生物可降解鋅合金的最新研究進展

夏亞茹，何學斌，呂 萍，馬勝強，崔旭東，高義民

（1.西安交通大學 金屬材料強度國家重點實驗室，陜西西安 710049;2.陜西省四主體一聯(lián)合鋅基新材料校企聯(lián)合研究中心，陜西西安 710049;3.陜西鋅業(yè)有限公司，陜西商洛 726007）

0 引言

在過去的二十年中，生物可降解合金在臨床應用尤其是骨釘、骨板、心血管支架等方面被廣泛研究，以滿足人體這些部位愈合及康復后必須再次取出永久性臨床植入物的臨床要求。鎂（Mg）和鐵（Fe）及其合金作為可吸收醫(yī)學應用的候選材料被廣泛研究。盡管鎂基材料具有出色的生物相容性和低血栓形成性，但在生理環(huán)境中腐蝕速率較快，導致植入物的機械完整性在骨愈合早期就失效。同時，鎂合金較快的腐蝕會產(chǎn)生大量氫氣，釋放在植入物周圍或皮膚組織層而形成氣泡，引發(fā)嚴重的細胞組織炎癥和嚴重損傷。目前，可通過合金化、熱機械加工和表面修飾技術來改善鎂基材料的力學性能和腐蝕過快問題，但鎂基材料仍遠未達到可降解金屬材料植入人體的愈合周期。與鎂基材料相比，鐵基材料具有優(yōu)異的機械性能，但在生理環(huán)境中的降解速率過慢，導致植入物在達到服役目的后不能被降解，通常需要二次手術取出[1]，而且鐵的腐蝕產(chǎn)物在生理環(huán)境中趨于穩(wěn)定，長期滯留在體內，可能引起代謝并發(fā)癥及綜合征[2]。

2013 年，鋅（Zn）被引入作為Mg 和Fe 的替代品，主要是因為Zn 不僅是人體必需的元素，而且在模擬體液生理環(huán)境中的腐蝕速率適中且不會產(chǎn)生氫氣[3]。Zn 的標準電極電位為-0.76V，介于Mg（-2.37V）和Fe（-0.44V）之間[4]，從而為植入材料提供適宜的腐蝕速率。三種合金的機械性能及腐蝕速率比較如圖1 和圖2 所示[5]。純Zn 的力學性能較差，抗壓強度小于20MPa，延伸率僅為0.2%，遠遠達不到臨床的需求[6]。據(jù)報道，理想的生物可降解支架材料及骨釘、骨板等醫(yī)療器械應表現(xiàn)出的拉伸強度和斷裂伸長率分別超過300MPa 和25%[7]。研究人員通常利用合金化手段獲得機械性能優(yōu)異的鋅合金，并進一步進行熱機械加工來提高其綜合性能?；诖?，本文總結回顧了在生物醫(yī)學領域中生物可降解鋅及鋅合金在人體的生物毒性、生物相容性、加工工藝、冶金學以及機械和腐蝕性能方面的最新研究進展，并且介紹了鋅基材料在臨床上的應用，分析了瓶頸及其發(fā)展趨勢。

圖2 三種合金的腐蝕速率比較[5]

1 鋅的毒理學研究

鋅是目前公認的人體最多的必需營養(yǎng)元素之一，它存在于所有器官、組織、體液和身體分泌物中。鋅在人體的生化功能和生命代謝中起著重要的作用，例如，細胞分裂、生長、傷口的愈合和碳水化合物的分解[8]，特別是鋅參與人體生理活動的各種酶反應，因此，鋅缺乏會引發(fā)人體多種健康問題。早在1961 年伊朗就發(fā)現(xiàn)，伊朗農民的飲食缺乏鋅，導致伊朗農民患有一系列綜合征，包括貧血、性腺機能低下和侏儒癥等[3]。但需要注意的是，過量的鋅會造成神經(jīng)毒性和大腦損傷。鋅主要以Zn2+形式存在于人體中，在人的真核細胞中的最佳濃度約為10ng/L，當Zn2+低于0.06ng/L 或高于60ng/L 時會觸發(fā)細胞凋亡和誘導毒性作用[9]。因此，對于可降解鋅合金植入物，其腐蝕引起額外的鋅進入血液，要合理的控制其腐蝕速度和誘導Zn2+排泄，以避免Zn2+的累積而誘發(fā)全身毒性。

