可降解鋅合金骨植入材料的研究進展

曹向昱,車浩東,李亞庚,田華*

(1.北京大學第三醫院骨科,北京 100191;2.北京科技大學材料科學與工程學院,北京 100083)

由于創傷、感染和骨腫瘤切除以及先天性疾病等因素導致的骨缺損患者逐年增多,部分骨質喪失造成的骨不連、骨萎縮甚至畸形等并發癥,是臨床常見且較難治療的疾病之一。目前對大段骨缺損的治療主要是應用來源有限的自體骨或異體骨,以及應用不銹鋼、鈦合金等骨替代材料進行移植,以填充骨缺損并促進其修復和重建,雖然金屬填充材料的力學性能較好,但在人體內不能降解,長時間滯留體內所產生的金屬離子對周圍組織造成一定的損害,因為其彈性模量遠大于人骨骼的彈性模量,所以會產生應力遮擋效應等問題。因此,尋找一種可降解骨植入材料逐漸成為近年的研究熱點。Zn是一種可降解金屬,其降解速率比Mg慢、比Fe快,其降解趨勢更為平緩[1]。由于其良好的生物安全性、特定的力學性能和適宜的降解速率,Zn合金有望成為一種理想的骨植入材料[2]。本文就Zn合金的生物學性能、影響因素和作為骨植入材料的應用以及存在的問題與對策做一簡要綜述。

1 Zn合金的生物學性能

Zn是人體必需的微量元素之一,Zn參與維持機體正常生理功能,還能夠刺激成骨細胞生長,在骨骼礦化/重塑過程中起著一定作用。Zn合金不僅具有良好的生物安全性、特定力學性能,而且還具有適宜的降解速率。

1.1 Zn合金材料的生物安全性 Zn合金材料對機體影響最大的是降解過程釋放的離子,即使是有益的離子如Zn、Mg、Fe、Ca等,仍然存在著劑量效應,當離子濃度過高時會產生毒性作用。Katari等[3]研究發現高濃度Zn2+能夠誘導細胞凋亡或壞死、破壞細胞內信號通路傳導。Kafri等[4]將Zn-Fe合金植入大鼠體內,血液中Zn2+在正常范圍之內,Fe元素含量增加,但未見明顯的炎癥反應和組織壞死現象。Bai等[5]將Zn合金的生物傳感器置入小鼠體內,測量血、心、腦、脾、肺、腎和肌肉組織中Zn2+濃度,未見Zn2+異常蓄積,也未見相關的組織損傷,說明Zn合金材料具有良好的生物安全性。目前尚無Zn合金材料體內降解導致Zn2+超出正常范圍的報道[6]。Zn合金材料降解速率較慢,局部應用一般不會引起整體內環境的改變,所以Zn合金作為骨植入材料理論上是安全的。

1.2 Zn合金材料的力學性能 Zn的力學性能較差,屈服強度為10～110 MPa,延展度為1.20%～2.10%,很難滿足將其用于承重材料的要求。但是可以通過加入Mg、Ca、Fe、Sr等元素進行Zn的合金化提高其力學強度,以接近皮質骨的機械性能。Mostaed等[7]觀察到Zn-Mg合金在平衡鹽溶液(Hank’s)中浸泡2周后的抗壓強度有不同程度的減小,但隨著合金元素Mg含量從0.15 wt%增加到1.00 wt%,其抗壓強度從8.70%增加到20.00%,總的來說Zn-Mg合金在Hank’s中的抗壓強度仍然較高。Zhu等[8]研究發現Zn-0.1Li合金在37 ℃下表現出明顯的蠕變變形,Zn合金逐漸降解,但其形態仍保持完好。Yang等[9]將力學強度為646 MPa的Zn-Li-Mg合金材料置入兔子體內觀察發現其對股骨的固定作用良好,在合金材料周圍也未見明顯的炎癥反應和組織損傷。由此可見,可以根據不同的臨床需求,通過添加不同的金屬元素,提高Zn合金的力學性能。

