陳立夫，汪健，王洪

（貴州醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院骨科及運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)科，貴州貴陽(yáng) 550001）

金屬支架因其適宜的機(jī)械性能而被用于骨組織工程。在各種金屬材料中，鎂擁有與人體骨骼相似的機(jī)械性能，在生理環(huán)境中鎂離子是人體必需的微量元素，它能在人體內(nèi)以安全和可控的方式降解和吸收［1］。因此，鎂支架被視為具有良好生物相容性和可生物降解的支架備選材料之一［2～5］。隨著制造工藝的不斷發(fā)展，多孔鎂合金支架有望成為一種最有前途的支架替代材料［6，7］。最近研究者試圖以鎂為基礎(chǔ)，添加鋅、鈣、錳、稀土等各種元素形成鎂合金，并通過(guò)表面改性來(lái)控制它的腐蝕速度以及加入孔隙率來(lái)使支架與骨組織更加適宜的結(jié)合［8～10］。理想的骨組織工程支架不僅要具有良好的生物相容、可生物降解及高機(jī)械強(qiáng)度等能力，還要具有多孔性，允許細(xì)胞遷移、血管形成和營(yíng)養(yǎng)輸送［11，12］。在現(xiàn)有的支架中想要同時(shí)滿足這些特性是一種挑戰(zhàn)。

1 鎂支架的優(yōu)缺點(diǎn)

鎂作為醫(yī)用生物材料已有100 多年的歷史，過(guò)去由于冶金技術(shù)水平低及生產(chǎn)工藝的限制，鎂被其他惰性金屬材料所代替。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鎂再次回歸人們的視野［13］。與其他材料相比鎂的優(yōu)點(diǎn)為：（1）擁有適宜的機(jī)械性能與生物相容性；（2）具有可生物降解性和醫(yī)學(xué)安全性；（3）鎂離子對(duì)人體內(nèi)幾乎所有的新陳代謝活動(dòng)都起著重要作用；（4）鎂分解的副產(chǎn)物可以被巨噬細(xì)胞安全地?cái)z取并通過(guò)尿液排出，不會(huì)危及生理功能［1，11，13］。與此同時(shí)，鎂的主要缺點(diǎn)是耐腐蝕性較差，過(guò)快的腐蝕速率會(huì)對(duì)支架的機(jī)械穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響［14］，不僅如此，鎂的快速腐蝕會(huì)產(chǎn)生大量的氫氣，從而改變置入物周圍區(qū)域的pH 并影響正常的生理過(guò)程［15～17］。這些不利影響都需要采取相關(guān)的措施來(lái)控制。

2 鎂支架的一般性能和評(píng)估

2.1 機(jī)械性能

用于骨組織工程的支架必須要有足夠的強(qiáng)度來(lái)承受生理負(fù)荷［2］。支架與骨組織的楊氏模量相差太大會(huì)引起應(yīng)力屏蔽，從而導(dǎo)致支架松動(dòng)、遷移、產(chǎn)生裂縫；因此支架必須具有與骨組織相匹配的機(jī)械性能?？紫犊梢栽黾又Ъ芘c骨結(jié)構(gòu)的相似性，從而促進(jìn)新生組織向內(nèi)生長(zhǎng)，從而降低應(yīng)力屏蔽，但孔隙率也會(huì)損害支架的機(jī)械性能［18，19］。Bonithon 等［10］通過(guò)研究多孔鎂支架的形態(tài)和力學(xué)性能得出結(jié)論：支架中小孔隙的存在有助于傳遞載荷，防止在纖維水平上的微裂紋形成；同時(shí)，孔隙率也與支架的整體力學(xué)行為密切相關(guān)，總體孔隙率低于40%～42%的鎂結(jié)構(gòu)往往更脆，常沿著最大剪切應(yīng)力的方向出現(xiàn)裂紋；在支架的孔隙率達(dá)到50%～60%時(shí)，可獲得更好的力學(xué)性能［10］。