一般來說，攝入過量的鋅會由腎臟以尿液、糞便等排泄物的形式代謝排出體外，但值得注意的是，當鋅的攝入量超過正常所需量的10～20 倍時會對機體產(chǎn)生不利影響，超過40～50 倍時會出現(xiàn)急性中毒現(xiàn)象。有報道指出，人體對于鋅的毒性耐受度要遠小于對鎂的毒性耐受度，如要將鋅用于骨科內植入材料治療骨科創(chuàng)傷，則需要避免局部鋅合金內固定物降解導致高濃度Zn2+的聚集，從而減少其對機體產(chǎn)生毒性的影響，并保證其釋放的Zn2+能保持成骨作用[28]。

2 鋅合金的生物相容性

2.1 體內生物相容性研究

目前的體內研究主要使用的是動物，如老鼠和兔子等，也有少量使用豬作為研究對象來代替人模擬實驗。眾所周知，體內植入實驗涉及成本較高、實驗復雜，但是相比于體外生物相容性更具有研究價值。已有的動物研究表明，鋅的植入物在骨骼和血管組織中具有出色的體內生物相容性。Xiao[10]等人對純Zn 和Zn-0.05Mg（wt.%）進行了體內和體外實驗，在植入兔股骨軸長達6 個月后顯示出均勻的降解速率，并且沒有出現(xiàn)炎癥反應，同時在植入物和骨的界面處形成了新的骨組織，這表明，鋅具有明顯的刺激成骨的性能和優(yōu)異的生物相容性。此外，鋅對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有很強的抗菌活性。Li[11]等人研究表明，Zn-1X（wt.%）（X=Mg、Ca、Sr）作為骨針植入到小鼠股骨，經(jīng)過兩個月的誘導成骨，發(fā)現(xiàn)在誘導期間基本保持了骨針的完整性，并且沒有在手術部位及周圍觀察到炎癥，這也進一步表明，鋅具有良好的生物兼容性。而Jin[12]等人在評估體內可降解的血管裝置時發(fā)現(xiàn)，在大鼠腹部動脈植入Zn-xMg（x=0.002wt.%、0.005wt.%和0.08wt.%）線長達11 個月后，鋅合金中的Mg2Zn11顆粒物的體積分數(shù)隨著Mg 含量的增加而增加，促進了巨噬細胞活性，從而降低了生物相容性。顯然，金屬間化合物Mg2Zn11顆粒物的存在不利于鋅合金的生物相容性。此外，Su[13]等人報道了在兔子腹部主動脈植入鋅支架1 個月后，支架表面和血管腔組織之間的降解層較為均勻，并未觀察到其他結締組織，表明鋅支架具有優(yōu)異的生物相容性。

2.2 體外生物相容性研究

一般來說，體外研究對于Zn2+濃度效應方面是一致的，體外細胞反應取決于許多外部因素，如細胞系、血清類型等，這使得鋅及鋅合金的體外細胞毒性實驗的結果受到萃取介質的影響，因此在不同細胞活性的研究中結果可能不一致，應該重新審視用于細胞毒性評估的提取培養(yǎng)基的選擇，以便于更為合理地評估可降解鋅合金的生物相容性[14]。Ma[15]等人研究了Zn2+集中在人冠狀動脈內皮細胞長達24h 的效果，結果表明，Zn2+的濃度低于80μM時促進細胞活性、增殖、黏附和遷移，而暴露于較高Zn2+濃度（80～120μM）表現(xiàn)出相反的細胞行為，不利于血管生成，容易引發(fā)炎癥。

通過體內、體外研究表明，生物鋅合金具有較為理想的生物相容性，避免了永久性植入物的應力屏蔽、組織周圍金屬堆積、二次手術等問題，在骨骼和血管方面具有較大潛力，但植入人體還需展開進一步的生物綜合性能評估的研究工作。

3 生物鋅合金加工技術

將液態(tài)合金澆注到所需零件相適應的鑄型空腔內，使其凝固、冷卻，這種生產(chǎn)零件（毛坯或成品）的過程稱為鑄造[16]。鑄造可以分為砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、壓力鑄造、消失模鑄造、低壓鑄造、差壓鑄造、定向凝固技術及其他鑄造方法（陶瓷型鑄造、離心鑄造、擠壓鑄造和真空吸鑄等）[17]。往往通過鑄造將鋅合金鑄造成特定形狀的醫(yī)療設備，比如骨固定螺釘、骨板或薄壁圓柱管，作為后期進一步機械加工的原材料。

