曹向昱,車浩東,李亞庚,田華*

(1.北京大學(xué)第三醫(yī)院骨科,北京 100191;2.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083)

由于創(chuàng)傷、感染和骨腫瘤切除以及先天性疾病等因素導(dǎo)致的骨缺損患者逐年增多,部分骨質(zhì)喪失造成的骨不連、骨萎縮甚至畸形等并發(fā)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(yīng)用來源有限的自體骨或異體骨,以及應(yīng)用不銹鋼、鈦合金等骨替代材料進(jìn)行移植,以填充骨缺損并促進(jìn)其修復(fù)和重建,雖然金屬填充材料的力學(xué)性能較好,但在人體內(nèi)不能降解,長時(shí)間滯留體內(nèi)所產(chǎn)生的金屬離子對周圍組織造成一定的損害,因?yàn)槠鋸椥阅Ａ窟h(yuǎn)大于人骨骼的彈性模量,所以會產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)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(diǎn)。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(xué)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(xué)性能、影響因素和作為骨植入材料的應(yīng)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(xué)性能

Zn是人體必需的微量元素之一,Zn參與維持機(jī)體正常生理功能,還能夠刺激成骨細(xì)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(xué)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(jī)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(yīng),當(dāng)離子濃度過高時(shí)會產(chǎn)生毒性作用。Katari等[3]研究發(fā)現(xiàn)高濃度Zn2+能夠誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或壞死、破壞細(xì)胞內(nèi)信號通路傳導(dǎo)。Kafri等[4]將Zn-Fe合金植入大鼠體內(nèi),血液中Zn2+在正常范圍之內(nèi),Fe元素含量增加,但未見明顯的炎癥反應(yīng)和組織壞死現(xiàn)象。Bai等[5]將Zn合金的生物傳感器置入小鼠體內(nèi),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(guān)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(nèi)降解導(dǎo)致Zn2+超出正常范圍的報(bào)道[6]。Zn合金材料降解速率較慢,局部應(yīng)用一般不會引起整體內(nèi)環(huán)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(xué)性能 Zn的力學(xué)性能較差,屈服強(qiáng)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(jìn)行Zn的合金化提高其力學(xué)強(qiáng)度,以接近皮質(zhì)骨的機(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度仍然較高。Zhu等[8]研究發(fā)現(xiàn)Zn-0.1Li合金在37 ℃下表現(xiàn)出明顯的蠕變變形,Zn合金逐漸降解,但其形態(tài)仍保持完好。Yang等[9]將力學(xué)強(qiáng)度為646 MPa的Zn-Li-Mg合金材料置入兔子體內(nèi)觀察發(fā)現(xiàn)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(yīng)和組織損傷。由此可見,可以根據(jù)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(xué)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(fā)現(xiàn)這三種合金都能發(fā)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(guān),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(nèi)的降解過程,發(fā)現(xiàn)Zn-Li合金在大鼠體內(nèi)2個(gè)月和12個(gè)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(nèi)的機(jī)械強(qiáng)度。因此,可以利用Zn合金的可降解特性,研究開發(fā)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(xué)性能的因素

Zn合金材料植入體內(nèi)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(xué)性能會發(fā)生變化。人體體液是一個(gè)含有多種離子的電解質(zhì)環(huán)境,Zn合金在人體內(nèi)會發(fā)生腐蝕降解,其過程與Zn合金材料的性質(zhì)以及周圍環(huán)境的pH值、溫度和血流動力學(xué)等都有一定關(guān)系。因此,研究Zn合金生物學(xué)性能的影響因素非常重要。

2.1 合金成分對生物學(xué)性能的影響 純Zn柔軟,機(jī)械強(qiáng)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(jīng)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(xué)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(xué)強(qiáng)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(nèi)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(zhì)量分?jǐn)?shù)Ca,可以提高合金的力學(xué)強(qiáng)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(dāng)Cu含量達(dá)4 wt%時(shí),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(diào)整Cu含量調(diào)控Zn合金的降解性能。Jia等[15]制備了Zn-Sr合金,Sr具有促進(jìn)成骨、抑制破骨細(xì)胞形成的雙相活性,應(yīng)用Zn-0.8Sr合金材料修復(fù)大鼠股骨髁缺損,能夠促進(jìn)合金材料與骨整合,說明Zn-Sr合金具有良好的體內(nèi)修復(fù)性能。Liu等[16]研究發(fā)現(xiàn)AI可以對Zn合金起強(qiáng)化、調(diào)控降解速率的作用,但AI有一定神經(jīng)毒性作用,一般不作為合金添加元素應(yīng)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(yōu)化Zn合金的綜合性能。

