WE43鎂合金的成骨性能探究及展望

馮哲，喻正文，2，楊嵐，3，韋紀(jì)英，3

1.遵義醫(yī)科大學(xué)，貴州 遵義 560000；

2.貴州省普通高等學(xué)?？谇患膊⊙芯刻厣攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 遵義 563000；

3.遵義醫(yī)科大學(xué)附屬口腔醫(yī)院，貴州 遵義 563000

近年來(lái)，隨著生物材料的不斷進(jìn)步與發(fā)展，鎂合金、鋅基合金、鈦合金等因其各自的良好性能被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)不同領(lǐng)域，不斷有研究表明鎂及其合金是一種在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大潛力的材料，研究鎂合金引導(dǎo)骨再生修復(fù)材料在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用具有十分重要的意義和廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，鎂合金有望成為繼鋼鐵、鋁合金之后第三大結(jié)構(gòu)材料，被譽(yù)為“21世紀(jì)綠色工程結(jié)構(gòu)材料”，其在心血管支架、人體硬組織以及引導(dǎo)骨再生膜修復(fù)材料研究方面具有十分重要的意義和不可估量的醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。由鎂合金制成的可生物降解的支架也在21 世紀(jì)初首次引入后進(jìn)入人類(lèi)的臨床前試驗(yàn)，本文將對(duì)目前在鎂合金中較有發(fā)展前景的WE43 鑄造鎂合金在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的影響、反應(yīng)及WE43 鑄造鎂合金在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，系統(tǒng)講解WE43鑄造鎂合金研究現(xiàn)狀，并對(duì)其亟待解決的科學(xué)問(wèn)題和應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 WE43鑄造鎂合金研究現(xiàn)狀

與已臨床使用的生物材料不銹鋼、鈷鉻合金、鈦及鈦合金、鎳鈦合金、貴金屬等相比，鎂及鎂合金具有密度接近人體骨組織密度和力學(xué)性能[1]、與人骨彈性模量相差較小、良好生物相容性[2]、較好的強(qiáng)度、熱成形性、良好的鑄造能力、隔音能力，良好的電磁干擾屏蔽，優(yōu)異的機(jī)械加工性和可回收性、適宜的腐蝕降解性能以及相對(duì)低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，另外，鎂不僅是地球表面第六大豐富的元素，約占其成分的2.5%，并且作為一種重要的成分，在人體中大量存在，參與著體內(nèi)所有能量代謝，對(duì)神經(jīng)運(yùn)動(dòng)機(jī)能、生理機(jī)能、預(yù)防缺血性心臟病和循環(huán)系統(tǒng)疾病有著重要作用。正常成人每天攝入的鎂約為300～400 mg，尿液中不必要的鎂離子可以無(wú)效且有效地消除。同時(shí)，鎂合金是可生物降解的材料，具有出色的生物性能。生物可降解鎂植入物的歷史始于1808年Sir Humphrey Davy發(fā)現(xiàn)元素鎂之后不久[3-4]，此后，不斷有學(xué)者對(duì)鎂合金在生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展進(jìn)行學(xué)習(xí)及探究。

