鋅基可降解金屬研究進展與展望

鄭玉峰，楊宏韜

（北京大學工學院材料科學與工程系，北京100871）

可降解金屬[1]，是指能夠在體內逐漸被體液腐蝕降解的一類醫(yī)用金屬，它們所釋放的腐蝕產物給機體帶來恰當?shù)乃拗鞣磻攨f(xié)助機體完成組織修復使命之后將全部被人體吸收利用，不殘留任何植入物.

基于腐蝕科學和金屬毒理學等基礎理論，作者提出適于可降解金屬的生物降解性（biodegradability）和生物相容性（biocompatibility）雙判據(jù)[2]，據(jù)此對元素周期表中的所有金屬元素進行了篩選（如圖1），初步確定出適合作為可降解金屬的金屬元素為Ca、K、Na、Mg、Fe、Zn、Rb、Sr、Sn、Ba、Mn、Li、Cs、Mo、Y、Sc、RE和W.這些篩選出元素在人體中存在的總重量在克量級的是Ca、K、Na、Mg、Fe和Zn，但Ca、K和Na比較活潑在空氣環(huán)境下很容易氧化，因此基體元素只有Mg、Fe和Zn三種.其余的金屬元素Rb、Sr、Sn、Ba、Mn、Li、Cs、Mo、Y、Sc、RE和W，建議作為合金化元素使用，且在人體中含量越低，應該越慎用，且降低用量.

圖1利用生物降解性和生物相容性雙判據(jù)對元素周期表中的金屬元素是否能作為可降解金屬進行篩選[2]Fig.1 Element screening for metallic elements in the periodic table by biodegradability and biocompatibility criteria[2]

鎂及鎂合金是已被廣泛研究的代表性可降解金屬，過去十余年有關醫(yī)用鎂合金的基礎研究工作全球范圍內已經發(fā)表超過兩千篇的文章，人們對可降解鎂合金與機體的力學、化學和生物學相互作用機制有了較深入的認識，同時該類材料從實驗室的基礎科學問題研究階段進入到了企業(yè)的創(chuàng)新醫(yī)療器械產品研發(fā)階段.2013年德國Syntellix AG公司的MAGNEZIXR壓縮骨釘獲得CE批準上市，材質為WE43鎂合金.2014年韓國U&I公司的Mg-Zn-Ca合金骨釘產品獲準上市.2016年，德國BIOTRONIK公司的WE43鎂合金藥物洗脫支架Magmaris獲CE批準上市.2014年東莞宜安科技股份有限公司申請的“可降解鎂骨內固定螺釘”產品通過國家食品藥品監(jiān)督管理總局（CFDA）醫(yī)療器械技術審評中心的創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批申請審查.2018年蘇州奧芮濟醫(yī)療科技有限公司的“可降解鎂金屬夾”通過CFDA醫(yī)療器械技術審評中心的創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批申請審查.醫(yī)用鎂合金研發(fā)獲得初步成功的同時，也暴露出“降解速度過快，力學支撐喪失過早，植入物周圍容易形成氫氣氣泡”等不足.與此同時，鋅基可降解金屬被多國學者初步證實是可降解金屬未來發(fā)展的新方向，下文將重點評述鋅基可降解金屬的研究進展.

1 鋅元素能作為可降解金屬的根由

從醫(yī)學角度來看，鋅是人體內最豐富的微量營養(yǎng)元素之一，人體內85%的鋅存在于肌肉和骨骼，11%存在于皮膚和肝臟，剩余的鋅存在于組織各處.人體內血清和尿液中正常鋅含量（24 h）分別是800±200μg/dL和109～130μg/dL[3].對于人體來說，每日的鋅攝入量約為15 mg/d.鋅對于眾多大分子的結構和超過300多種酶促反應起到關鍵的作用.許多蛋白質的亞結構與DNA或者其他蛋白質反應時需依附于鋅指結構提供的支架平臺來進行.鋅離子在體內主要以與蛋白質和核酸的復合物形式存在并參與各種中間代謝，傳遞以及調控基因信息的表達、儲存和合成，同時還起到穩(wěn)定染色質和生物膜結構的作用[4].在骨環(huán)境中，成骨細胞內的鋅通過激活tRNA合成酶和刺激基因表達來促進蛋白質的合成，同時也增加細胞內DNA數(shù)量，從而促進成骨細胞新骨生成和礦化.同時，鋅通過調控鈣離子信號通路，促進破骨細胞的的凋亡.鋅通過促成骨和抑制骨吸收最終使骨質量增加，與其他微量元素相比，鋅在骨的新陳代謝中的毒性最小[5].在心血管環(huán)境中，通過補充鋅能夠保護心肌細胞不受急性氧化還原應激損傷，同時預防心肌損傷引發(fā)的炎癥反應[6].