鍛造加工依靠施加外力來使金屬發(fā)生塑性變形成為所需形狀，包括擠壓、拉拔、軋制和鍛造。鍛造工藝可以細化鋅合金的微觀結構，并通過激活塑性變形機制（位錯滑移和堆積）來提高機械性能。鍛造加工可以分為熱加工和冷加工，這具體取決于金屬的再結晶溫度。對于鋅合金，可以通過對圓柱形錠進行擠壓、拉拔的形式進行加工，以形成血管支架等；也可通過平板軋制以形成骨板等。

先進加工技術也在鋅合金的加工上展開應用。粉末冶金是指在等靜壓條件下對金屬粉末進行壓實，通過燒結實現(xiàn)致密化進而形成固體形狀，包括熱壓和冷壓。Hermawan[18]等人是研究粉末冶金技術制造可降解血管支架的先驅。嚴重塑性變形技術（SPD）中的高壓扭轉技術和等通道角壓技術也被用于加工鋅合金。增材制造（3D 打?。┰谏镝t(yī)學領域也開始引起人們的關注，能夠使用計算機輔助設計模型，以逐層順序制造具有精確成分的復雜三維零件。電鑄與電沉積原理相似，可以用來生產(chǎn)具有復雜結構的金屬部件，在電鑄過程中，通過電解將原子層堆疊在導電基板上形成金屬部分，可以制造出具有高精度的幾何形狀，但是對于電鑄制造鋅合金支架仍然需要進一步研究。

4 生物鋅合金的機械性能

4.1 合金化的影響

合金化是鋅合金最有效的強化方式，經(jīng)過研究者們幾十年來的研究，合金化元素包括Mg、Ca、Li、Sr、Mn、Cu、Fe、Ag、Bi 等元素，其中除Cu 之外，其他元素在鋅合金基體中的固溶度都很小。因此，起強化作用的往往是第二相析出強化方式，且析出相的分布、形態(tài)、尺寸和體積分數(shù)會對機械性能和腐蝕行為造成影響。另外，也有研究稀土合金元素的相關報道，在Mg 基合金中應用最廣泛，如La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Tm 和Sc 等[25]，可以細化晶粒、與雜質元素結合以減少缺陷、減少電偶腐蝕、形成致密的氧化膜等提高耐腐蝕性，通過固溶強化、分散強化等來改善機械性能，并且往往具有良好的生物相容性。而生物鋅合金相關的稀土摻雜研究較少，特別是稀土鋅合金的研究，也是未來的發(fā)展方向。

4.1.1 二元生物鋅合金體系

常見的二元合金體系有Zn-Li、Zn-Mg、Zn-Mn、Zn-Cu、Zn-Ag、Zn-Fe 和Zn-Ca。相對于純鋅，當添加的合金元素量很小時，其拉伸強度和伸長率存在著顯著差異。有研究對生物可降解鋅材料進行了合金化設計，分析對比了純鋅和二元鋅合金的機械性能，結果如圖3 所示[19]。其中Li、Mg、Cu、Ag 和Mn 對純鋅表現(xiàn)出較顯著的強化作用，其強度隨著合金元素含量的提高而進一步提高，Li 的強化作用表現(xiàn)最為顯著，例如，添加0.1wt.%Li 使得純鋅的極限抗拉強度從（166.79±6.36）MPa 增加到（431.27±5.89）MPa，而添加0.4wt.%Li的極限抗拉強度最大為（520.36±1.83）MPa。值得注意的是，延展性也會顯著下降，但與純鋅相比，Zn-Cu、Zn-Ag 和Zn-Mn 合金保持了優(yōu)異的延展性。Ga、Fe 和Sr 的合金化含量達到0.8wt.%時幾乎對純鋅的抗拉強度無顯著改善，但添加Ag 會導致抗拉強度降低。

圖3 純鋅和二元鋅合金的機械性能

4.1.2 三元生物鋅合金體系

目前被廣泛研究的三元合金體系有Zn-Cu-Mg/Fe、Zn-Mg-Sr/Ca/Mn，也有Zn-Al-Mg體系。Liu[20]等人研究了Ca 和Sr 對低共晶鋅鎂合金的影響，發(fā)現(xiàn)組織中存在Mg2Zn11、CaZn13、SrZn13相，使得兩種三元合金具有更細的晶粒尺寸和更均勻的微觀結構。Tang[21]等人通過一系列Zn-3Cu-xMg 三元合金研究了Mg 添加到Zn-Cu體系中的影響，觀察到了CuZn5和MgZn11，發(fā)現(xiàn)隨著Mg 濃度的增加合金的晶粒尺寸細化、組織更加均勻。Yue[22]等人研究了Fe 在Zn-3Cu-xFe 三元合金中Zn-Cu 體系中的影響，發(fā)現(xiàn)FeZn13和CuZn5粗大顆粒的存在，導致微觀結構均勻性被破壞，力學性能下降。