2.2 生物腐蝕性

鎂在水溶液中的腐蝕會(huì)生成氫氧化鎂和氫氣，隨后與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鎂或與磷酸鹽反應(yīng)生成磷酸鎂。氫氣是一種抗氧化劑，適量的氫氣可以減輕氧化應(yīng)激引起的細(xì)胞損傷。降解產(chǎn)生的氫氧化鎂可以覆蓋在置入物表面，從而形成保護(hù)層，減少鎂支架的腐蝕［15，20，21］。雖然純鎂的腐蝕速度很快，但通過(guò)合金化、表面改性等方法，能顯著降低鎂支架的腐蝕率［9，22］。相關(guān)研究表明，高純度鎂支架的腐蝕率通常為0.9 mm/年，而WZ31 合金為13 mm/年，Z4 與WZ62 合金為2.3 mm/年不等，導(dǎo)致這種結(jié)果的主要原因是：當(dāng)鑄造的鎂合金中的雜質(zhì)含量超過(guò)允許的極限時(shí)，腐蝕率就會(huì)變高；例如，極高純度的WZ31 合金腐蝕率為0.35～0.55 mm/年，而鎂合金支架的腐蝕率最好被控制在＜0.5 mm/年［9］。Hartjen 等［17］將等離子體電解氧化處理的WE43 合金與未處理的WE43 合金相比較，結(jié)果表明：前者兩周后的氫氣釋放量降低了40.7%，說(shuō)明PEO/WE43 腐蝕速率顯著降低，并擁有更好的生物相容性［17］。在減少腐蝕率方面，未來(lái)的方向主要是繼續(xù)提高合金的純度和生產(chǎn)更加均勻的微觀結(jié)構(gòu)。

2.3 細(xì)胞毒性

新開(kāi)發(fā)材料的毒性通常是由不同的生物相容性驗(yàn)來(lái)確定的，比如提取實(shí)驗(yàn)、直接接觸、間接接觸實(shí)驗(yàn)等。由于目前在體外還不能完美地復(fù)刻體內(nèi)復(fù)雜的生理?xiàng)l件以及置入物與體內(nèi)組織之間的相互作用，因此現(xiàn)用于評(píng)估細(xì)胞和鎂支架之間相互作用的方法，主要是稀釋條件下的提取物測(cè)定法［23］。Jin 等［21］研究了Mg-2.1Nd-0.2Zn-0.5Zr 合金衍生的可降解顆粒（degradable particles,DPs）對(duì)巨噬細(xì)胞的細(xì)胞毒性，結(jié)果表明：DPs 會(huì)呈劑量依賴性地降低巨噬細(xì)胞的活性，DPs 通過(guò)異噬被巨噬細(xì)胞吞噬并在吞噬小體中進(jìn)一步降解，但暴露于DPs 中的巨噬細(xì)胞并沒(méi)有線粒體功能障礙的跡象。張濤等［24］通過(guò)對(duì)AZ31B 合金與兔骨骼肌的細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：支架的毒性可能是由于pH 值升高引起，調(diào)節(jié)PH 值后毒性變?yōu)?。這些結(jié)果將增強(qiáng)人們對(duì)體內(nèi)鎂合金支架代謝途徑的認(rèn)識(shí)，并更好地理解鎂基置入物對(duì)人體的影響。

2.4 體內(nèi)評(píng)估

即使采用ISO 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)多孔鎂支架的體外生物相容性，但體外環(huán)境并不能完全模擬真實(shí)的生理狀況，惡劣的環(huán)境也可能導(dǎo)致細(xì)胞因滲透休克而致死。眾所周知，在體內(nèi)環(huán)境中主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程會(huì)稀釋置入物周圍離子濃度。因此，評(píng)估多孔鎂支架的體內(nèi)生物相容性是了解其骨折愈合效果以及對(duì)周圍組織影響的必要條件。另外，宿主組織對(duì)支架的反應(yīng)、炎癥反應(yīng)、新生骨生長(zhǎng)方面也是支架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵體內(nèi)參數(shù)［23］。He 等［20］將純鎂置入大鼠骨槽后發(fā)現(xiàn)其能誘導(dǎo)牙槽嵴皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨形成，細(xì)胞外較高的鎂離子濃度可提高骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的增殖率和成骨能力［20］。Munteanu 等［8］將Mg-0.5Ca-xMn 合金置入大鼠的腰椎和大腿進(jìn)行體內(nèi)研究，60 d 后置入物周圍出現(xiàn)了大量的膠原纖維和高細(xì)胞密度，表明其吸收過(guò)程較為強(qiáng)烈，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)置入體周圍組織壞死。證明該材料具有良好的耐受性和組織相容性。