2.2 表面改性對Zn合金生物學(xué)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(jié)構(gòu)及性能均有差異的表面涂層,不僅對機(jī)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(hù)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(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)樣表面涂層,它能夠顯著改善Zn-1Ca合金表面成骨細(xì)胞的黏附、增殖和分化,并進(jìn)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(jìn)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(diào)節(jié)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(diào)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(rèn)為Ca-P涂層是一種仿生結(jié)構(gòu),具有良好的生物相容性,是目前主要的研究方向之一?？傊?在Zn合金表面進(jìn)行涂層改性是一種有效控制Zn2+釋放,調(diào)控降解速率的有效手段。

2.3 加工工藝對Zn合金生物學(xué)性能的影響 不同的加工工藝可以改善Zn合金的力學(xué)強(qiáng)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(tǒng)的鑄造、塑性變形加工技術(shù)和先進(jìn)的粉末冶金、增材制造(additive manufacturing,AM)技術(shù)等。在鑄態(tài)Zn合金基礎(chǔ)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(qiáng)度得到進(jìn)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(jìn)行固溶熱處理,產(chǎn)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(zhuǎn)技術(shù)制備Zn-3Ag-0.5Mg超細(xì)晶復(fù)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(fù)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(shù)制備的Zn-1.6Mg合金,使其屈服強(qiáng)度和延伸率從鑄態(tài)時(shí)的82.3 MPa和1.4%提高到361.0 MPa和5.2%,Zn合金的力學(xué)性能明顯提高。目前已經(jīng)能夠利用AM技術(shù)構(gòu)建與骨缺損組織外形匹配,并且與人皮質(zhì)骨或松質(zhì)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(xué)性能的影響 人體內(nèi)體液是一個(gè)十分復(fù)雜的電解質(zhì)環(huán)境,不僅含有大量的無機(jī)鹽、氧、激素、細(xì)胞代謝產(chǎn)物等,而且還含有多種酶和抗體等介質(zhì),Zn合金在人體內(nèi)腐蝕降解是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。Venezuela等[24]研究發(fā)現(xiàn)Zn合金材料植入體內(nèi)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(chǎn)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(fā)現(xiàn)Zn合金在體液中降解初期呈均勻降解特征,隨著降解產(chǎn)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(yīng)逐漸增強(qiáng),合金表面保護(hù)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(nèi)離子種類、含量也不盡相同,體內(nèi)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(xì)胞和蛋白質(zhì)以及其他生物分子的黏附等都會對Zn合金腐蝕降解產(chǎn)生一定的影響。因此,Zn合金在體內(nèi)的腐蝕降解過程比較復(fù)雜,其確切腐蝕降解機(jī)制目前仍不完全清楚,需要進(jìn)一步研究。

2.5 降解產(chǎn)物對合金生物學(xué)性能的影響 Zn合金的腐蝕降解往往伴隨著降解產(chǎn)物的產(chǎn)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(hù)層,降低其腐蝕降解速率。Zhao等[26]應(yīng)用模擬體液對Zn-2Li和Zn-4Li合金進(jìn)行電化學(xué)腐蝕降解實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)Li含量升高,會在Zn合金表面形成較厚的降解產(chǎn)物保護(hù)層,導(dǎo)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(chǎn)物對人永生顱骨膜細(xì)胞活力和成骨分化的影響,發(fā)現(xiàn)高濃度浸提液顯著減少人永生顱骨膜細(xì)胞鈣沉積,而低濃度浸提液則增強(qiáng)鈣沉積,認(rèn)為Zn-4Ag合金的降解產(chǎn)物量決定著合金細(xì)胞毒性大小。Mostaed等[28]認(rèn)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(rèn)為Zn的降解是一種析氫腐蝕降解,有H產(chǎn)生,研究結(jié)論不一致。因此,Zn合金的腐蝕降解過程比較復(fù)雜,其降解產(chǎn)物的種類和數(shù)量均對Zn合金的生物學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。