從材料學的角度來說：純鋅作為可降解金屬，強度低（UTS＜50MPa），塑性差（Elongation＜1%）[7]，且純鋅再結晶溫度低，在室溫會產生蠕變現(xiàn)象，其機械性能較純鎂還差.但鋅的標準電極電位為-0.763 V（v.s.SHE），介于鎂-2.37 V（v.s.SHE）和鐵-0.44 V（v.s.SHE）之間，具有比鎂和鐵更適宜的降解速度.工程用鋅合金常加的合金元素有鋁、銅、鎂、鎘、鉛、鈦等.按制造工藝可分為鑄造鋅合金、變形鋅合金和熱鍍鋅合金.工程用鋅合金體系中，主要的合金化元素Al對人體存在潛在的危害，會引起骨質疏松和精神紊亂等病癥[8]，Pb是對人體危害極大的有毒重金屬.

綜上所述，元素鋅作為可降解金屬，從金屬毒理學來說是可以接受的，只是純鋅和工程用鋅合金不是可以直接拿來生物醫(yī)用的材料，人們需要做的是以鋅為基體，優(yōu)化設計出兼具“綜合力學性能高、降解速度和降解模式與植入部位處組織修復重建的生理過程匹配、生物相容性好”三位一體的新型生物醫(yī)用鋅基可降解金屬.

2 鋅基可降解金屬和鎂基可降解金屬研究思路上的不同

圖2給出鋅基可降解金屬和鎂基可降解金屬研究思路上三個方面的顯著不同.

1）材料與機體之間的化學相互作用機制

鎂和鋅在體液環(huán)境中的陽極反應都是金屬的溶解，但是對于陰極反應，鎂主要是析氫反應，而鋅以氧還原反應為主.這就導致了材料降解時氣體產生情況的不同.鎂及鎂合金在體內外降解時一般會產生氫氣，少量的氫氣可以隨著植入時間延長自行消失，但是過多的氫氣會干擾骨整合與骨重建，甚至引起骨溶解等問題.而鋅及鋅合金在體內外的降解過程中并未觀察到氣體的產生.在可能形成的固體降解產物方面，鎂及鎂合金在降解初期會產生Mg（OH）2（Ksp=8.9×10-12）、MgO（Ksp=2.37×10-8）、MgCO3（Ksp=1×10-15），它們最后原位轉換成大量非晶的鈣磷鹽.而鋅及鋅合金的降解產物包括ZnO（Ksp=2.5×10-17）、ZnCO3（Ksp=2×10-10）、Zn3（PO4）2（Ksp=9×10-33）以及少量的鈣磷鹽組成.主要產物Mg（OH）2與ZnO的溶度積常數(shù)Ksp高了5個數(shù)量級，更重要的是Mg（OH）2在中性體液環(huán)境中不具有熱力學穩(wěn)定性，而ZnO恰恰相反，在pH值介于8～13之間的體液環(huán)境均具有熱力學穩(wěn)定性.因此，鎂及鎂合金的腐蝕產物在體液環(huán)境中鮮有保護性，而鋅及鋅合金則相反.鎂及鎂合金的腐蝕模式以局部腐蝕和點蝕為主，而鋅及鋅合金在腐蝕初期以均勻腐蝕為主，隨時間延長，逐漸轉換為局部腐蝕.

圖2鋅基可降解金屬和鎂基可降解金屬研究思路上的不同F(xiàn)ig.2 Difference in the research work on Zinc-based biodegradable metals and Mg-based biodegradable metals

2）材料與機體之間的力學相交互作用機制

鋅的熔點較鎂低，僅為419.5℃，低熔點的特性賦予了鋅一些獨特的力學行為.①再結晶溫度低：純鋅的再結晶溫度為36℃，當鋅及鋅合金在體溫下（～37℃）服役時受力，有可能直接發(fā)生回復和再結晶，從而導致加工硬化部分或完全喪失，使材料的強度降低；②室溫蠕變：相對于鎂，鋅有更加顯著的室溫蠕變效應.在工業(yè)鋅合金體系如Zn-Cu、Zn-Cu-Ti、Zn-Al-Cu中也觀察到室溫蠕變行為；③自然時效：鋅及鋅合金在室溫存放或服役過程中會產生相變，從而導致材料的力學性能和尺寸發(fā)生改變.