1.3 Zn合金材料的可降解性能 Zn合金材料具有良好的可降解性能。Zn腐蝕電位為-0.762 V,高于Mg的-2.372 V,而低于Fe的-0.441 V,Zn合金腐蝕降解速率比Mg慢,比Fe快[1]。T?rne等[10]研究在林格氏液(Ringer’s)中浸泡30 d的Zn、Zn-0.5Mg和Zn-3Mg三種不同合金的腐蝕降解性能,發現這三種合金都能發生腐蝕降解,且降解速率各不相同,這可能與Zn合金中Mg在材料表面形成惰性化合物Mg2(OH)2CO3屏障有關,減緩了Zn合金的腐蝕降解速率。Zhao等[11]研究Zn-Li合金植入大鼠體內的降解過程,發現Zn-Li合金在大鼠體內2個月和12個月的降解速率分別為0.008 mm/年和0.045 mm/年,該降解速率能確保合金材料在服役期內的機械強度。因此,可以利用Zn合金的可降解特性,研究開發具有可降解性能的骨植入金屬材料。

2 影響Zn合金材料生物學性能的因素

Zn合金材料植入體內以后,隨著合金材料的降解、離子的釋放,Zn合金材料的生物學性能會發生變化。人體體液是一個含有多種離子的電解質環境,Zn合金在人體內會發生腐蝕降解,其過程與Zn合金材料的性質以及周圍環境的pH值、溫度和血流動力學等都有一定關系。因此,研究Zn合金生物學性能的影響因素非常重要。

2.1 合金成分對生物學性能的影響 純Zn柔軟,機械強度較低,Zn合金一般由高純Zn加入一定比例合金化元素熔煉而成,經過深加工變成多種Zn合金材料。Zn合金因合金元素成分不同,其生物學性能也有一定差異。Shen等[12]在Zn合金中添加Mg元素,Zn合金的力學強度隨之提高,但腐蝕降解速率也明顯加快,將Zn-0.8Mg合金植入體內6周仍保持95%的承載能力,也未見明顯的毒副作用。Li等[13]在Zn合金中加入不同質量分數Ca,可以提高合金的力學強度,加快腐蝕降解速率,其中Zn-2Ca合金的綜合性能最好。Tang等[14]研究了Cu對Zn-xCu(x=1、2、3、4 wt%)合金性能的影響,當Cu含量達4 wt%時,合金的延伸率超過50%。Cu含量的增加還在一定程度上提高了降解速率,說明可以通過調整Cu含量調控Zn合金的降解性能。Jia等[15]制備了Zn-Sr合金,Sr具有促進成骨、抑制破骨細胞形成的雙相活性,應用Zn-0.8Sr合金材料修復大鼠股骨髁缺損,能夠促進合金材料與骨整合,說明Zn-Sr合金具有良好的體內修復性能。Liu等[16]研究發現AI可以對Zn合金起強化、調控降解速率的作用,但AI有一定神經毒性作用,一般不作為合金添加元素應用。由此可見,可以通過在Zn中添加不同種類、不同劑量的金屬元素來優化Zn合金的綜合性能。

2.2 表面改性對Zn合金生物學性能的影響 表面改性是在Zn合金材料表面制備一層或多層與基體組成、結構及性能均有差異的表面涂層,不僅對機體無不良影響,還能隔絕腐蝕性離子與合金體的直接接觸,從而起到對合金的保護作用,改善Zn合金材料的綜合性能。Mao等[17]在Zn-1Ca合金表面制備Zn2SiO4nm棒和Ⅰ型膠原蛋白(collagen type Ⅰ,Col-Ⅰ)組成的仿骨細胞外基質(extracellular matrix,ECM)樣表面涂層,它能夠顯著改善Zn-1Ca合金表面成骨細胞的黏附、增殖和分化,并進一步減少Zn2+釋放,防止局部Zn2+過量蓄積。Deren等[18]在Zn-AI合金表面進行十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate,SDS)和左乙酰丙酸(levulinic acid,LA)的聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA]表面涂層處理,PLGA-SDS/LA涂層具有極好的耐腐蝕性能,可以通過改變涂層厚度調節Zn-AI合金降解速率,并且還具有良好的抗菌性能。Su等[19]在Zn合金表面制備微米/納米鈣-磷(Ca-P)涂層,可以有效調控Zn2+釋放,提高Zn合金的抗腐蝕性能,控制Zn合金的降解速率。Mo等[20]認為Ca-P涂層是一種仿生結構,具有良好的生物相容性,是目前主要的研究方向之一。總之,在Zn合金表面進行涂層改性是一種有效控制Zn2+釋放,調控降解速率的有效手段。