3 設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法

目前，鎂支架的制造技術(shù)大致可分為粉末冶金、鑄造和增材制造技術(shù)（3D 打?。?。在過(guò)去幾十年中，空間保持技術(shù)在粉未冶金中得到了廣泛的研究，相較而言，增材制造則是一種新興的制備多孔鎂支架的技術(shù)［23］。

3.1 粉末冶金與空間保持技術(shù)

粉末冶金是一種制備多孔鎂支架的傳統(tǒng)方法，但通過(guò)粉末冶金獲得最大孔隙率是有限的。為了獲得更高的孔隙率及受控的多孔結(jié)構(gòu)，研究者們發(fā)現(xiàn)可以將粉末冶金與空間保持技術(shù)結(jié)合起來(lái)。在空間保持技術(shù)中，支架的制造可以通過(guò)將鎂粉與至孔劑混合來(lái)完成，至孔劑是臨時(shí)顆粒，在支架中充當(dāng)孔隙形成劑［23］。Dutta 等［23］在粉末冶金過(guò)程中使用球形萘顆粒作為空間保持劑，制造了具有互連的多孔結(jié)構(gòu)的鎂合金支架。通過(guò)掃描數(shù)據(jù)顯示，支架的孔徑約為60 μm，抗壓強(qiáng)度為24～184 MPa，并且抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著至孔劑濃度的升高而下降。

3.2 鹽浸法

該技術(shù)主要使用氯化鈉作為鹽模版，因其是一種豐富的、無(wú)毒的模板材料，不需要有機(jī)溶劑就能溶解于水。除此之外，氯化鈉的生物相容性、高熱性及穩(wěn)定的化學(xué)也使得它適用于廣泛的支架材料［19］。Kleger等［19］開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù)，首先將鹽顆粒進(jìn)行功能化后形成了穩(wěn)定的氯化鈉糊狀物，然后將這種糊狀物通過(guò)墨水直寫(xiě)3D 打印技術(shù)制備成具有特定結(jié)構(gòu)孔隙率的鹽模板。最后將鹽模板進(jìn)行干燥和燒結(jié)，使其有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來(lái)承受熔融鎂的滲透。待熔融鎂固化后，再用氫氧化鈉水溶液對(duì)鹽模板進(jìn)行洗滌，最終獲得多孔鎂支架。支架的孔徑是由鹽模板的原始鹽顆粒或鹽聚集體的大小來(lái)決定的［19，23］。

3.3 增材制造技術(shù)（3D 打?。?/h3>

Dong 等［18］提出了一種基于室溫?cái)D壓的增材制造方法，即溶劑澆鑄3D 打?。╯olvent-cast 3D printing of magnesium scaffolds,SC-3DP），用于制備拓?fù)溆行虻亩嗫祖V支架。它主要由3 個(gè)步驟組成：首先是制備所需流變性能的負(fù)載鎂粉的墨水，然后將墨水與揮發(fā)性溶劑組成的粘結(jié)劑混合在一起以形成具有0°/90°/0°層的支架，最后使用脫脂和燒結(jié)以去除油墨中的粘合劑，使得鎂粉末顆粒融合，從而得到鎂支架。通過(guò)分析證明所形成的鎂支架具有高孔隙率，含有分層且相互連接的孔隙。這項(xiàng)研究首次證明SC-3DP 技術(shù)為制造鎂多孔支架提供了前所未有的可能性［18］。

4 合金化與表面改性

鎂支架的主要缺點(diǎn)是腐蝕迅速且不均勻，腐蝕速率快于吸收速率極易形成氫氣空腔，大量的氫氣還會(huì)損害宿主組織，這些因素均限制了鎂作為骨科置入物的應(yīng)用［25］。因此，為了解決鎂支架的長(zhǎng)期安全性問(wèn)題，合金化和表面改性是行之有效的方法［23，26］。