3）材料與機體之間的生物學相互作用機制

在生物學相互作用方面，鎂離子可以刺激骨膜中的感覺神經末梢端釋放更多的降鈣素基因相關肽CGRP，CGRP的增多可以進一步促進骨膜內干細胞的成骨分化.對于鋅而言，成骨細胞內的鋅通過激活tRNA合成酶和刺激基因表達來促進蛋白質的合成，同時也增加細胞內DNA數(shù)量，從而促進成骨細胞新骨生成和礦化.同時，鋅通過調控鈣離子信號通路，促進破骨細胞的凋亡.鋅通過促成骨和抑制骨吸收最終使骨質量增加.因此，鎂和鋅在骨環(huán)境中都扮演著重要的角色，但是它們對于相關細胞的有效濃度卻有很大的差異.對于成骨細胞，純Mg浸提液中的Mg離子濃度高達175μg/mL時也不會對細胞產生毒性作用.相比之下，純Zn浸提液中的Zn離子濃度僅為16μg/ml時，就能對細胞產生顯著的毒性作用.但是當Zn離子濃度低于12μg/mL時卻可以顯著促進細胞的增殖.此外，對于內皮細胞和平滑肌細胞也有類似的現(xiàn)象.MgCl2和ZnCl2溶液對于內皮細胞的EC50值分別為66.7 mM和0.13 mM（10 mM的Mg離子能夠促進平滑肌細胞的增殖、遷移、粘附；40～60 mM的Mg離子的作用相反.而Zn離子對平滑肌細胞的促進濃度為0.08 mM；抑制濃度為0.08～0.12 mM.因此，Zn離子對于不同細胞的安全閾值要比Mg離子低100～500倍.所以如何調控Zn離子的釋放從而保證材料的生物安全性是一個至關重要的科學問題.

3 純鋅作為可降解金屬的研究進展

2013年，密歇根理工大學Drelich教授團隊將純鋅絲植入大鼠腹主動脈壁內，研究發(fā)現(xiàn)純鋅的腐蝕產物主要由致密的氧化鋅和碳酸鋅組成.組織學分析發(fā)現(xiàn)純鋅絲周圍新生內膜厚度較薄，細胞密度較低，材料降解的同時伴隨著組織修復[9-10].在20個月的研究中，雖然腐蝕產物不斷增厚，同時可以觀察到致密的纖維組織包裹，但是純鋅絲降解速度穩(wěn)定（25±10μm/yr），未發(fā)現(xiàn)嚴重的局部毒性[11].2017年，本文作者團隊報導了純鋅血管支架植入日本大耳兔腹主動脈為期1年的體內實驗研究結果[12]，如圖3所示.研究表明：純鋅支架在體內能夠維持至少6個月的力學完整性，12個月時降解41.75%的支架體積.純鋅支架植入早期，在血液環(huán)境中，傳質以對流為主.這個階段支架腐蝕較為均勻，降解速度相對較快，降解產物以磷酸鋅為主.內皮化后，在新生內膜中，傳質以擴散為主.這個階段支架轉變?yōu)榫植扛g，降解速度減慢，腐蝕產物內層為ZnO，外層為鈣磷鹽.植入1個月時，純鋅支架表面即可觀察到內皮化.內皮細胞形態(tài)健康，隨植入時間延長，內皮層逐漸變得完整而致密.平滑肌細胞無過度增生，新生內膜可以正常分泌膠原和彈力纖維.炎癥反應輕微，且隨時間減輕.12個月時，血管支架段管腔通暢，無狹窄發(fā)生.純鋅支架植入期間，無支架內血栓形成.

此外在骨植入物領域，人們通過氣壓滲透法和激光選區(qū)熔化技術也成功地制備出了多孔鋅骨支架[13，14].

