可降解锌合金骨植入材料的研究进展

曹向昱,车浩东,李亚庚,田华*

(1.北京大学第三医院骨科,北京 100191;2.北京科技大学材料科学与工程学院,北京 100083)

由于创伤、感染和骨肿瘤切除以及先天性疾病等因素导致的骨缺损患者逐年增多,部分骨质丧失造成的骨不连、骨萎缩甚至畸形等并发症,是临床常见且较难治疗的疾病之一。目前对大段骨缺损的治疗主要是应用来源有限的自体骨或异体骨,以及应用不锈钢、钛合金等骨替代材料进行移植,以填充骨缺损并促进其修复和重建,虽然金属填充材料的力学性能较好,但在人体内不能降解,长时间滞留体内所产生的金属离子对周围组织造成一定的损害,因为其弹性模量远大于人骨骼的弹性模量,所以会产生应力遮挡效应等问题。因此,寻找一种可降解骨植入材料逐渐成为近年的研究热点。Zn是一种可降解金属,其降解速率比Mg慢、比Fe快,其降解趋势更为平缓[1]。由于其良好的生物安全性、特定的力学性能和适宜的降解速率,Zn合金有望成为一种理想的骨植入材料[2]。本文就Zn合金的生物学性能、影响因素和作为骨植入材料的应用以及存在的问题与对策做一简要综述。

1 Zn合金的生物学性能

Zn是人体必需的微量元素之一,Zn参与维持机体正常生理功能,还能够刺激成骨细胞生长,在骨骼矿化/重塑过程中起着一定作用。Zn合金不仅具有良好的生物安全性、特定力学性能,而且还具有适宜的降解速率。

1.1 Zn合金材料的生物安全性 Zn合金材料对机体影响最大的是降解过程释放的离子,即使是有益的离子如Zn、Mg、Fe、Ca等,仍然存在着剂量效应,当离子浓度过高时会产生毒性作用。Katari等[3]研究发现高浓度Zn2+能够诱导细胞凋亡或坏死、破坏细胞内信号通路传导。Kafri等[4]将Zn-Fe合金植入大鼠体内,血液中Zn2+在正常范围之内,Fe元素含量增加,但未见明显的炎症反应和组织坏死现象。Bai等[5]将Zn合金的生物传感器置入小鼠体内,测量血、心、脑、脾、肺、肾和肌肉组织中Zn2+浓度,未见Zn2+异常蓄积,也未见相关的组织损伤,说明Zn合金材料具有良好的生物安全性。目前尚无Zn合金材料体内降解导致Zn2+超出正常范围的报道[6]。Zn合金材料降解速率较慢,局部应用一般不会引起整体内环境的改变,所以Zn合金作为骨植入材料理论上是安全的。

1.2 Zn合金材料的力学性能 Zn的力学性能较差,屈服强度为10～110 MPa,延展度为1.20%～2.10%,很难满足将其用于承重材料的要求。但是可以通过加入Mg、Ca、Fe、Sr等元素进行Zn的合金化提高其力学强度,以接近皮质骨的机械性能。Mostaed等[7]观察到Zn-Mg合金在平衡盐溶液(Hank’s)中浸泡2周后的抗压强度有不同程度的减小,但随着合金元素Mg含量从0.15 wt%增加到1.00 wt%,其抗压强度从8.70%增加到20.00%,总的来说Zn-Mg合金在Hank’s中的抗压强度仍然较高。Zhu等[8]研究发现Zn-0.1Li合金在37 ℃下表现出明显的蠕变变形,Zn合金逐渐降解,但其形态仍保持完好。Yang等[9]将力学强度为646 MPa的Zn-Li-Mg合金材料置入兔子体内观察发现其对股骨的固定作用良好,在合金材料周围也未见明显的炎症反应和组织损伤。由此可见,可以根据不同的临床需求,通过添加不同的金属元素,提高Zn合金的力学性能。

