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•248.中国美容整形外科杂志202丨年4月第32卷第4期 Chin .I Aesth Plast Sure，Apr 2021 Vol. 32 No. 4.综 述.镁合金内固定材料在颅颌面外科应用的研究进展杜宏张栋靳小雷【摘要】镁合金内间定材料因其具有良好的生物相容性、生物力学性能及可降解性，受到了国内外学者的关注。经过学者

们不断的研究和探索，目前镁合金内间定材料得到了很大的发展。现就镁合金与其他金属内固定材料、可吸收多聚物内IA+I定材

料相比较的优势，以及镁合金在颅颌面外科应用的研究进展作一综述：【关键词】颅颌面外科;镁合金；内同定材料;可降解性金属内间定材料因其具有良好的机械性能和断裂韧

性，在骨组织修复中具有重要的作用。目前临床t应用的内

间定材料主要包括金属材料和可吸收聚合物材料。金属内间

定材料包括不锈钢、纯钛、钛合金和钻-铬合金等，但由于其

需要通过二次手术来移除，增加了医疗风险和治疗费用，且

给患者带来二次痛苦叱而可吸收聚合物内间定材料稳定性

较差、强度较低ra。1906年Umhotte第一次报道应用镁板和

钢钉治疗小腿骨折，但因其腐蚀速率快且伴随氢气的过量释

放而失败％近年来，随着材料学的发展，对镁合金的结构、元

素组成、表面处理等研究的深人，大大降低了其腐蚀速率，且

镁合金具有良好的生物相容性、可降解性和机械性,有望成

为新一代生物材料。现就可降解镁合金与其他金属内间定材

料、可吸收多聚物内固定材料相比较的优势，以及镁合金在

颅颌面外科的应用作一综述。1镁合金与其他金属内固定材料相比的优势

镁是人体内必不可少的金属元素，镁离子（Mg2+)是体内

含量第4位的阳离子。镁在调节血管功能、能量代谢以及水

电解质平衡方面起着关键作用。镁的摄人可预防骨质疏松和

股骨颈骨折，同时还有助于糖尿病和冠心病的治疗131研究表

明141，镁合金植人骨内降解后，血液生化水平和肝肾功能不会

受到影响。Lm等n开展了用鼠骨髓细胞体外评估纯镁及其合

金的细胞毒性。结果表明，其能促进细胞增殖，培养72

h后细

胞生存能力并未受到抑制。而钛合金置人物在体液内环境腐

蚀下，可释放出浓度较高的Co'Cr'Mn'AP等金属离子，

可引起局部免疫反应、炎症反应以及慢性疼痛。-

1.2机械性能纯镁的抗压强度为133

GPa(g/cW)，镁合金抗压强度为

480GPa (g/rt^),是钛合金的I倍。镁合金的弹性模量为

40~45

GPa,天然骨为丨0~30

GPa,钛合金为100-110

GPa,不

锈钢为190~205

GPa，镁合金与自然骨接近，可有效地缓解应

D0I

： 10.3969/. 1673-7040.2021.04.020

力遮挡效应，缓解骨质疏松1

1.3生物相容性镁合金降解过程中释放的M#可促进新的区域骨形成，

增强成骨细胞的增殖活性和迁移能力，促进磷酸钙的沉积，

以及新骨形成和骨折愈合|71。Chaya等I*在承重断裂环境中设计

兔尺骨骨折模型，分别应用镁合金以及钛合金固定,4周后通

过组织学以及影像学分析，镁合金固定材料的降解并未影响骨

骼的愈合，与钛合金组比较,其差异无统计学意义。同时在镁降

解区域可观察到大量新骨区,这种新生骨几乎包围了镁阗定材

料通过组织染色显尔,有大量的成熟骨细胞和活跃的骨样细

胞，但这种新生骨是否在钛固定材料中生长并未观察到

1.4可降解性镁及其合金在体内降解是一种电化学反应，在氯离子

浓度为150 的生理环境中，其中间产物Mg(0H)2会加速降解Hendersmi等M观察到，镁合金在不同组织中降解

的速率不同，在兔下颚截骨术模型中发现，镁合金固定材料

在体内丨2周时,其在骨髓腔和肌肉中的降解速度均快于皮

质骨腔。1.5成本与应用金属镁资源丰富，易获得，价格较钛低廉。1914年,Payr

将镁材料应用于血管和神经的缝合，发现其有利于止血以及

神经的愈合|ml。2镁合金与可吸收聚合物内固定材料相比的优势与钛合金等内固定材料相比，像聚L-乳酸^<办-1-丨3<-

tirarid，PI丄A)等聚合物因其具有可吸收性已经用于临床颌

1.1安全性面部骨折:Klm等""应用比格犬制作颧弓骨折模型，分别应用

镁合金和可吸收聚合物固定。术后四周的力学检测显示，镁合

金组比聚合物组的极限荷载和结构刚度大；组织学分析显

示，镁合金组的骨再生面积比聚合物组多..因此与可吸收聚

合物相比镁合金具有如下优势：（1)镁合金机械强度较大，不

易断裂。据报道在骨科和创伤科的治疗中，聚合物置入后断

裂发生率高达4%1' (2)镁合金不会释放酸性降解产物，不会

引起非感染性炎症及非特异性异物反应（3)镁合金未降解

前,不会有X线透射,这样便于术后放射性观察。(4>镁合金可

促进新生骨形成与血管再生，加速骨折愈合作者单位：中国医学科学院北京协和医学院整形外科K院

整形十六科，北京100144通信作者：斬小雷，Email:

@

中国美容整形外科杂志202丨年4月第32卷第4期Chin J Aesth Plast Sure. Apr 2021 Vol. 32 Nn. 4•249-3镁合金内固定材料在颅颌面外科应用的可行性颅骨承受应力较四肢骨骼小，颅骨生长方式为骨膜内成