2.3 加工工藝對Zn合金生物學性能的影響 不同的加工工藝可以改善Zn合金的力學強度,控制其降解速率,提高合金綜合性能,以滿足其填充不同部位骨缺損的需要。目前可降解Zn合金的加工工藝包括:傳統的鑄造、塑性變形加工技術和先進的粉末冶金、增材制造(additive manufacturing,AM)技術等。在鑄態Zn合金基礎上采用熱加工變形處理后的Zn合金晶粒破碎,晶界變多,Zn合金的抗拉強度得到進一步提升,但降解速率會變慢。Sun等[21]對軋制后的Zn-0.8Mn合金進行固溶熱處理,產生了固溶硬化的效果,可以提高Zn合金的耐腐蝕性,降低合金的降解速率。W?troba等[22]通過高壓扭轉技術制備Zn-3Ag-0.5Mg超細晶復合物合金具有極高的硬度,降解速率較慢,未來可能用于制備負重部位骨植入材料。Liu等[23]采用粉末冶金和塑性變形加工技術制備的Zn-1.6Mg合金,使其屈服強度和延伸率從鑄態時的82.3 MPa和1.4%提高到361.0 MPa和5.2%,Zn合金的力學性能明顯提高。目前已經能夠利用AM技術構建與骨缺損組織外形匹配,并且與人皮質骨或松質骨具有相近彈性模量的3D打印多孔Zn合金骨植入材料,其綜合性能得以明顯提高。

2.4 體液因素對Zn合金生物學性能的影響 人體內體液是一個十分復雜的電解質環境,不僅含有大量的無機鹽、氧、激素、細胞代謝產物等,而且還含有多種酶和抗體等介質,Zn合金在人體內腐蝕降解是一個非常復雜的過程。Venezuela等[24]研究發現Zn合金材料植入體內以后,降解生成的Zn2+與體液成分相互作用,形成不溶性磷酸鋅、碳酸鹽等產物,覆蓋在合金材料的表面,降低了其腐蝕降解速率。Chen等[25]發現Zn合金在體液中降解初期呈均勻降解特征,隨著降解產物Zn(OH)2在其表面附著,Zn合金的降解速率逐漸減慢,但隨著體液中Cl-與Zn(OH)2之間的反應逐漸增強,合金表面保護層遭到破壞,Zn合金的降解速率會加快。由于Zn合金材料植入部位不同,其腐蝕降解也存在一定差別,體內離子種類、含量也不盡相同,體內各部位的pH值也不完全一致,還有許多其他不確定因素如氧含量、細胞和蛋白質以及其他生物分子的黏附等都會對Zn合金腐蝕降解產生一定的影響。因此,Zn合金在體內的腐蝕降解過程比較復雜,其確切腐蝕降解機制目前仍不完全清楚,需要進一步研究。

2.5 降解產物對合金生物學性能的影響 Zn合金的腐蝕降解往往伴隨著降解產物的產生,一方面對周圍組織造成一定的損害;另一方面,在Zn合金材料周圍形成保護層,降低其腐蝕降解速率。Zhao等[26]應用模擬體液對Zn-2Li和Zn-4Li合金進行電化學腐蝕降解實驗,發現Li含量升高,會在Zn合金表面形成較厚的降解產物保護層,導致Zn合金的腐蝕降解速率變慢。Li等[27]研究Zn-4Ag合金降解產物對人永生顱骨膜細胞活力和成骨分化的影響,發現高濃度浸提液顯著減少人永生顱骨膜細胞鈣沉積,而低濃度浸提液則增強鈣沉積,認為Zn-4Ag合金的降解產物量決定著合金細胞毒性大小。Mostaed等[28]認為Zn合金的降解是一種吸氧腐蝕降解,沒有H形成;但Vojtěch等[29]認為Zn的降解是一種析氫腐蝕降解,有H產生,研究結論不一致。因此,Zn合金的腐蝕降解過程比較復雜,其降解產物的種類和數量均對Zn合金的生物學性能產生一定的影響。

3 Zn合金骨植入材料的應用

骨缺損的治療和及時修復對人體功能恢復非常重要。Zn合金具有刺激骨形成與礦化,抑制骨吸收,能夠有效促進骨缺損修復,并且具有一定的可降解性能,是一種理想的骨缺損修復植入材料。