鎂合金可分為三大類(lèi)[5]：①純鎂和少量其他元素的鎂合金，即鎂合金中除給定的元素鋁和鋅[6-7]外，還含有少量的錳。②含鋁鎂合金—AZ91、AZ31、AE21，AZ31 和AZ91 多年來(lái)一直用于工程應(yīng)用，AE21 合金由鎂、鋁、稀土元素(RE)以及少量錳組成。此外，AE21組合物與商業(yè)抗蠕變合金AE42非常相似。為了開(kāi)發(fā)出更低密度，且與其他鎂合金相比較更具有好的延展性和抗腐蝕性能的鎂合金，LAE442基于合金AE42孕育而生：它含有鋁、錳、RE 和鋰[8]。③無(wú)鋁鎂合金，無(wú)鋁鎂合金分為WE、MZ、WZ 和Mg-Ca 合金。其中，WE43作為經(jīng)改善后具有更好的抗蠕變性和高溫穩(wěn)定性[9]的典型代表，WE43 的主要成分分別是釔(Y)、鋯(Zr)和稀土金屬(RE)，與Mg-Zn 和Mg-Al 合金相比，WE43 合金中含有稀土金屬(RE)，由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，添加到鎂合金中可凈化除雜，具有細(xì)化組織和合金化的綜合作用，在大幅度改善其高溫性能的同時(shí)，提供了良好的機(jī)械性能和改善的耐腐蝕性，從而降低了生物降解率[10-11]。此外，與傳統(tǒng)不銹鋼、鎳鈦合金、鈷鉻合金等對(duì)比，它們植入后作為異物將永久性存留在體內(nèi)，可能會(huì)刺激到周邊肌體組織，導(dǎo)致不同程度的炎癥反應(yīng)、血管內(nèi)膜增生、再狹窄等問(wèn)題，或者需要二次手術(shù)進(jìn)行去除，這在一定程度上增加了患者的痛苦及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，而WE43鎂合金因具有無(wú)毒、可降解且降解周期適宜等特點(diǎn)，作為植入物有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，不斷有學(xué)者對(duì)現(xiàn)有的WE43 鎂合金進(jìn)行材料表面改性，包括使用粉末冶金法制備內(nèi)含網(wǎng)狀MgF2 的WE43[12]、鑄造和熱處理時(shí)添加Zn 元素的WE43[13]，均能提高WE43 的耐腐蝕性；或于WE43 基礎(chǔ)上使用人工老化方法制備的WE43-T5[14]，較WE43降解速度減緩，更利于植入部位及相鄰組織的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；添加了SiC顆粒的WE43合金，在硬度提高的同時(shí)，抗張強(qiáng)度和耐蠕強(qiáng)度也得到了提升[15]。不論是物理、化學(xué)、物理-化學(xué)改性，都優(yōu)化了WE43鎂合金更佳的原性能甚至賦予其更多的新性能，一步步的推進(jìn)著WE43鎂合金作為植入物的發(fā)展和運(yùn)用。

2 WE43鑄造鎂合金在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的影響及反應(yīng)

潘鋒等[16]在SD大鼠股骨內(nèi)分別植入WE43鎂合金棒及Mg-Mn合金棒，術(shù)后不同時(shí)間(9周、18周)處死動(dòng)物，取肝、腎行HE染色后行病理分析、觀察移植物及新骨界面區(qū)，并計(jì)算降解率及分析合金元素分布狀態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種鎂合金均發(fā)生不同程度降解，WE43鎂合金比Mg-Mn合金具有更好的新骨誘導(dǎo)性和耐腐蝕性能，兩種材料降解均未對(duì)大鼠肝、腎造成不良影響。實(shí)驗(yàn)組WE43中的稀土元素可在大鼠股骨體周?chē)纬缮倭看媪?，并?duì)骨生成起促進(jìn)作用，兩種合金中的鎂元素及Mg-Mn合金中的錳元素在大鼠股骨體周?chē)恍纬纱媪?圖1)。從而得出結(jié)論WE43鎂合金相較于Mg-Mn合金降解速率更慢，更適合與新骨重建形成良好平衡關(guān)系，是一種更加精良的可降解性內(nèi)固定材料。

LEVOROVA 等[17]在兔脛骨人工鉆孔缺損處分別植入WE43 鎂合金螺釘及鈦合金，待術(shù)后傷口處皮膚愈合后，以四周的間隔期處死動(dòng)物，對(duì)有植入物的骨組織進(jìn)行CT 掃描和組織學(xué)檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)WE43 鎂合金螺釘周?chē)墓怯腺|(zhì)量與鈦合金螺釘相似，并且無(wú)明顯副作用產(chǎn)生。從而得出結(jié)論WE43鎂合金同鈦合金一樣能滿足骨組織合成材料的要求，且骨組織愈合質(zhì)量良好，具有與骨皮質(zhì)相似的機(jī)械性能、較合適的腐蝕性和生物學(xué)特性。

TORRONI 等[18]在綿羊額鼻區(qū)骨組織的骨膜下分別植入WE43鎂合金和T5鎂合金，后在不同時(shí)間內(nèi)對(duì)植入材料區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)：通過(guò)附屬淋巴結(jié)的LA-ICP來(lái)分析植入材料區(qū)域的免疫反應(yīng)及合金材料積累量、通過(guò)植入?yún)^(qū)域的骨組織、植入物及軟組織的組織學(xué)檢查分析局部反應(yīng)，從而觀察兩種合金的生物相容性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)WE43鎂合金和T5鎂合金與空白組(無(wú)植入物)的淋巴結(jié)鎂積累量無(wú)明顯差異。得出結(jié)論：WE43鎂合金同T5 鎂合金同樣具有出色的生物相容性和促成骨生成的能力，該大動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)為進(jìn)一步研究WE43鎂合金在頜面部骨折的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