在通过调节元素配比，提高其抗腐蚀性的同时，需将合金降

解后的局部环境中安全的金属离子浓度考虑在内。如近年来

设计的镁-锂合金植人体内后,可形成稳定的具有自我保护

的丨山C0,表层以及Li(VMgO层，提高了抗腐蚀性能，而同时

构成元素锂降解后是一种安全的离子，因此镁-锂合金被认

为是到目前为止最好的镁合金4.1.3表面修饰目前应用聚合物涂层、热碱处理、阳极氧

3.1儿童颅面畸形骨，新骨在颅骨表面沉积，而颅内面骨质吸收，这样成骨的特

点会导致内固定金属物向颅内移位。因此金属内固定装置用

于儿童颅骨会产生被动移位现象I'甚至这些金属内固定

物会移位至硬脑膜上，对儿童神经系统发育存在潜在的损

害||5>,因此必须行二次手术取出。所以镁合金因其可降解的

特性在小儿颅面骨畸形综合征等治疗中发挥独到的优势。3.2颌面部外伤在颌面部创伤性骨折的治疗中置人钛合金等内固定材

料，有约5%的患者需要二次手术取出；在某些情况下，二次

手术比例可以增加到33%%。此外，采用钛板和螺钉进行刚

性固定存在如下缺点：如置入物外露、皮肤表面可触及螺钉、

螺钉松动、疼痛刺激、温度敏感和放射伪影现象而镁合金

内固定随着骨骼愈合而降解，可避免上述现象的发生。3.3面部轮廓整形术(1)传统钛合金置人后可引起骨质吸收或增生，软组织炎

性异物反应,导致术后的轮廓欠佳，甚至可能出现咬拾问题，

降低了患者满意度，增加了再次手术的可能。⑵钛合金置入

术后由于各种原因，大多数患者行二次手术，取出内固定的

金属植人物，大大增加了医疗费用以及患者的痛苦。（3)正颌

手术口内人路手术视野小，存在内固定螺钉断裂植入骨内的

风险，一旦发生则增加了手术的难度。3.4干扰放射影像传统钛合金为惰性化学材料，在体内稳定，但影响健康

者行MKI辅助体检以及肿瘤患者术后的放射治疗。即使在术

后即刻行MRI显像,镁及其合金几乎不会产生伪影现象，而

钛合金通常会产生干扰。并且镁合金植入物随着时间的推移

会降解，且降解后对MR1成像无影响吒

4镁合金内固定材料的问题及展望

4.1镁合金较快的腐蚀速率与钛合金、不锈钢等金属材料相比，具有可降解性是镁

合金较传统钛合金的一个显著的优势,但是镁合金在人体体

液环境中易于腐蚀、降解，在新骨形成前植人物可能会松动

或解体|IS|;同时镁合金腐蚀过快形成过量的氢气也会抑制骨

组织的再生;此外，镁及其合金的非均匀降解,会降低其机械

强度，存在植入物预期寿命前断裂的可能，这使得有必要使

用传统内固定金属材料，以降低腐蚀程度提高重建修复骨组

织1191。以上因素都限制其在临床上的广泛应用，因此,探索如

何增强其抗腐蚀性能成为研究者设计组成元素设计、表面修

饰、热机械治疗等方法来增强其抗腐蚀性。4.1.1结构设计多孔结构、相结构、晶粒结构、非晶态结构

可增强抗腐蚀性:4.1.2合金的构成元素设计目前镁合金主要构成元素为

铝、锌、锰以及稀土元素，加人这些元素后，可降低其腐蚀速

率、提高其机械性能3但是当局部内环境中铝离子浓度过高

时，存在潜在的神经毒性风险。除此以外,构成合金的镧、铈、

钇、軋等稀土元素也具有毒性和诱导细胞凋亡的作用：因此化、阴极等离子电解、等离子体注人、氣化物处理、等离子电

解氧化等方法处理镁合金表面。这些技术中，在镁合金表面

制备涂层是最有前途的方法之一|211。涂层可分为无机涂层、有

机物涂层、金属涂层、杂化涂料、反应性涂层。给镁及其合金

予以合成的或者天然聚合涂层后，会提高其抗腐蚀性、生物

相容性、自我愈合以及传递药物和骨导性。Wang等™应用真

空表面臭氧活化方法，用天然丝素蛋白涂层处理镁锌钙合金

表面，体内实验结果显示，降解速率是裸镁锌钙合金的1/18。

但是目前关于涂层的研究主要是在体外环境中进行，为进一

步研究其黏附性、渗透性和降解性，需要更多地在体内环境

中进行，以便更快地进人临床试验|22-al。结构设计和表面涂层设计都应该与化学元素构成相结

合，因为如果单一从改变合金结构来降低腐蚀性，如多孔结

构虽有助于细胞和组织向植人物内生长，但同时表面积会增

大，这样也会增加局部腐蚀率。与此类似，仅依靠设计表面涂

层来降低腐蚀性，一旦涂层被损坏，会引起腐蚀加快,机械性

能降低，局部坏境金属离子浓度的增高。因此通过研究元素

构成来降低降解性,是降低腐蚀性的核心，也是目前的研究