3 Zn合金骨植入材料的應(yīng)用

骨缺損的治療和及時(shí)修復(fù)對人體功能恢復(fù)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(jìn)骨缺損修復(fù),并且具有一定的可降解性能,是一種理想的骨缺損修復(fù)植入材料。

目前,已經(jīng)研發(fā)出多種Zn合金骨植入材料,并進(jìn)行了體內(nèi)外實(shí)驗(yàn),取得了一定的成果。Capek等[30]制備擠壓態(tài)Zn-0.8Mg-0.2Sr合金具有優(yōu)越的力學(xué)性能、良好的細(xì)胞相容性和抗菌性能,可以滿足骨植入材料應(yīng)用的要求。王順等[31]研究發(fā)現(xiàn)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(xì)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(gè)月后,可觀察到健康的骨和血管形成,骨髓組織學(xué)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(fā)現(xiàn)有新的骨組織形成,沒有發(fā)生明顯的炎癥反應(yīng),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(nèi),觀察發(fā)現(xiàn)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(xué)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(dǎo)的大鼠骨髓炎,發(fā)現(xiàn)對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin resistant Staphylococcus aureus,MRSA)具有較強(qiáng)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(tài)和功能也未見明顯改變。Sun等[36]研發(fā)一種Zn-0.8Mn-0.4Mg合金螺釘,并應(yīng)用于兔前交叉韌帶重建,發(fā)現(xiàn)Mg、Mn的添加可顯著加速新骨形成并進(jìn)一步誘導(dǎo)肌腱礦化,促進(jìn)腱骨整合,有利于早期關(guān)節(jié)功能恢復(fù)。Shao等[37]將Zn-Mg-Fe合金植入比格犬額骨、下頜骨和股骨中,發(fā)現(xiàn)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(guān),但血生化、各器官組織檢測結(jié)果未見明顯異常。

Zn合金能夠通過多種途徑調(diào)節(jié)骨的形成。一方面通過Zn2+、Mg2+、Mn2+等離子有效地激活成骨相關(guān)基因[骨鈣素(osteocalcin,OCN)、Col-I、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runt related transcription factor 2,Runx2)]表達(dá),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(jìn)骨生成[38];另一方面還能夠刺激成骨細(xì)胞產(chǎn)生骨保護(hù)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(jié)合,從而抑制RANKL與破骨前體細(xì)胞NF-κB受體激活劑(receptor activator of NF-κB,RANK)的結(jié)合,減少破骨細(xì)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(yīng)力集中,導(dǎo)致合金材料的強(qiáng)度降低,但可以通過Zn合金化改造,不斷提高其力學(xué)性能。

Zn合金綜合性能表明Zn合金在人體的應(yīng)用基本具備了生物學(xué)性能的要求,可以用來制備骨填充材料。秦驥等[40]報(bào)道目前一種三元Zn-xMg-xFe合金已制備成接骨板成功應(yīng)用于人體下頜骨骨折復(fù)位內(nèi)固定手術(shù),是Zn基可降解材料在臨床醫(yī)療領(lǐng)域世界首次應(yīng)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(nèi)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(xué)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(dǎo)致局部過量蓄積會產(chǎn)生炎癥反應(yīng)等毒副作用,抑制細(xì)胞成骨分化,延緩組織的修復(fù)愈合。因此,解決的對策為:(1)選擇無毒性金屬元素,對Zn進(jìn)行合金化處理,優(yōu)化Zn合金的力學(xué)強(qiáng)度,調(diào)控降解速率;(2)對Zn合金進(jìn)行涂層表面改性處理,減少離子的過快釋放;(3)優(yōu)化加工工藝,降低細(xì)胞毒性,提高Zn合金綜合性能。

5 總 結(jié)

Zn合金材料具有良好生物安全性、力學(xué)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(chǎn)物對周圍組織損害問題仍然是目前研究的熱點(diǎn)。盡管可降解Zn合金材料在臨床應(yīng)用還存在很多挑戰(zhàn),隨著技術(shù)的不斷進(jìn)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。