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腐蚀电位为-0.762 V,高于Mg的-2.372 V,而低于Fe的-0.441 V,Zn合金腐蚀降解速率比Mg慢,比Fe快[1]。Törne等[10]研究在林格氏液(Ringer’s)中浸泡30 d的Zn、Zn-0.5Mg和Zn-3Mg三种不同合金的腐蚀降解性能,发现这三种合金都能发生腐蚀降解,且降解速率各不相同,这可能与Zn合金中Mg在材料表面形成惰性化合物Mg2(OH)2CO3屏障有关,减缓了Zn合金的腐蚀降解速率。Zhao等[11]研究Zn-Li合金植入大鼠体内的降解过程,发现Zn-Li合金在大鼠体内2个月和12个月的降解速率分别为0.008 mm/年和0.045 mm/年,该降解速率能确保合金材料在服役期内的机械强度。因此,可以利用Zn合金的可降解特性,研究开发具有可降解性能的骨植入金属材料。

2 影响Zn合金材料生物学性能的因素

Zn合金材料植入体内以后,随着合金材料的降解、离子的释放,Zn合金材料的生物学性能会发生变化。人体体液是一个含有多种离子的电解质环境,Zn合金在人体内会发生腐蚀降解,其过程与Zn合金材料的性质以及周围环境的pH值、温度和血流动力学等都有一定关系。因此,研究Zn合金生物学性能的影响因素非常重要。

2.1 合金成分对生物学性能的影响 纯Zn柔软,机械强度较低,Zn合金一般由高纯Zn加入一定比例合金化元素熔炼而成,经过深加工变成多种Zn合金材料。Zn合金因合金元素成分不同,其生物学性能也有一定差异。Shen等[12]在Zn合金中添加Mg元素,Zn合金的力学强度随之提高,但腐蚀降解速率也明显加快,将Zn-0.8Mg合金植入体内6周仍保持95%的承载能力,也未见明显的毒副作用。Li等[13]在Zn合金中加入不同质量分数Ca,可以提高合金的力学强度,加快腐蚀降解速率,其中Zn-2Ca合金的综合性能最好。Tang等[14]研究了Cu对Zn-xCu(x=1、2、3、4 wt%)合金性能的影响,当Cu含量达4 wt%时,合金的延伸率超过50%。Cu含量的增加还在一定程度上提高了降解速率,说明可以通过调整Cu含量调控Zn合金的降解性能。Jia等[15]制备了Zn-Sr合金,Sr具有促进成骨、抑制破骨细胞形成的双相活性,应用Zn-0.8Sr合金材料修复大鼠股骨髁缺损,能够促进合金材料与骨整合,说明Zn-Sr合金具有良好的体内修复性能。Liu等[16]研究发现AI可以对Zn合金起强化、调控降解速率的作用,但AI有一定神经毒性作用,一般不作为合金添加元素应用。由此可见,可以通过在Zn中添加不同种类、不同剂量的金属元素来优化Zn合金的综合性能。

2.2 表面改性对Zn合金生物学性能的影响 表面改性是在Zn合金材料表面制备一层或多层与基体组成、结构及性能均有差异的表面涂层,不仅对机体无不良影响,还能隔绝腐蚀性离子与合金体的直接接触,从而起到对合金的保护作用,改善Zn合金材料的综合性能。Mao等[17]在Zn-1Ca合金表面制备Zn2SiO4nm棒和Ⅰ型胶原蛋白(collagen type Ⅰ,Col-Ⅰ)组成的仿骨细胞外基质(extracellular matrix,ECM)样表面涂层,它能够显著改善Zn-1Ca合金表面成骨细胞的黏附、增殖和分化,并进一步减少Zn2+释放,防止局部Zn2+过量蓄积。Deren等[18]在Zn-AI合金表面进行十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate,SDS)和左乙酰丙酸(levulinic acid,LA)的聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA]表面涂层处理,PLGA-SDS/LA涂层具有极好的耐腐蚀性能,可以通过改变涂层厚度调节Zn-AI合金降解速率,并且还具有良好的抗菌性能。Su等[19]在Zn合金表面制备微米/纳米钙-磷(Ca-P)涂层,可以有效调控Zn2+释放,提高Zn合金的抗腐蚀性能,控制Zn合金的降解速率。Mo等[20]认为Ca-P涂层是一种仿生结构,具有良好的生物相容性,是目前主要的研究方向之一。总之,在Zn合金表面进行涂层改性是一种有效控制Zn2+释放,调控降解速率的有效手段。