圖3純鋅支架隨血管生理修復過程的降解機制示意圖Fig.3 Schematic diagrams showing the evolution of degradation mechanism of zinc stent associated with the conversion of degradation microenvironments during healing process

4 鋅合金作為可降解金屬的研究進展

可降解鋅合金研究剛剛起步，處于最初的“炒菜式”合金化設計階段，情形與十幾年前可降解鎂合金的研究起步階段完全類似.除超過十篇文章是關于在鋅中加入合金化元素Mg外，其他的文章多為將某一個元素加入鋅制成二元合金的零星報導（分別涉及Ca、Sr、Li、Cu、Ag、Mn、Al、Zr、Fe、Ge元素，每種元素有1-3篇文章報導），三元及四元以上的鋅合金體系還缺乏研究.

Zn-Mg合金是目前研究最多的一種鋅合金體系.Mg的加入能夠細化晶粒，且生成的金屬間化合物Mg2Zn11能夠顯著的強化基體.加入1wt.%的鎂具有最優(yōu)的綜合力學性能[15].體外細胞實驗表明，Zn-Mg合金對成纖維細胞和人類成骨細胞具有良好的細胞相容性[16，17].在大鼠腹主動脈中，Zn-0.08Mg合金相比純鋅炎癥反應加重，新生內膜增厚[18].在兔股骨干中，Zn-0.05Mg合金周圍有新骨生成[19].Zn-Ca和Zn-Sr合金的體內研究顯示，Ca和Sr的加入能夠促進植入物周圍新骨的生成[20].Li是目前對鋅基體強化作用最顯著的合金元素.目前報道的Zn-Li合金抗拉強度可達560 MPa[21].Zn-0.1Li合金在大鼠腹主動脈生物相容性良好.12月時的降解速度為0.045 mm/a[22].Cu和Ag在鋅中的固溶度較高，能顯著強化鋅基體，同時具備一定的抗菌效果[23，24].Zn-Mn合金的延伸率相比純鋅顯著提高（71%）[25].

基于微合金化的原則，作者團隊選取合適的成分點，將Mg、Ca、Sr、Fe、Ag、Cu、Li和Mn八種對骨環(huán)境有益的合金元素加入到鋅中，采用相同的熔煉和擠壓工藝，制備出多種配比的二元模型鋅合金，在統(tǒng)一的實驗條件下系統(tǒng)地研究了這些二元模型鋅合金的顯微組織、力學性能、體外腐蝕行為、細胞相容性、血液相容性和骨植入在體表現(xiàn)[26].結果表明：（1）添加Li、Mg、Cu、Ag和Mn能夠顯著提高鋅的強度和硬度.其中，Li和Mg的強化效果最為顯著，但同時也使材料的延伸率顯著降低.Cu、Ag和Mn的強化效果次之，但是不影響鋅的塑性.其中，Zn-0.8Mn和Zn-1Ag的延伸率還得到了顯著的提升.（2）添加合金元素總體上加速了純鋅的腐蝕.其中，F(xiàn)e、Ag和Cu加速腐蝕的作用最為顯著，其次是Li、Sr、Ca和Mg.（3）材料的100%浸提液中，Zn-Mg和Zn-Li系合金組能夠顯著促進MC3T3-E1細胞的增殖，其余材料均有顯著的細胞毒性.稀釋一倍后，所有材料均顯示出良好的細胞相容性.（4）體內實驗顯示，純鋅、Zn-2Ag、Zn-0.5Cu和Zn-0.1Fe合金的腐蝕模式為局部腐蝕，其余鋅合金植入物的腐蝕相對均勻.其中，Zn-2Ag的降解速度顯著加快，其次是Zn-0.5Cu、Zn-0.4Li和Zn-0.1Fe.（5）純鋅和二元鋅合金的體內腐蝕產物主要有三種類型.一種產物主要由C、O和Zn組成，占腐蝕產物的絕大部分.第二種產物由C、O、Zn、P和Ca組成，主要分布在腐蝕產物層的外側靠近新骨部分.第三種產物的成分與新骨的無機成分相似.三種產物的Ca/P比依次升高.此外，植入物周圍新生骨組織的成分也有兩種類型，一種含有較高含量的Zn（5.6-15.7 at.%），Ca/P為1.09.另一種的Zn含量較低（0.4-2.4 at.%），Ca/P比為1.37.（6）體內實驗結果顯示，8周時相比純鋅，除Zn-0.4Fe外，其余二元鋅合金均具有更好的成骨能力，其中Zn-0.8Mg、Zn-0.8Ca和Zn0.1Sr合金的效果最佳.骨整合方面，純鋅植入物周圍骨整合區(qū)域較少，Zn-0.1Sr、Zn-2Ag、Zn-0.8Ca、Zn-0.4Li和Zn-0.8Mg合金植入物周圍有更多的骨整合區(qū)域，其中Zn-0.1Sr和Zn-2Ag合金的骨整合能力最佳.綜上所述，對于可降解鋅合金在骨科植入物中的應用，Zn-Li、Zn-Mg、Zn-Ca和Zn-Sr系合金具有優(yōu)異的綜合性能，未來骨植入物用可降解鋅合金可以基于這些體系進行進一步的研究和優(yōu)化.例如作者團隊所研發(fā)的Zn-Li-Mg合金的力學強度大于600 MPa，已經高于純鈦和316L不銹鋼，如圖4所示[26]，有望用于承力部位的骨修復治療.

