20 世纪，已有许多种金属基硬组织植入材料被成功地开发。但是，这些已开发的金属基硬组织植入材料仍存在着许多问题，如镍钛合金植入体内因释放镍可能对人体造成潜在的危害;而现广泛应用的钛合金，也发现在植入人体后，会引起过敏和应力遮挡效应。同时，这类植入材料属惰性材料，与人体组织缺乏亲合力，也不可降解，只能长期作为异物存在于人体内，有发生松动乃至位移的可能，必须二次手术来更换或调整;作为固定物的暂时性植入材料在受伤组织痊愈以后，也必须通过二次手术将其取出，这就给患者在精神和物质上带来了很大的负担。
镁及其合金具有与人体骨相近的密度、弹性模量、无毒、生物相容等诸多优良的性能，有望成为新一代的金属硬组织植入材料。目前在国内外已经有人开展了将镁及镁合金用作硬组织植入材料的研究。然而，由于镁的化学性质极为活泼，在含有Cl-离子的人体体液环境中，其表面的MgO保护膜会遭到破坏，腐蚀速度很快;同时，镁自身不具备骨诱导性能，若直接植入人体，新骨难以在其表面生长，其短时间内腐蚀降解后，新骨尚未生长，仍然会导致植入失败。为此，开发了一些表面改性技术，如热处理、表面无机或有机涂层等。但是，作为生物降解材料，其表面也是会降解消失的，材料必将直接与生理环境相接触。因此，研制具有骨诱导性能的镁合金成为最佳选择。
Ca的标准电极电位为-2.76V，Mg 的标准电极电位为-2.375V，可见Ca的电位比Mg的更低，因此，在镁中加入Ca制成合金，由此产生的富Ca相可以成为阳极，使镁合金基体受到阴极保护，耐蚀性得到提高。同时，Ca是人体中最重要的阳离子，是人体硬组织中的主要陶瓷相羟基磷灰石的关键组成，镁钙合金中富钙相的腐蚀溶解将引起局部钙浓度升高，从而促进羟基磷灰石或可作其前驱物的其它磷酸钙生物陶瓷的形成，有利于新生硬组织在合金表面沉积。因此，这种材料若用作体内硬组织植入体，可望在腐蚀降解的同时诱导新骨生长，最终被新骨完全取代，达到彻底治愈硬组织损伤的目的。
长久以来医学和生物材料工程领域的研究人员一直致力于研究更好的硬组织植入材料。在临床应用中，自体骨移植不会引起排异反应，修复效果好，但骨源有限，尤其对大块骨缺损通常难以满足供应，且病人还要蒙受取骨的痛苦;异体骨来源较广，但很多异体骨材料易引起排异反应、成骨效果差，所以研究一种成骨效果及生物相容性均好，且来源广泛的骨移植材料，便成为生物材料科学家和医学家急需面临的课题。镁合金是一种潜在人体植入材料。镁的密度、弹性模量等综合力学性能与人体骨骼相近(比聚合物有更高的强度)。更重要的是，镁与人体的相容性极好，溶解的镁离子正是人体必需的元素，是神经系统不可缺少的元素。因此镁在上世纪上半叶曾被用于整形与外伤的手术。
镁合金是结构材料中最轻的金属，密度约为铝合金的2/3，钢铁的1/4，用它来制造、代替现役的一些构件或零件，可使整个结构的重量大大减轻。由于我国能源紧张和环境要求，汽车轻型化，用镁合金代替其中的铝合金甚至钢铁件，将成为镁产业发展的主要拉动力。此外，镁合金还具备很多其他优点：电磁屏蔽性能较好；吸震性能好，有利于减震和降噪;回收性好，符合环保要求；极好的切削加工性能; 尺寸稳定性高；铸造性能好；良好的低温性能，用于制作低温下工作的零件；具有超导性能和储氢性能等，因而其应用范围可进一步扩大到电子、通讯及医疗等领域。因此，镁合金引起了材料界的极大关注，世界范围内正掀起研究镁合金的高潮。
由参考文献编制的各种植入材料与人骨的物理及加工性能对比如表 2.2 所示。
现已经投入使用的许多植入金属基材料均存在着各种各样的问题。比如，镍钛合金在植入人体后会因释放 Ni+离子而可能对人体造成潜在的危害；即使是现已广泛应用于临床的钛合金，也被发现在植入人体后，会引起金属过敏和应力遮挡效应。镁及其合金具有低的密度、高的比强度、优良的加工性能、无毒以及与人体骨相近的弹性模量等诸多优良的性能，不仅在航空航天、电子通讯中得到了广泛的应用，还有可能因为其优良的综合力学性能和与人体良好的生物相容性能等特点，成为新一代的金属硬组织植入材料。