2.3 加工工艺对Zn合金生物学性能的影响 不同的加工工艺可以改善Zn合金的力学强度,控制其降解速率,提高合金综合性能,以满足其填充不同部位骨缺损的需要。目前可降解Zn合金的加工工艺包括:传统的铸造、塑性变形加工技术和先进的粉末冶金、增材制造(additive manufacturing,AM)技术等。在铸态Zn合金基础上采用热加工变形处理后的Zn合金晶粒破碎,晶界变多,Zn合金的抗拉强度得到进一步提升,但降解速率会变慢。Sun等[21]对轧制后的Zn-0.8Mn合金进行固溶热处理,产生了固溶硬化的效果,可以提高Zn合金的耐腐蚀性,降低合金的降解速率。Wątroba等[22]通过高压扭转技术制备Zn-3Ag-0.5Mg超细晶复合物合金具有极高的硬度,降解速率较慢,未来可能用于制备负重部位骨植入材料。Liu等[23]采用粉末冶金和塑性变形加工技术制备的Zn-1.6Mg合金,使其屈服强度和延伸率从铸态时的82.3 MPa和1.4%提高到361.0 MPa和5.2%,Zn合金的力学性能明显提高。目前已经能够利用AM技术构建与骨缺损组织外形匹配,并且与人皮质骨或松质骨具有相近弹性模量的3D打印多孔Zn合金骨植入材料,其综合性能得以明显提高。

2.4 体液因素对Zn合金生物学性能的影响 人体内体液是一个十分复杂的电解质环境,不仅含有大量的无机盐、氧、激素、细胞代谢产物等,而且还含有多种酶和抗体等介质,Zn合金在人体内腐蚀降解是一个非常复杂的过程。Venezuela等[24]研究发现Zn合金材料植入体内以后,降解生成的Zn2+与体液成分相互作用,形成不溶性磷酸锌、碳酸盐等产物,覆盖在合金材料的表面,降低了其腐蚀降解速率。Chen等[25]发现Zn合金在体液中降解初期呈均匀降解特征,随着降解产物Zn(OH)2在其表面附着,Zn合金的降解速率逐渐减慢,但随着体液中Cl-与Zn(OH)2之间的反应逐渐增强,合金表面保护层遭到破坏,Zn合金的降解速率会加快。由于Zn合金材料植入部位不同,其腐蚀降解也存在一定差别,体内离子种类、含量也不尽相同,体内各部位的pH值也不完全一致,还有许多其他不确定因素如氧含量、细胞和蛋白质以及其他生物分子的黏附等都会对Zn合金腐蚀降解产生一定的影响。因此,Zn合金在体内的腐蚀降解过程比较复杂,其确切腐蚀降解机制目前仍不完全清楚,需要进一步研究。

2.5 降解产物对合金生物学性能的影响 Zn合金的腐蚀降解往往伴随着降解产物的产生,一方面对周围组织造成一定的损害;另一方面,在Zn合金材料周围形成保护层,降低其腐蚀降解速率。Zhao等[26]应用模拟体液对Zn-2Li和Zn-4Li合金进行电化学腐蚀降解实验,发现Li含量升高,会在Zn合金表面形成较厚的降解产物保护层,导致Zn合金的腐蚀降解速率变慢。Li等[27]研究Zn-4Ag合金降解产物对人永生颅骨膜细胞活力和成骨分化的影响,发现高浓度浸提液显著减少人永生颅骨膜细胞钙沉积,而低浓度浸提液则增强钙沉积,认为Zn-4Ag合金的降解产物量决定着合金细胞毒性大小。Mostaed等[28]认为Zn合金的降解是一种吸氧腐蚀降解,没有H形成;但Vojtěch等[29]认为Zn的降解是一种析氢腐蚀降解,有H产生,研究结论不一致。因此,Zn合金的腐蚀降解过程比较复杂,其降解产物的种类和数量均对Zn合金的生物学性能产生一定的影响。

3 Zn合金骨植入材料的应用

骨缺损的治疗和及时修复对人体功能恢复非常重要。Zn合金具有刺激骨形成与矿化,抑制骨吸收,能够有效促进骨缺损修复,并且具有一定的可降解性能,是一种理想的骨缺损修复植入材料。