圖1 WE43鎂合金和Mg-Mn合金植入物與周?chē)墙M織的橫截面(↑表示新生類(lèi)骨質(zhì)，500 μm)

LUKYANOVA 等[19]在體外和體內(nèi)條件下研究了鎂合金WE43的生物相容性。將WE43于小鼠皮下植入后，生物降解率顯著降低，WE43鎂合金的樣品表明能與周?chē)M織之間在不對(duì)組織產(chǎn)生損傷的情況下形成緊密接觸，且通過(guò)組織形態(tài)學(xué)研究后發(fā)現(xiàn)，WE43鎂合金在植入小鼠皮下后，沒(méi)有產(chǎn)生任何對(duì)心臟、肺、腎、肝和脾等內(nèi)臟器官有害的影響，也未引起任何局部或全身癥狀的化膿性炎癥、水腫或出血(圖2)。

圖2 植入物(WE43鎂合金)于小鼠皮下植入?yún)^(qū)域

WAIZY 等[20]、DIEKMANN 等[21]也分別通過(guò)豚鼠、兔子(圖3)等動(dòng)物實(shí)驗(yàn)將WE43 鎂合金材料植入于動(dòng)物骨組織內(nèi)，在觀察植入部位骨組織形成和植入材料降解的同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)分析血液成分以評(píng)估鎂離子水平，與正常值相比，未發(fā)現(xiàn)WE43鎂合金植入后血清鎂離子濃度明顯升高，且血鎂的調(diào)節(jié)只要發(fā)生在動(dòng)物腎臟中，并通過(guò)尿液排泄，生化檢查顯示，肌酐中鎂離子濃度在正常值范圍內(nèi)，組織病理學(xué)檢查腎臟亦未發(fā)現(xiàn)任何病理表現(xiàn)，表明WE43具有良好的骨結(jié)合能力、骨誘導(dǎo)性、促成骨性，且具有替代成骨作用，皮膚致敏性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明WE43 鎂合金無(wú)致敏性能[22]，可作為可降解植入物的應(yīng)用。

3 WE43 鑄造鎂合金在體外法(細(xì)胞實(shí)驗(yàn))中的影響及反應(yīng)

王心玲等[23]使用直接法：將人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞接種于WE43 鑄造鎂合金表面，培養(yǎng)24 h 后使用免疫熒光染色觀察細(xì)胞形態(tài)；間接法：在100%、50%、10%濃度的AM50、WE43鑄造鎂合金浸提液內(nèi)分別對(duì)人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，且同樣于顯微鏡下使用細(xì)胞免疫熒光觀察細(xì)胞形態(tài)，直接法與間接法均發(fā)現(xiàn)與WE43鎂合金接觸后的人臍靜脈細(xì)胞仍可正常生長(zhǎng)，細(xì)胞形態(tài)無(wú)異常；在12 h、24 h、48 h 分別使用CCK-8 法檢測(cè)于浸提液中培養(yǎng)的細(xì)胞的相對(duì)增殖率(圖4)，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞相對(duì)增殖率≥100%。最終得出結(jié)果表明：WE43 鑄造鎂合金對(duì)人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞增長(zhǎng)及生長(zhǎng)無(wú)毒性作用，具有良好的細(xì)胞相容性及生物安全性。

LIAO 等[24]從成年兔膝蓋的關(guān)節(jié)軟骨中分離軟骨細(xì)胞，待培養(yǎng)10 d后分別接種到WE43、AZ31、JDBM、C-JDBM、純鎂及TC4圓形樣品支架上，在1 d、3 d、5 d使用顯微鏡觀察軟骨細(xì)胞在材料上的黏附形態(tài)，所有樣品表面均有細(xì)胞附著且細(xì)胞形態(tài)無(wú)異常，未見(jiàn)不規(guī)則、拉長(zhǎng)及變形(圖5)，并通過(guò)間接細(xì)胞毒性、細(xì)胞增殖及細(xì)胞凋亡實(shí)驗(yàn)測(cè)試，包括WE43 在內(nèi)的各金屬材料與軟骨細(xì)胞在體外均有良好的生物相容性。

