长期替代”的降解时序需求。随着技术发展,镁合金植入物制造精度得到明显提升,可实现患者特异性需求匹配,从而提升治疗效果,降低术后并发症发生率。

局限性    降解速率的不可控性  镁在氯离子环境中易发生点蚀与加速产气,过快降解会带来早期强度“早衰”、局部pH升高与气囊形成风险;过慢降解则削弱“免取出”的价值。尽管致密封孔、离子掺杂与合金化设计已显著改善整体耐蚀性,但在高剪切、闭塞或通气差的部位,仍需更稳健的多层防护与术式配合。

早期力学保持与疲劳耐久度不足  多孔或细径构件在循环载荷与腐蚀耦合作用下存在强度阶跃式下降的风险;镁合金增材制造构件的孔壁致密度、残余应力与缺陷分布将直接影响疲劳寿命,需通过能量密度优化、热处理与外层致密化来获得更平稳的强度衰减曲线。

制造一致性与标准化不足  镁合金增材制造在从研发向规模化生产的过程中,面临着粉末复用引起的粒度、球形度、氧含量变化等问题,可能会影响批次间的一致性。由于工艺窗口的漂移及后处理差异,镁合金的腐蚀路径可预测性受到影响,进而影响其临床表现和长期可靠性。

小结与展望

目前可降解镁合金的研发面临着腐蚀防护不足、局部氢气积聚和降解中强度急剧下降等难题,只有解决表面改性技术(特别是微弧氧化和电沉积)、合金配方升级及复合材料构建等关键难点,才能实现防腐性能强化及降解可控化,同时保障材料降解时的机械强度和结构稳定。消除这些技术壁垒后,医用可降解镁合金的临床适用范围将不断拓展,尤其在创新性个性化骨修复、微创骨折治疗手段和多样化功能植入器械等方面发挥巨大潜力。随着基础理论研究的拓展及临床转化实践的加速,凭借材料设计的创新结合制造技术的突破,该材料有望作为骨科临床重大变革的中流砥柱。

来源：实用骨科杂志2026年4月第32卷第4期