目前,已经研发出多种Zn合金骨植入材料,并进行了体内外实验,取得了一定的成果。Capek等[30]制备挤压态Zn-0.8Mg-0.2Sr合金具有优越的力学性能、良好的细胞相容性和抗菌性能,可以满足骨植入材料应用的要求。王顺等[31]研究发现Zn-2Ag-0.4Mg多孔合金中Mg能够提高合金材料的成骨性能,Ag能够提高其抗菌性能,两种元素的加入使合金的细胞毒性最低,综合性能更好。Guo等[32]将Zn-0.5Mn合金植入大鼠胫骨4个月后,可观察到健康的骨和血管形成,骨髓组织学检查显示骨髓增生,对肝肾功能未见明显异常影响。Xiao等[33]将Zn-0.05Mg合金植入兔股骨干,观察发现有新的骨组织形成,没有发生明显的炎症反应,这表明该合金具有明显的刺激成骨的性能和良好的生物相容性。Wang等[34]将Zn、Zn-2Ag和Zn-2Ag-0.04Mg合金分别植入新西兰兔股骨内,观察发现Zn-2Ag-0.04M合金新生骨明显增多,骨体积更高,并且组织器官未见明显的病理学改变,说明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]制备了可生物降解的Zn-0.8Li-0.5Ag合金植入物治疗MRSA诱导的大鼠骨髓炎,发现对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin resistant Staphylococcus aureus,MRSA)具有较强的杀菌作用,能够明显控制骨髓炎感染,并具有良好促成骨性能,各器官形态和功能也未见明显改变。Sun等[36]研发一种Zn-0.8Mn-0.4Mg合金螺钉,并应用于兔前交叉韧带重建,发现Mg、Mn的添加可显著加速新骨形成并进一步诱导肌腱矿化,促进腱骨整合,有利于早期关节功能恢复。Shao等[37]将Zn-Mg-Fe合金植入比格犬额骨、下颌骨和股骨中,发现Zn2+在其周围组织中有蓄积,而在肝、肾和脾中没有积累,这可能与Zn-Mg-Fe合金的降解速率过快有关,但血生化、各器官组织检测结果未见明显异常。

Zn合金能够通过多种途径调节骨的形成。一方面通过Zn2+、Mg2+、Mn2+等离子有效地激活成骨相关基因[骨钙素(osteocalcin,OCN)、Col-I、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、Runt相关转录因子2(Runt related transcription factor 2,Runx2)]表达,提升OCN、Col-I和ALP的活性,增加Ca和P的积累,刺激骨分化与形成,促进骨生成[38];另一方面还能够刺激成骨细胞产生骨保护素(osteoprotegerin,OPG),OPG可与核因子-κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)配体的受体激活剂(receptor activator of NF-κB ligand,RANKL)结合,从而抑制RANKL与破骨前体细胞NF-κB受体激活剂(receptor activator of NF-κB,RANK)的结合,减少破骨细胞形成[39]。虽然Zn合金由于具有一定的腐蚀降解速率,会造成应力集中,导致合金材料的强度降低,但可以通过Zn合金化改造,不断提高其力学性能。

Zn合金综合性能表明Zn合金在人体的应用基本具备了生物学性能的要求,可以用来制备骨填充材料。秦骥等[40]报道目前一种三元Zn-xMg-xFe合金已制备成接骨板成功应用于人体下颌骨骨折复位内固定手术,是Zn基可降解材料在临床医疗领域世界首次应用。

4 Zn合金材料存在问题与对策

虽然Zn合金材料具有良好的综合性能,在体内外研究中取得了一定的成果。但是Zn合金材料也面临着一些问题:(1)Zn合金材料的力学性能与降解性能不相匹配的问题;(2)Zn合金降解过程释放Zn2+、Mg2+、Ca2+等离子问题,如果降解过快导致局部过量蓄积会产生炎症反应等毒副作用,抑制细胞成骨分化,延缓组织的修复愈合。因此,解决的对策为:(1)选择无毒性金属元素,对Zn进行合金化处理,优化Zn合金的力学强度,调控降解速率;(2)对Zn合金进行涂层表面改性处理,减少离子的过快释放;(3)优化加工工艺,降低细胞毒性,提高Zn合金综合性能。

5 总 结

Zn合金材料具有良好生物安全性、力学性能和可降解性能,并具有一定的促成骨性,是一种理想的骨植入金属材料。然而,如何控制Zn合金降解与骨生长相匹配的问题,以及降解产物对周围组织损害问题仍然是目前研究的热点。尽管可降解Zn合金材料在临床应用还存在很多挑战,随着技术的不断进步和研究的不断深入,有望成为一种理想的降解可控的骨植入材料。