鋅基可降解生物醫(yī)用合金備受關注
2022年01月18日 11:25 39317次瀏覽 來源: 中國有色金屬報 分類: 鉛鋅資訊 作者: 于卿
可以用來做血管支架和骨替代物的植入材料種類繁多,主要有金屬材料、高分子材料和陶瓷材料。然而,高分子材料的力學性能較差,陶瓷材料的韌性難以滿足要求,并且難以控制其降解速率,其降解產物留在體內易引起炎癥。316L不銹鋼等傳統(tǒng)的金屬材料,在體內摩擦會有磨屑產生,在體液環(huán)境中遭受腐蝕時,會產生可溶性離子,產生的磨屑和可溶性離子具有生物毒性,易造成人體局部過敏或者炎癥等不良影響,甚至可能造成植入治療的失敗。傳統(tǒng)的金屬材料是不可降解材料,在植入物發(fā)揮作用使人體組織的結構和功能恢復后,使用不可降解材料制得的植入物需要再次手術取出,這增加了患者的痛苦和醫(yī)療費用,甚至會造成再次手術的其他危險?;谝陨显?,研究一種新型的可降解生物醫(yī)用金屬材料刻不容緩。
生物材料是用來對生物體進行診斷、治療、修復或者替換病損組織和器官,或者增進功能的一類材料。可降解生物材料是指材料被植入人體內,能夠不斷地發(fā)生分解,分解的產物能被生物體所吸收的或者會排出體外的一類材料??山到馍锊牧现踩肴梭w后,首先代替被替換的組織執(zhí)行功能,然后隨著材料被降解吸收,新生組織得到同步替換,最后達到永久性治療的目的??山到馍锝饘俨牧蠠o論是作為植入體還是醫(yī)療器械,都是在最復雜的生物環(huán)境下工作。
上海大學材料科學與工程學院教授黎軍頑、蘇州市祥冠合金研究院院長馬義明帶領團隊研究發(fā)現(xiàn),理想的可降解生物金屬材料要有以下特性,一是生物相容性,即可結合植入部位,并且不會影響植入物周圍細胞的正常活性和自然再生,對組織的分解吸收具有傳導性;二是力學相容性,即材料的力學性能優(yōu)良,具有較好的強度、硬度和耐磨性;三是生物降解性,即在體液或血液環(huán)境下,可自然取代新生組織,分解后的產物無副作用,對周圍組織的生長和修復無影響;四是易加工性,即具有良好的延展性、塑性和韌性,易加工成多種形狀。
隨著生物醫(yī)學領域的發(fā)展,可降解生物金屬材料由于拉伸及壓縮的強度均高、延展性和耐沖擊性出色,性能穩(wěn)定、可靠性高、成形加工性能優(yōu)良、可以根據(jù)患者個性化的需求制成形狀復雜的結構等優(yōu)勢,逐漸成為了各國高校、科學家爭相研究的熱點。它在齒科、骨科、心血管的介入治療等醫(yī)療領域的應用十分廣泛,占到植入性醫(yī)療器械材料的40%以上。鑒于傳統(tǒng)的生物醫(yī)用金屬材料不易降解,易產生過敏、畸變及癌癥等問題,目前的研究主要集中在鐵基可降解生物醫(yī)用合金、鎂基可降解生物醫(yī)用合金。隨著研究的深入,鋅基可降解生物醫(yī)用合金受到了許多學者的關注。
以下進行三類可降解生物醫(yī)用合金的比較:
鐵是人體必需的微量元素之一,成人體內約75%的鐵是以絡合物的方式存在,參與氧氣的轉運。鐵離子也是許多酶促反應的輔助物質,直接影響DNA的合成以及氧化還原酶的活性。研究表明,鐵基可降解生物醫(yī)用合金作為植入物時,人體可吸收植入物降解產生的鐵離子進行新陳代謝,并且沒有毒性累積的現(xiàn)象產生,可以給人體提供足夠的安全保障。因此,鐵基合金是一種可供人體選擇的可降解生物醫(yī)用合金。但鐵基合金的降解速度過慢,一般需要2年的時間才能完全降解,只有加快合金的降解速率才能達到臨床醫(yī)學應用的要求。同時,鐵是磁性材料,作為植入物時與核磁共振成像的相容性較差。
鎂也是人體內必需的金屬微量元素,鎂基合金有優(yōu)良的比剛度和比強度,且彈性模量與人骨相近,常用作骨替代材料,可以降低應力遮擋效應。鎂在地球上的資源豐富且價格低廉,在人體內參與蛋白質合成。它還激活體內的多種酶,調節(jié)神經肌肉與中樞神經系統(tǒng)的活動,心肌的正常收縮得以保障。人體可以吸收鎂離子,促進鈣沉積和骨細胞的形成,加速骨愈合速度。在臨床的應用中,鎂的性質過于活潑,在含有Cl-的人體內降解速度太快,會過早的喪失力學性能,在新骨形成前失去機械完整性,無法達到臨床應用的要求,同時可能產生氫氣,導致鼓包現(xiàn)象出現(xiàn)。
鋅是一種必需的微量元素,是人體內的輔助因子,涉及幾百種轉錄因子作用的發(fā)揮。鋅能抑制氫氣析出,還能調節(jié)蛋白磷酸酶和蛋白激酶的活性。鋅作為合金基體,較易被細胞吸收,毒性更小。純鋅的力學性能比較差,可以通過加入合金元素、形變加工和適當?shù)臒崽幚韥硖岣摺Ec鎂相比,鋅的熔點更低,且化學活性不高,在制備的過程中不需加保護氣體,鑄造性能優(yōu)異,生產工藝流程短,能耗小,因此制備工藝簡單。鋅能在眾多生物可降解材料中脫穎而出的優(yōu)勢是,它早已被證實具有抗菌作用,相對于抗生素類藥物,具有抗菌性穩(wěn)定、持久,且不易出現(xiàn)耐藥性等特點。
鋅比鎂更耐腐蝕,比鐵更易腐蝕降解,若鋅合金作為可降解生物醫(yī)用合金,就能簡單有效地避免鎂基合金降解速率過快及鐵基合金降解速率過慢引發(fā)的一系列問題。鋅基可降解生物醫(yī)用合金作為可降解生物醫(yī)用合金的新成員,既有如鎂合金的優(yōu)良生物相容性,又有適合的生物體內服役時間,同時不易受到外界磁場的干擾,被認為是一種具有巨大潛力的生物可降解材料。但國內外針對鋅基可降解生物醫(yī)用合金的研究仍相對較少,蘇州市祥冠合金研究院有限公司先發(fā)制人,開發(fā)研究出了Zn-Cu-Sr三元系合金,填補了鋅基合金作為可降解生物材料在研究上的空白,為鋅基合金作為可降解生物材料用于臨床醫(yī)學的工程添磚加瓦。雖然鋅基可降解生物醫(yī)用合金離臨床應用還任重道遠,但鋅基合金本身優(yōu)良的生物醫(yī)用性能是其作為可降解生物醫(yī)用材料進行臨床應用時最堅實的力量支撐、最可靠的保障。
責任編輯:付宇
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