4.2 熱機械加工對生物鋅合金的影響

熱機械加工也會改變合金的微觀結構，如經(jīng)過塑性變形后可進一步消除成分偏析和細化組織，從而改變合金的機械性能。對于可降解的醫(yī)療器械，如支架、縫合線、骨釘、骨板等其形狀與機械性能的匹配度有較大的差異，因此，必須確定理想的機械性能范圍，以用于特定的醫(yī)療應用。不同的合成路線和加工參數(shù)會顯著影響晶粒尺寸、形狀和織構特性，特別是生物鋅合金基體內析出二次相的性質、含量、形狀和分布。此外，隨著植入時間的進行，可降解金屬材料會發(fā)生腐蝕，機械性能下降。因此我們要對機械性能進行動態(tài)評估，包括在應力腐蝕、腐蝕疲勞以及愈合過程中。但對于可降解鋅合金，這些信息較為缺乏，對于在特定種植體應用獲得市場批準之前提供一套完整的設計要求至關重要。

5 腐蝕行為和生物降解性

可降解鋅合金以及其他應用于生物醫(yī)學上的材料的腐蝕狀況評估，通常是在體外完成的，然后再進行復雜的體內植入評估。目前針對鋅合金的體外評估采用的生理電解質環(huán)境主要為模擬體液和磷酸緩沖液等。Liu[23]等人證明了純Zn 的腐蝕首先是從晶界處開始的，這主要是由于晶界內能、缺陷和雜質導致的，Zn 的腐蝕機理[20]如下：

而對于鋅合金，更多的是發(fā)生在析出第二相與基體界面處的電偶腐蝕，腐蝕狀況往往取決于合金元素種類（如生成的氧化物膜不同）和第二相的形貌尺寸（如第二相細化和均勻分布可有效降低電偶腐蝕傾向）[24]。Zhao[26]等人制備了Zn-Li 系合金，在模擬體液環(huán)境下進行體外測試，發(fā)現(xiàn)當Li含量增加時（2at.%～8at.%）其腐蝕速率基本接近血管支架對腐蝕速率的要求，值得注意的是，到目前為止，沒有研究發(fā)現(xiàn)完全滿足腐蝕速率的可降解鋅合金。針對體內研究，通過動物模型可以獲得更具有代表性的方案來研究人體中可降解植入物的腐蝕反應。Guo[27]等人對用于胃腸道吻合手術的可降解Zn-Li-Mn 合金訂書針進行了體外和體內研究，在浸泡到Hank's 模擬體液中的體外研究中，合金短纖保持了完整性沒有斷裂，在植入到豬腸道的體內實驗中，合金短纖可保持8 周的機械強度，足以治療傷口愈合，之后因為位于胃腸交界處，受到組織牽引和胃酸腐蝕，訂書針才發(fā)生明顯的退化，因此總降解周期可縮短至1 年左右。

6 應用及其發(fā)展趨勢

生物鋅合金目前還未實現(xiàn)在人體中的廣泛應用，但被認為具有廣泛醫(yī)療應用的潛力，如在藥物輸送、癌癥治療、骨科再生和心血管治療等領域。

盡管大量的體內、體外研究表明鋅合金極有希望作為骨骼和血管等植入物，如Zn-Mg、Zn-Sr等，但完全滿足植入人體的條件之前，仍然存在一些挑戰(zhàn)和問題需要解決。首先，絕大多數(shù)研究都集中在傳統(tǒng)的加工技術上，如擠出和軋制，而其他先進的加工技術如AM（增材制造）尚未被充分探究，因此，繼續(xù)研究對非傳統(tǒng)工藝滿足可降解金屬植入物的條件是其中一個發(fā)展趨勢。其次，如何保持鋅合金植入物在降解過程中的機械性能穩(wěn)定性問題，相關文獻研究較少，是未來生物鋅合金的發(fā)展方向之一。第三，缺乏對鋅合金生物降解性和生物相容性一致性和可重復的標準方案，因此，建立生物鋅合金的統(tǒng)一評價標準及生物評價測試方法是非常有必要的。