中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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August 31-September 2 2022 | SWEECC H1&H2

锌基可降解生物医用合金备受关注

2022-01-27

导读:随着生物医学领域的发展,可降解生物金属材料由于拉伸及压缩的强度均高、延展性和耐冲击性出色,性能稳定、可靠性高、成形加工性能优良、可以根据患者个性化的需求制成形状复杂的结构等优势,逐渐成为了各国高校、科学家争相研究的热点。随着研究的深入,锌基可降解生物医用合金受到了许多学者的关注。

可以用来做血管支架和骨替代物的植入材料种类繁多,主要有金属材料、高分子材料和陶瓷材料。然而,高分子材料的力学性能较差,陶瓷材料的韧性难以满足要求,并且难以控制其降解速率,其降解产物留在体内易引起炎症。316L不锈钢等传统的金属材料,在体内摩擦会有磨屑产生,在体液环境中遭受腐蚀时,会产生可溶性离子,产生的磨屑和可溶性离子具有生物毒性,易造成人体局部过敏或者炎症等不良影响,甚至可能造成植入治疗的失败。传统的金属材料是不可降解材料,在植入物发挥作用使人体组织的结构和功能恢复后,使用不可降解材料制得的植入物需要再次手术取出,这增加了患者的痛苦和医疗费用,甚至会造成再次手术的其他危险。基于以上原因,研究一种新型的可降解生物医用金属材料刻不容缓。

生物材料是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或者替换病损组织和器官,或者增进功能的一类材料。可降解生物材料是指材料被植入人体内,能够不断地发生分解,分解的产物能被生物体所吸收的或者会排出体外的一类材料。可降解生物材料植入人体后,首先代替被替换的组织执行功能,然后随着材料被降解吸收,新生组织得到同步替换,最后达到永久性治疗的目的。可降解生物金属材料无论是作为植入体还是医疗器械,都是在最复杂的生物环境下工作。

上海大学材料科学与工程学院教授黎军顽、苏州市祥冠合金研究院院长马义明带领团队研究发现,理想的可降解生物金属材料要有以下特性,一是生物相容性,即可结合植入部位,并且不会影响植入物周围细胞的正常活性和自然再生,对组织的分解吸收具有传导性;二是力学相容性,即材料的力学性能优良,具有较好的强度、硬度和耐磨性;三是生物降解性,即在体液或血液环境下,可自然取代新生组织,分解后的产物无副作用,对周围组织的生长和修复无影响;四是易加工性,即具有良好的延展性、塑性和韧性,易加工成多种形状。

随着生物医学领域的发展,可降解生物金属材料由于拉伸及压缩的强度均高、延展性和耐冲击性出色,性能稳定、可靠性高、成形加工性能优良、可以根据患者个性化的需求制成形状复杂的结构等优势,逐渐成为了各国高校、科学家争相研究的热点。它在齿科、骨科、心血管的介入治疗等医疗领域的应用十分广泛,占到植入性医疗器械材料的40%以上。鉴于传统的生物医用金属材料不易降解,易产生过敏、畸变及癌症等问题,目前的研究主要集中在铁基可降解生物医用合金、镁基可降解生物医用合金。随着研究的深入,锌基可降解生物医用合金受到了许多学者的关注。

以下进行三类可降解生物医用合金的比较:

铁是人体必需的微量元素之一,成人体内约75%的铁是以络合物的方式存在,参与氧气的转运。铁离子也是许多酶促反应的辅助物质,直接影响DNA的合成以及氧化还原酶的活性。研究表明,铁基可降解生物医用合金作为植入物时,人体可吸收植入物降解产生的铁离子进行新陈代谢,并且没有毒性累积的现象产生,可以给人体提供足够的安全保障。因此,铁基合金是一种可供人体选择的可降解生物医用合金。但铁基合金的降解速度过慢,一般需要2年的时间才能完全降解,只有加快合金的降解速率才能达到临床医学应用的要求。同时,铁是磁性材料,作为植入物时与核磁共振成像的相容性较差。

镁也是人体内必需的金属微量元素,镁基合金有优良的比刚度和比强度,且弹性模量与人骨相近,常用作骨替代材料,可以降低应力遮挡效应。镁在地球上的资源丰富且价格低廉,在人体内参与蛋白质合成。它还激活体内的多种酶,调节神经肌肉与中枢神经系统的活动,心肌的正常收缩得以保障。人体可以吸收镁离子,促进钙沉积和骨细胞的形成,加速骨愈合速度。在临床的应用中,镁的性质过于活泼,在含有Cl-的人体内降解速度太快,会过早的丧失力学性能,在新骨形成前失去机械完整性,无法达到临床应用的要求,同时可能产生氢气,导致鼓包现象出现。

锌是一种必需的微量元素,是人体内的辅助因子,涉及几百种转录因子作用的发挥。锌能抑制氢气析出,还能调节蛋白磷酸酶和蛋白激酶的活性。锌作为合金基体,较易被细胞吸收,毒性更小。纯锌的力学性能比较差,可以通过加入合金元素、形变加工和适当的热处理来提高。与镁相比,锌的熔点更低,且化学活性不高,在制备的过程中不需加保护气体,铸造性能优异,生产工艺流程短,能耗小,因此制备工艺简单。锌能在众多生物可降解材料中脱颖而出的优势是,它早已被证实具有抗菌作用,相对于抗生素类药物,具有抗菌性稳定、持久,且不易出现耐药性等特点。

锌比镁更耐腐蚀,比铁更易腐蚀降解,若锌合金作为可降解生物医用合金,就能简单有效地避免镁基合金降解速率过快及铁基合金降解速率过慢引发的一系列问题。锌基可降解生物医用合金作为可降解生物医用合金的新成员,既有如镁合金的优良生物相容性,又有适合的生物体内服役时间,同时不易受到外界磁场的干扰,被认为是一种具有巨大潜力的生物可降解材料。但国内外针对锌基可降解生物医用合金的研究仍相对较少,苏州市祥冠合金研究院有限公司先发制人,开发研究出了Zn-Cu-Sr三元系合金,填补了锌基合金作为可降解生物材料在研究上的空白,为锌基合金作为可降解生物材料用于临床医学的工程添砖加瓦。虽然锌基可降解生物医用合金离临床应用还任重道远,但锌基合金本身优良的生物医用性能是其作为可降解生物医用材料进行临床应用时最坚实的力量支撑、最可靠的保障。

来源:中国有色金属报