热点。4.2镁合金较低的机械强度镁合金的强度低于目前传统金属合金的强度，限制了镁

合金的全身骨骼应用，尤其是下肢负重骨的应用。Tian等提

出，在负重骨骼骨折治疗中,应用镁/钛联合内固定系统。通过

设计Z形开放式兔胫骨中段截骨术，设置Mg/Ti(镁钉钛板)实

验组与Ti(钛钉钛板）对照组，经过影像学及组织学分析，

发现实验组骨痂组织大于对照组（第3周14.7%_和第6周

24.8%，P<0.05);实验组机械性能测试优于对照组，在第6周

机械力度几乎高于3倍。因此可推出镁/钛联合内固定系统

既可以提供负重骨足够的机械支持，又能够通过加速组织矿

化和重塑来促进骨骼愈合。同时降解的镁钉可予以新生骨更

多的生长空间，增强骨的稳定性，促进骨骼愈合，减少延迟愈

合等术后并发症。综上所述，对镁合金的研究由于各种原因大多数实验仍

然止步于动物实验阶段，因此需要设计出完善的动物骨折

模型以及评价体系来推动其更早的进人临床阶段。镁合金

与传统金属内固定材料在骨折治疗效果上的差异无统计学

意义|251。但镁合金的强度低于目前传统金属合金的强度，限

制了镁合金的全身骨骼应用，尤其是下肢负重骨的应用；相

比于四肢负重骨，颌骨所受应力较小，因此镁合金内固定材

料有望优先应用于领面部|261。同时通过设计Ti/Mg联合内固

定系统，发挥镁和钛的各自优势，也有望安全应用于一些负(下转后插4-13页）

中国美容整形外科杂志2021年4月第32卷第4期Chin J Aesth Plast Surg, Mav 2021 Vol. 32 No. 4后插4-13(上接249页）重较大的颌面骨骼。相信在不久的将来，镁合金内固定材料

将会更多样化地应用于颅颌面外科。参考文献：[1 ] WITTE F. Reprint of: The history of biodegradable magnesium im­plants: A review[ J ]. Acta Biomater, 2015,23 Suppl:S28-S40.[2 ] KONNEKER S, KROCKENBERGEH K, PIEH C, e! al. Compari­son of SCAphoid fracture osteosynthesis by MAGnesium-hased

headless Herbert screws with titanium Herbert screws: protocol for

the randomized controlled SCAMAG clinical trial[ J ]. BMC Mus-

culoskelet Disord, 2019,20(1):357.[3 ] LI X J, XIE L, PAN F S, et al. A feasibility study of using

hiodegradalole magnesium alloy in glaucoma drainage device[ J ]. Int

J Ophthalmol, 2018,11(1):135-142.[4」CHOU D T, HONG D, OKSUZ S, et al. Corrosion and hone healing

of Mg-Y-Zn-Zr-Ca alloy implants: Comparative in vivo study in a

non-immobilized rat femoral fracture model[ J J. J Biomater Appl,

2019,33(9)：1178-1194.[5 ] LIU C, REN Z, XU Y, et al. Biodegradable magnesium alloys de­veloped as bone repair materials: A review[ J ]. Scanning, 2018,2018:

9216314.[6 ] SHAHIN M, MUNIR K, WEN C, et al. Magnesium matrix

nanocomposites for orthopedic applications: A review from me­chanical, corrosion, and biological perspectives[ J ]. Acta Biomater,