镁作为人体必需的营养素在1926年即已被证实。镁作为激活剂可参与体内325种酶系统的生化过程；并在维持钾离子平衡方面起着重要作用。镁的运输依赖钙泵，而钙的代谢依赖镁的调节。两种离子在体内既相互依赖又相互制约，在维持人体功能的完整性等方面发挥着重要作用。正常成人体内总镁含量(m)约21～28g，平均每公斤体重0.13～0.14g，沉积于骨骼的镁超过总量之半，其余的镁分布于软组织，仅1%～2%存在于细胞外。血中50%～60%的镁以离子形式游离存在，20%～30%与蛋白质结合(约3/4为白蛋白，1/4为球蛋白)，10%～20%与磷酸、柠檬酸、草酸等阴离子结合。血清中镁仅为全身含量的0.13%，正常血清镁浓度(c)为0.180～1.120mol/L。细胞内镁的80%～90%为结合形式，由游离镁和结合镁组成细胞内镁离子缓冲系统，而细胞内外镁离子也可通过转运维持平衡。所以，体内可交换镁由细胞外液、骨骼的表面和软组织中的镁组成，占总镁的10%左右，其中前两者可迅速交换以维持血镁平衡。
镁的代谢直接影响其他营养成分，尤其是钙。线粒体的钙泵决定了线粒体镁的流出量。线粒体与合成的磷脂泡都含有钙-ATP酶，2个钙原子可交换1个镁原子和2个钾原子，动物试验发现肠道钙或钙竞争物及载体镁通过减少膜的渗透性，从而抑制肠道中镁的摄入。而人体体内钙不影响活体空肠灌注中镁的重吸收。只有在体内维持高水平钙的条件下才能显示缺镁的体征。
从这几年来国内国外对镁及镁合金各方面的报道不难发现，镁如作为硬组织植入材料，与现在已临床使用的各种金属植入材料相比，具有以下突出的优点：
①安全性：镁是人体内仅次于钙、钠和钾的常量元素，参与体内一系列新陈代谢过程，可以促进新骨组织的生长，成人体内约含1mol的镁，其中近1/2储存在骨骼组织中。过量的镁可以通过尿液排出体外，因此镁以一定速率降解时不会对人体产生不良影响。
②生物学特性：镁是一种能激活多种酶的重要元素，镁离子可催化或激活体内300多种酶，完成体内多种代谢过程，并在维持钾离子平衡方面起着重要作用。镁又是能量转运、贮存和利用的关键元素，能调节RNA和DNA结构。因此镁对于调节细胞的生长和维持膜结构有重要作用。同时资料显示镁离子可以促进钙的沉积，是骨生长的必需元素，镁缺乏会停止骨组织生长、降低造骨细胞和破骨细胞的活性，并导致骨质脆弱。
③可降解性：镁具有很低的标准电极电位，在含氯离子的溶液(如人体体液)中易生成镁离子被周围机体组织吸收或通过体液排出体外，因此镁可以被人体体液完全降解。
④力学相容性：镁合金是最轻的结构材料之一，其密度在1.74g/cm3左右，与人骨密质骨密度(1.75g/cm3)相当，且具有高的比强度和比刚度，镁合金的弹性模量为40～45GPa，如表2.2 所示。然而，由于镁及镁合金的耐腐蚀性能普遍较差，在人体体液这样的恶劣环境中尤甚 。这在很大程度上限制了镁及其合金在生物材料领域的应用。
少量的钙能够改善镁合金的冶金质量。在冶金过程中，在铸造合金浇注前加入钙来减轻金属熔体和铸件热处理过程中的氧化，并且能细化晶粒，提高合金蠕变性能，提高薄板的可轧制性。钙能降低镁合金的微电池效应。据报道Mg-Cu-Ca合金中由于Mg2Ca的析出中和了Mg2Cu相的电池效应，从而导致阴极活性区减小。快速凝固AZ91合金中添加了2%Ca后腐蚀速率由0.8mm•a-1下降至0.2mm•a-1。
同时骨骼中无机盐组成主要是：无定型钙磷酸钙、羟基磷灰石、磷酸钙、柠檬酸钙、Mg3(PO4)2、Na2HPO4等，以羟基磷灰石为主。钙的含量约为25.6%。合金中钙的加入有利于促进骨骼的生长。
