稀土材料 | 镁稀土金属材料

镁是促进身体生长发育的必需元素，是人体新陈代谢元素之一。

镁合金作为一种轻质的结构材料，不仅力学性能接近自然骨，而且它在人体植入实验中表现出杰出的生物相容性。在中性环境和含氯环境里，镁种植体腐蚀分解后形成可溶性的无毒氧化物，通过人体尿液直接排出体外。

此外，镁实际上对新生骨组织具有刺激促进生长作用。镁的这些特性吸引了生物降解骨移植方面研究者的高度重视，有望开发出全降解的新一代生物用镁体材料。

但是，以纯镁作为结构材料植入，腐蚀速率太快。在新骨骼组织愈合之前，其机械完整性已完全损坏。同时，镁合金在腐蚀过程中，会产生大量的氢气。这样一方面不利于实际应用尺寸控制，另一方面也不利于病人康复。因此，选择合适的合金成分就成了镁合金医用的前提。

自20个世纪中期开始，人们对镁钙基、镁铝基和镁锌基等体系进行了系统研究。结果表明，这些合金的腐蚀速率过快，机械完整性差，没有足够的时间愈合（理想时间至少12周）。因此，提高镁生体材料的耐腐蚀性，特别是在人体环境中的耐蚀性，是开发医用镁合金的前提。

稀土作为镁合金中一类活泼的合金化元素，可以明显改善合金的力学性能、腐蚀性能及蠕变性能。一般情况下，添加的稀土可分为两类，第一类在镁合金中具有较大固溶度，如钇（Y）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）和镥（Lu）可以通过固溶强化和时效析出强化改善合金性能；第二类是在镁合金中具有较低固溶度，如钕（Nd）、镧（La）、铈（Ce）、镨（Pu）、铕（Eu）、钐（Sm）可以通过形成高熔点的第二相提高合金力学性能。同时，这类合金化元素都能形成致密的氧化物保护膜，从而提高合金的耐蚀性。

稀土医用合金作为一类特殊的材料，除了对其力学性能、腐蚀性能有特殊的要求外，对其合金化元素的毒性也有严格的限制。以前的结果发现，大部分稀土超过一定含量对人体细胞是有毒的，而且各个稀土的毒化作用的浓度范围各不相同。Frank等对镁合金中常见的稀土合金化元素在人体环境中的毒性进行了系统研究，

实验结果表明：

（1）低浓度轻稀土元素已超过细胞毒化作用范围。镧和铈最早开始毒性作用，对人体作用的毒化也最强，最不适合制备镁稀土生体材料。

（2）不同类型细胞的敏感性是不相同的。RAW巨噬细胞最迟钝，HUCPV干细胞最敏感。

（3）和轻稀土元素相比较，重稀土元素具有更高的毒化作用浓度，而且，高溶解度的Gd、Eu和Dy展现出突出的生物友好性。考虑到Mg-Gd基、Mg-Eu基和Mg-Dy基合金优异的力学性能，这种材料将是未来镁合金生物医学领域研究的重点。

近年来，Witte等研究了LAE442和WE43在人体环境中的腐蚀性能，发现了镁稀土材料在人体中特殊的降解过程。植入棒在18周完全降解，其机械完整性在12周后基本保留。植入物包括棒直径1.5mm，长度20mm，插入豚鼠股骨实验。一个相同尺寸的聚乳酸棒被用作参比物。相对于聚合物控制，在相同时间内，镁植入增加骨面积明显比聚合物大，这说明镁植入能促进骨骼生长。

同时，能量色散X射线分析对腐蚀层和新的骨组织的元素形式进行了表征，发现稀土元素只存在于局部腐蚀层，并没有在周围骨的腐蚀层中观察到稀土，同时，含有高钙、磷和一定无定形的磷酸钙已富集在植人物周围。

这重要的发现为镁稀土生体材料提供了直接的依据：一方面，降解的稀土不一次性往体液中扩散，或者扩散的速度很慢，经过人体体液稀释后的稀土浓度明显降低，对人体的毒化作用也明显减弱；另一方面，镁稀土生体材料能促进骨骼生长，有益于伤口恢复。这些结果表明含稀土（无毒）镁合金是一种潜在的理想生物材料。

为了制备出优良的镁稀土生体合金，Peng等采用区域固化，控制温度梯度场的方法制备出大块高纯的镁稀土合金，这为后续的加工和成型奠定了基础。同时，用激光加工的方法可以加工出不同的镁稀土合金产品。

镁稀土合金作为一种新型的生体材料，具有广阔的应用前景。目前，镁稀土合金种类不多，腐蚀性能不稳定，降解机理不太清楚，加工方法短缺是制约其应用的主要原因。开展物理学、化学、生物力学和临床科学等多学科交叉研究，是开发新型镁稀土生体医用合金的关键。