2019,96:1-19.[7 ] LI G, ZHANG L, WANG L, et al. Dual modulation of bone forma­tion and resorption with zoledronic arid-loaded biodegradable

magnesium alloy implants improves osteoporotic fracture healing:

An in vitro and in vivo study[ J ]. Arta Biomater, 2018,65:486-500.[8 ] CHAYA A, YOSHIZAWA S, VERDELIS K, et al. Fracture healing

using degradable magnesium fixation plates and screws[ J ]. J Oral

MaxiUofac Surg, 2015,73(2):295-305.[9 ] HENDERSON S E, VERDELIS K, MAITI S, et al. Magnesium al­loys as a hiomaterial for degradable craniofacial screws [ J ]. Acta

Biomater, 2014,10(5):2323-2332.[10] POGORIELOVM，HUSAKE，SOLODIVNIKA，-sium-based biodegradable alloys: Degradation, application, and al­loying elements[ J ]. Interv Med Appl Sci, 2017,9(l):27-38.[11] KIM B J, PIAO Y, WUFUER M, et al. Biocompatihility and

efficiency of hirxiegradable magnesium-based plates and screws in

the facial fracture model of beagles[ J ]. J Oral Maxillofac Surg,

2018,76(5)：1055.[12] KLAUSER H. Internal fixation of three-dimensional distal

metatarsal I osteotomies in the treatment of hallux valgus deformi­ties using bi(xiegradahle magnesium screws in comparison to tita­nium screws[ J ). Foot Ankle Surg, 2019,25(3):398-405.[13] CHAYA A, YOSHIZAWA S, VERDELIS K, et al. In vivo study

of magnesium plate and screw degradation and hone fracture heal-

ing[ J ]. Acta Biomater, 2015,18:262-269.[14]

姜明威，田纪伟.医用镁合金内固定材料在颈椎外科中应用的

研究进展[J ].中国矫形外科杂志，2016,24(22):2073-2076.[15] FEARON J A, MUNRO I R, BRUCE D A. Observations on the use

of rigid fixation for craniofacial deformities in infants and young

children[ J ]. Plast Reconstr Surg, 1995,95(4):634-637, 638.[16] NAUJOKAT H, RUFF C B, KL〇TER T, et al. Influence of surface

modifications on the degradation of standard-sized magnesium

plates and healing of mandibular osteotomies in miniature pigs[ J ].

Int J Oral Maxillofac Surg, 2020,49(2):272-283.[17] WU C M, CHEN Y A, LIAO H T, et al. Surgical treatment of iso­lated zygomatic fracture: Outcome comparison between titanium

plate and bioahsorhable platef J ]. Asian J Surg, 2018,41 (4):370-376.[18] MARTINEZ SANCHEZ A H, LUTHRINGER B J, FEYER ABEND F,

et al. Mg and Mg alloys: How comparable are in vitro and in vivo

corrosion rates? A review[ J ]. Arta Biomater, 2015,13:16-31.[19] RAHMAN M, DUTTA N K, ROY CHOUDHURY N. Magnesium

alloys with tunahle interfaces as hone implant materials[ J ]■ Front

Bioeng Biotechnol, 2020,8:564.[20] CHEN X B, LI C, XU D. Biodegradation of Mg-14Li alloy in simu­lated body fluid: A proof-of-concept study[ J ]. Bioarl Mater, 2017,

3(1):110-117.[21] WANG C, FANG H, QI X, et al. Silk fibroin film-coated MgZnCa

alloy with enhanced in vitro and in vivo performance prepared us­ing surface activation[ J ]. Acta Biomater, 2019,91:99-111.[22 ] LI X, LIU X, WU S, et al. Design of magnesium alloys with control­lable degradation for biomedical implants: From hulk to surface[ J ].

Acta Biomater, 2016,45:2-30.[23] LI L Y, CUI L Y, ZENG R C, et al. Advances in functionalized

polymer coatings on biodegradable magnesium alloys-A review[ J ].

Acta Biomater. 2018,79:23-36.[24] TIAN L, SHENG Y，HUANG L, et al. An innovative Mg/Ti hybrid

fixation system developed for fracture fixation and healing en­hancement at load-hearing skeletal site[ J ]. Biomaterials, 2018,180:

173-183.[25] WINDHAGEN H, RADTKE K, WEIZBAUER A, et al. Biodegrad­able magnesium-based screw clinically equivalent to titanium

screw in hallux valgus surgery: short term results of the first

prospective, randomized, controlled clinical pilot study[ J ]. Biomed

Eng Online, 2013,12:62.[26] SATO T, SHIMIZU Y, ODASHIMA K, et al. In vitro and in vivo

analysis of the hicxlegradal)le behavior of a magnesium alloy for

biomedical applications[ J ]. Dent Mater J, 2019,38(1):! 1-21.(收稿日期：2020-10-22)