《镁基金属玻璃研究取得进展 -- 具有优异力学性能的生物可降解材料》

王军强

生物可降解的生物体植入材料，因为其可以避免取出时的二次手术或永久性植入材料带来的生物排异性等伤害，吸引了越来越多的研究者兴趣。镁合金因为其可降解性以及较高的强度变为体内支架类材料应用方面的研究热点。和传统晶态镁合金相比，镁基金属玻璃具有更高的强度、更接近骨头的弹性模量，而且通过调节成分可进一步大范围改变性能。因此，镁基金属玻璃在可降解生物材料方面具有很大的应用潜力。然而其力学脆性成为限制其应用的主要缺点。

最近，在原来工作的基础上，我和合作者一起通过少量掺杂的方法显著改善了Mg基金属玻璃的力学性能和生物相容性。

在读博士研究生时，曾和北大的郑玉峰教授研究组合作研究过Mg基金属玻璃的细胞相容性研究，发现MgZnCa合金体系具有很好的细胞相容性，相关文章发表在 Biomaterials 2010, 31, 1093 (目前已经引用约50次).  然而这个合金体系特别脆，仍然不适于实际应用于生物体内。 我们的另外一篇工作发现适量的Yb替代Ca可以明显改善CaMgZn金属玻璃体系的抗腐蚀性能和降低原子的堆积密度，文章发表在 J. Non-Cryst. Solids 2011, 357, 1232.

2010年去日本东北大学WPI-AIMR做博士后时，在上面工作的基础上，我认为有必要研究一下Yb掺杂对MgZnCa体系力学和生物性能的影响。基于这样的想法，我主持申请到一项“融合研究基金”(300万日元)，该基金每年从近百位申请者中选出10~15个项目予以支持，旨在支持不同学科科研人员之间的融合交叉萌芽性研究。在上面基金的支持下，我和合作者于海军博士系统研究了Yb掺杂对Mg基金属玻璃力学和生物性能的影响。

通过拉伸和弯曲实验，我们发现适量的Yb掺杂可以有效改善其力学塑性。在力学性能较好的合金成分，塑性变形时剪切带更容易形成，而且断面上的塑性韧窝区尺寸更大。而且我们发现当样品尺寸降到500~600 nm时，其塑性变形机制将由以剪切带主导的非均匀变形机制转变为均匀变性机制。       通过成骨细胞和成纤维细胞的体外直接和间接培养实验，我们发现Yb的掺杂也可以有效提高细胞的生物相容性。这主要归因于Yb掺杂导致其抗腐蚀性能提高，Mg离子的释放以及培养液pH值的升高得到了抑制。我们进一步研究了细胞的死亡机制。

这个文章结果表明少量掺杂依然是通过调节成分来改善性能的有效途径之一，镁基金属玻璃可以表现出塑性。

以上工作发表在Advanced Functional Materials。

 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201203738/abstract 

Adv Funct Mater 2013_ Mg-MG as biomaterials.pdf