4 WE43鑄造鎂合金在臨床實(shí)驗(yàn)中的影響及反應(yīng)

現(xiàn)WE43已作為心血管支架材料并被投入人體臨床研究[25-27]。國(guó)外的研究中，德國(guó)Biotronik 公司最早采用WE43 鎂合金研制了全降解血管支架，并于WE43 基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一系列的血管支架，包括AMS-1鎂合金裸支架、DREAMS 1G 和DREAMS 2G 鎂合金藥物洗脫支架，研究支架在動(dòng)物體內(nèi)的安全性和有效性，然后植入下肢動(dòng)脈閉塞患者膝下動(dòng)脈，最后用于冠心病患者(采用PROGRESSO-AMS支架)，臨床實(shí)驗(yàn)技術(shù)已達(dá)成熟[28]。有Biotronik WE43支架植入新生兒心血管的單病例報(bào)道，如新生兒主動(dòng)脈[29]、肺動(dòng)脈[30]和主肺動(dòng)脈分支[31]，可見(jiàn)鎂合金支架不僅只應(yīng)用于冠狀動(dòng)脈，其他血管均可使用鎂合金支架作為植入物。鎂合金在降解過(guò)程中產(chǎn)生的帶負(fù)電的電荷具有抗血栓形成的作用，降解產(chǎn)物支架腐蝕和溶解的產(chǎn)物為無(wú)機(jī)鹽，具有良好的生物相容性，能被人體安全代謝掉而不產(chǎn)生有害影響，即在體內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生慢性炎癥，且血管內(nèi)膜增生率低。盡管部分研究結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)治療方法相比，鎂合金支架沒(méi)有顯著的優(yōu)越性，但以上研究充分證實(shí)了鎂合金支架的安全性。

圖3 植入WE43鎂合金螺釘?shù)耐妹劰枪撬枨?/p>

圖4 WE43、AM50浸提液中人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞免疫熒光鏡下形態(tài)(×200)

圖5 第3天掃描電子顯微鏡下軟骨細(xì)胞于各金屬樣品表面的附著形態(tài)(500 μm)

此外，WE43鎂合金可用于替代皮質(zhì)骨、下肢韌帶和肌腱，也可用于替代選定的上肢和軀干韌帶及相關(guān)組織[32-33]，且在對(duì)于較嚴(yán)重的整形外科創(chuàng)傷的修復(fù)中，WE43 鎂合金作為顱面和整形外科植入物，也是較佳的材料選擇[34-35]。此外，在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，可作為牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)、種植材料、修復(fù)材料、矯治材料等等，應(yīng)用前景相當(dāng)廣闊。

5 展望

WE43等生物可降解金屬材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用潛力無(wú)限[36-38]。但是，目前對(duì)于許多合金的毒性水平?jīng)]有明確的數(shù)據(jù)說(shuō)明，曾有報(bào)道：在中國(guó)蒙古地區(qū)常駐民體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)RE元素在肝臟、腎臟及骨骼中沉積未被代謝[39]；Biotronik公司的使用WE43鎂合金制備的鎂合金支架，因過(guò)多的稀土元素的釋放可能會(huì)對(duì)人體臟器產(chǎn)生一定的傷害，所以在人體內(nèi)使用時(shí)，必須對(duì)其成分含量進(jìn)行調(diào)整，降低稀土元素含量以提高生物相容性并降低降解速率。關(guān)于RE元素的毒性水平，F(xiàn)EYERABEND等[40]評(píng)估了RE元素于體外短期內(nèi)的影響：將單獨(dú)的RE 元素按濃度不同分組，作用于不同細(xì)胞系，結(jié)果存在一定差異：當(dāng)RE元素濃度較低時(shí)，RE元素對(duì)細(xì)胞表現(xiàn)出毒性作用。WE43合金中的元素，特別是RE 元素，是否存在納米粒子級(jí)的長(zhǎng)期潛在毒性問(wèn)題，目前尚無(wú)系統(tǒng)性的研究及實(shí)驗(yàn)，且因人體內(nèi)部環(huán)境的復(fù)雜性、系統(tǒng)性，在使用何種材料支架作為植入物時(shí)須慎重，因此仍待學(xué)者、科研人員進(jìn)一步探究，望能不斷完善WE43材料性能，取代一些傳統(tǒng)生物醫(yī)用材料，更好地應(yīng)用于外科手術(shù)、創(chuàng)傷重建等領(lǐng)域。