目前有多種鎂合金支架被用于骨組織工程的研究，比如Mg-0.5Ca-xMn［8］,Mg-Zn-Mn［9］,2.1Nd-0.2Zn-0.5Zr［21］,WE43［26］,AZ31［24］等。鈣、鋅和錳等元素的使用已被證明對(duì)人體無(wú)毒［4］。WE43 支架中含有釔和稀土，相關(guān)研究表明它的毒性較小，并能在四周內(nèi)保持結(jié)構(gòu)剛性［26］。鍶是天然骨中存在的微量元素，能促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化，阻礙破骨細(xì)胞的生長(zhǎng)和增殖［27］。表面改性是為了避免腐蝕介質(zhì)與鎂支架的直接接觸，從而起到延長(zhǎng)其壽命的作用；但在一些復(fù)雜的環(huán)境中，僅采用物理屏障可能無(wú)法滿足鎂支架的長(zhǎng)期存活。這種情況下，賦予涂層適當(dāng)?shù)墓δ芴匦?，如超疏水性和自愈性則是至關(guān)重要的［9］。如果涂層同時(shí)具有超疏水性和自愈特性，即一種自我修復(fù)的超疏水涂層，這會(huì)是一種進(jìn)一步提高鎂支架耐腐蝕性的方法。實(shí)現(xiàn)多種功能之間相互協(xié)調(diào)、相互促進(jìn)是功能性自愈超疏水涂層的重要方向，這可能是一種很有前途的改性方法［9，14］。合金化和表面改性能增加鎂支架的剛性和降低腐蝕速率，提升了多孔鎂支架在骨組織工程中的應(yīng)用潛能。

5 應(yīng)用

與傳統(tǒng)的金屬支架相比，鎂支架的優(yōu)勢(shì)在于可在體內(nèi)完全降解來(lái)避免了二次手術(shù)的損傷，有助于降低手術(shù)成本與健康風(fēng)險(xiǎn)，從而提高患者的依從性［11，12，26］。然而從上世紀(jì)中期到21世紀(jì)初，文獻(xiàn)中并沒(méi)有相關(guān)臨床試驗(yàn)的研究報(bào)道，其原因是可以通過(guò)不銹鋼、鈦合金等惰性金屬材料的成功使用以及鎂金屬在體內(nèi)快速腐蝕的缺點(diǎn)尚未攻克［12，28］。在過(guò)去十幾年中，研究者在開(kāi)發(fā)新型骨科生物材料的同時(shí)，對(duì)鎂金屬重新產(chǎn)生了興趣：Yu 等［29］研究了純鎂在股骨頭中的應(yīng)用；Plaass 等［30］使用MgYREZr 螺釘用于治療趾外翻；Lee 等［31］將Mg-Ca-Zn 螺釘用于治療手部骨折。最近，Xie 等［32］使用CaP 涂層的新型醫(yī)用可降解鎂合金（Jiao Da bio-magnesium,JDBM）螺釘治療內(nèi)踝骨折，這是第1 次研究鎂基置入物涂層的臨床試驗(yàn)。與此同時(shí)，Zhao 等［33］制備了聚多巴胺涂層的JDBM 支架，發(fā)現(xiàn)它不僅可以促進(jìn)軟骨形成，還可以有效地減輕局部炎癥反應(yīng)，證明JDBM 是治療骨性關(guān)節(jié)炎引起的軟骨缺損的理想材料。目前只有鎂合金螺釘在臨床上得到了應(yīng)用，3D 打印含鎂生物材料大部分還處于實(shí)驗(yàn)室研究或臨床研究階段［22］。

6 展望

多孔鎂支架的研究已有多年歷史，它們是為了克服惰性金屬置入物的局限性而開(kāi)發(fā)的。鎂支架在組織工程中的應(yīng)用才剛剛開(kāi)始，還需大量的研究去開(kāi)發(fā)新的制造技術(shù)來(lái)滿足臨床的要求。推進(jìn)該領(lǐng)域的第一步則是通過(guò)使用合金化、表面改性等方法來(lái)控制鎂支架在宿主體內(nèi)的降解速度。盡管目前鎂支架的體外靜態(tài)降解已有了許多的研究，但是體內(nèi)動(dòng)態(tài)的生物降解卻很少有報(bào)道。因此，未來(lái)需要加強(qiáng)對(duì)鎂支架在生理環(huán)境中動(dòng)態(tài)演變的研究，未來(lái)的研究方向還包括了解孔隙率對(duì)腐蝕和力學(xué)性能的影響、多孔結(jié)構(gòu)中的細(xì)胞再生和組織愈合、控制支架降解率等。此外，將鎂支架與生物聚合物、生物陶瓷和藥物等結(jié)合也代表了一種有前途的研究途徑。