Zn是ZK60合金的第一主加元素，其重量百分比为5%~6%。在ZK60合金中既可以提高强度，又可以提高抗腐蚀性能，但只有当Zn的质量百分含量在一定的范围之内才可以获得优良的综合性能，当Zn%>2.5%时就对金属的防腐性能有负面影响。当Zn%<6%时，随Zn含量增加，抗拉强度和屈服强度升高，延伸率降低；但当Zn%>6%时，随Zn含量增加，抗拉强度和屈服强度反而降低，且延伸率降低更多，因此工业上使用的Mg-Zn合金中的Zn含量一般都小于6%。
Zr是ZK60合金的第二主加元素，其重量百分比一般为0.3%~0.9%。Zr可以强烈的细化晶粒、降低显微疏松倾向，因而它也是影响ZK60合金的组织和性能的关键元素。Zr在镁合金中易形成偏析，有研究表明，在ZK60合金中Zr主要分布在晶粒中心，由中心向晶粒边缘逐渐减低，侵蚀后偏析区呈年轮状或花朵状。
Zr对ZK60合金的力学性能影响非常大，有人就Zr对ZK60合金的力学性能的影响进行了研究。研究指出，Zr在镁合金中的存在形式有两种：一种是与其它与元素形成化合物，分布在枝晶网边界，易造成偏析;另一种是固溶到镁基体中的Zr，形成α-Zr相，在络和滴定法中溶于盐酸，称之为酸溶性Zr。而起强化作用的为酸溶性Zr。要使MB15合金型材的抗拉强度超过314MPa，锆含量要大于0.45%，最好控制在0.55%左右。
稀土元素Y与镁一样，同样具有密排六方晶体结构，原子半径相近，且在镁基固溶体中具有12%的固溶度，同其他稀土元素一起能提高镁合金高温抗拉性能及蠕变性能，改善腐蚀行为；在室温条件下，以Mg24Y5高温强化共晶相化合物形式弥散分布于α-Mg晶内和晶界处。所以Mg-Y合金具有很显著的时效硬化特性，时效温度一般在200℃左右。近年来，对镁合金的有利作用越来越受到人们的重视，并将Mg-Y系合金视为很有发展潜力的一类耐高温合金。同时稀土元素及稀土化合物具有特殊的药理作用。自20世纪60年代以来，因陆续发现稀土化合物是Ca2+的优良拮抗剂，有镇静止痛的作用，可用于治疗烧伤、皮肤病、血栓病等，从而引起了医疗界的普遍关注。可以预料，稀土在医学领域的应用将日益受到重视，并展示出广阔的应用前景。
近年来已经有不少研究人员致力于镁基生物材料的开发。高家诚等人对纯度为99.9%的纯镁进行碱热处理表面改性，再对镁在仿生体液中的耐蚀行为进行了研究，发现处理后材料的溶血性能及细胞毒性等有明显改善。并得出结论纯度为99.9%的铸态纯镁经本研究碱热处理过的试样在SBF液中浸泡14d后没有出现质量损失，显示出良好的耐腐蚀性能，经碱热处理的试样在SBF溶液中浸泡14d后，试样表层发现了钙磷基沉淀物，钙磷摩尔比为1.858。
Wite等研究了AZ31、AZ91、WE43和LAE422等4种镁合金在豚鼠体内降解和骨组织对镁植入体的反应，发现镁合金的降解速度明显比SR-PLA96快。植入6周后镁合金表面有矿化骨组织形成，矿化骨组织在镁合金表面的沉积速度也明显比SR-PLA96快，表面镁合金具有比可降解聚合物更好的骨组织相容性和骨组织诱导性能；植入18周后，植入体完全降解；张二林等研究的结果证实：植入9周后，镁合金发生显著的降解，其中Mg-Mn合金降解40%~50%，Mg-Mn-Zn合金降解10%~17%，WE43合金降解11%~31%。在降解的同时，镁合金表面有磷酸盐生成，在磷酸盐与骨组织间有新骨形成。随着镁合金的不断降解，磷酸盐层不断向新骨组织转变，从而使新骨就在降解后的镁合金植入体上生长。这表明镁合金具有非常好的骨组织相容性和骨组织诱导生长特性。耿芳等人认为多孔镁是一种很有前景的骨组织工程材料。
现已有研究者进行了相关的动物植入实验和临床试验研究。早期的体内试验表明，镁合金植入后血清中的镁离子浓度没有明显增加，植入处没有发生感染，表明镁合金对人体是无毒的。通过合金设计及一系列实验检测，优选出Mg-0.7Ca，该合金具有较好的耐蚀性能，优良的力学性能及生物相容性等综合性能，并能以一定速率降解，表面生成了Ca3(PO4)2，这种物质是羟基磷灰石的前驱体，在体内能够为自然骨组织所取代。随着Ca3(PO4)2的增长，合金逐渐降解。据此，宣告了一种新型的生物医用Mg基合金的诞生。