目前,已經研發出多種Zn合金骨植入材料,并進行了體內外實驗,取得了一定的成果。Capek等[30]制備擠壓態Zn-0.8Mg-0.2Sr合金具有優越的力學性能、良好的細胞相容性和抗菌性能,可以滿足骨植入材料應用的要求。王順等[31]研究發現Zn-2Ag-0.4Mg多孔合金中Mg能夠提高合金材料的成骨性能,Ag能夠提高其抗菌性能,兩種元素的加入使合金的細胞毒性最低,綜合性能更好。Guo等[32]將Zn-0.5Mn合金植入大鼠脛骨4個月后,可觀察到健康的骨和血管形成,骨髓組織學檢查顯示骨髓增生,對肝腎功能未見明顯異常影響。Xiao等[33]將Zn-0.05Mg合金植入兔股骨干,觀察發現有新的骨組織形成,沒有發生明顯的炎癥反應,這表明該合金具有明顯的刺激成骨的性能和良好的生物相容性。Wang等[34]將Zn、Zn-2Ag和Zn-2Ag-0.04Mg合金分別植入新西蘭兔股骨內,觀察發現Zn-2Ag-0.04M合金新生骨明顯增多,骨體積更高,并且組織器官未見明顯的病理學改變,說明Zn-2Ag-0.04Mg合金具有良好的生物安全性,具有促成骨作用。Jia等[35]制備了可生物降解的Zn-0.8Li-0.5Ag合金植入物治療MRSA誘導的大鼠骨髓炎,發現對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin resistant Staphylococcus aureus,MRSA)具有較強的殺菌作用,能夠明顯控制骨髓炎感染,并具有良好促成骨性能,各器官形態和功能也未見明顯改變。Sun等[36]研發一種Zn-0.8Mn-0.4Mg合金螺釘,并應用于兔前交叉韌帶重建,發現Mg、Mn的添加可顯著加速新骨形成并進一步誘導肌腱礦化,促進腱骨整合,有利于早期關節功能恢復。Shao等[37]將Zn-Mg-Fe合金植入比格犬額骨、下頜骨和股骨中,發現Zn2+在其周圍組織中有蓄積,而在肝、腎和脾中沒有積累,這可能與Zn-Mg-Fe合金的降解速率過快有關,但血生化、各器官組織檢測結果未見明顯異常。

Zn合金能夠通過多種途徑調節骨的形成。一方面通過Zn2+、Mg2+、Mn2+等離子有效地激活成骨相關基因[骨鈣素(osteocalcin,OCN)、Col-I、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、Runt相關轉錄因子2(Runt related transcription factor 2,Runx2)]表達,提升OCN、Col-I和ALP的活性,增加Ca和P的積累,刺激骨分化與形成,促進骨生成[38];另一方面還能夠刺激成骨細胞產生骨保護素(osteoprotegerin,OPG),OPG可與核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)配體的受體激活劑(receptor activator of NF-κB ligand,RANKL)結合,從而抑制RANKL與破骨前體細胞NF-κB受體激活劑(receptor activator of NF-κB,RANK)的結合,減少破骨細胞形成[39]。雖然Zn合金由于具有一定的腐蝕降解速率,會造成應力集中,導致合金材料的強度降低,但可以通過Zn合金化改造,不斷提高其力學性能。

Zn合金綜合性能表明Zn合金在人體的應用基本具備了生物學性能的要求,可以用來制備骨填充材料。秦驥等[40]報道目前一種三元Zn-xMg-xFe合金已制備成接骨板成功應用于人體下頜骨骨折復位內固定手術,是Zn基可降解材料在臨床醫療領域世界首次應用。

4 Zn合金材料存在問題與對策

雖然Zn合金材料具有良好的綜合性能,在體內外研究中取得了一定的成果。但是Zn合金材料也面臨著一些問題:(1)Zn合金材料的力學性能與降解性能不相匹配的問題;(2)Zn合金降解過程釋放Zn2+、Mg2+、Ca2+等離子問題,如果降解過快導致局部過量蓄積會產生炎癥反應等毒副作用,抑制細胞成骨分化,延緩組織的修復愈合。因此,解決的對策為:(1)選擇無毒性金屬元素,對Zn進行合金化處理,優化Zn合金的力學強度,調控降解速率;(2)對Zn合金進行涂層表面改性處理,減少離子的過快釋放;(3)優化加工工藝,降低細胞毒性,提高Zn合金綜合性能。

5 總 結

Zn合金材料具有良好生物安全性、力學性能和可降解性能,并具有一定的促成骨性,是一種理想的骨植入金屬材料。然而,如何控制Zn合金降解與骨生長相匹配的問題,以及降解產物對周圍組織損害問題仍然是目前研究的熱點。盡管可降解Zn合金材料在臨床應用還存在很多挑戰,隨著技術的不斷進步和研究的不斷深入,有望成為一種理想的降解可控的骨植入材料。