圖4骨科植入用可降解和不可降解材料的力學性能對比，及其醫(yī)學應用領域對比[26]Fig.4 Mechanical properties of biodegradable and non-biodegradable materials for orthopedic devices and their clinical applications[26]

5 鋅基復合材料作為可降解金屬的研究進展

作者團隊采用復合的方式，通過控制加入第二相的種類和含量來調控純鋅的腐蝕行為、改善生物相容性并提高力學性能.例如（1）采用放電等離子燒結的方法制備出Zn-Mg復合材料，其壓縮強度相比純Zn顯著提高，但是塑性隨Mg含量增大而降低.Mg的加入能夠形成富Mg相，XRD結果顯示，在Zn-Mg復合材料中出現(xiàn)了MgZn2和Mg2Zn11兩種新相.富Mg相與Zn基體構成腐蝕原電池，加速Zn-Mg復合材料在體內外的降解速度.由于Mg作為陽極優(yōu)先腐蝕，能夠抑制Zn2+的釋放，降低Zn2+的濃度，顯著改善了純Zn的細胞相容性.體內實驗中，Zn-Mg復合材料的骨整合能力相比純Zn得到了顯著改善[27].（2）將羥基磷灰石粉末（HA）加入到純鋅粉末中進行燒結，Zn-HA復合材料在體內外的降解速度加快.相比純鋅，Zn-HA復合材料的細胞相容性得到顯著改善，植入大鼠股骨髁觀察到明顯的促成骨作用[28].

6 結論

現(xiàn)有研究還處于對鋅基可降解金屬的初期探索階段，未來應圍繞鋅基可降解金屬與機體相互作用中最為關鍵的三個科學問題：化學交互作用、生物學交互作用和力學交互作用，設計制備新型鋅基可降解金屬體系，調控其顯微組織與微結構，考察其腐蝕降解行為和離子溶出過程，對其生物相容性與生物安全性做體外和動物體內綜合評價，揭示其在各種組織（骨、血管、腔道）環(huán)境下的力學性能退化規(guī)律，并進一步從細胞和動物水平探明其降解產物與機體間的化學與生物學交互作用機制，研究降解產物在體內的轉運與代謝機制，實現(xiàn)針對具體植入部位的“可控降解”，建立起最佳鋅基可降解金屬成分和加工工藝與其體內降解行為之間的對應關系，使得在機體完成組織修復的過程中鋅基可降解金屬的降解行為在時間、空間、生物功能上與之完美匹配，為發(fā)展醫(yī)用可降解金屬材料及其降解調控方法提供新思路，豐富可降解金屬的相關基礎理論.

對于鋅基可降解金屬在血液環(huán)境中的應用，從基礎科研角度，需要進一步闡釋的問題是鋅基可降解金屬在血液環(huán)中從材料降解為產物再到被細胞和組織代謝吸收的完整過程.這個過程既包括材料與機體之間的化學相互作用即鋅在血液環(huán)境中的腐蝕（血流、氧濃度、pH和細胞等），又包括材料與機體之間的生物學相互作用即降解產物被細胞和組織代謝吸收.從臨床應用的角度，純鋅的力學性能不滿足血管支架的要求，需要進一步通過合金化設計和優(yōu)化的加工工藝來達到以下性能要求：（1）盡可能高的彈性模量，使得支架的急性回彈＜4%；（2）屈服強度（YS）：200～300 MPa，抗拉強度（UTS）＞300 MPa且盡可能的高從而獲得盡量薄的支架壁厚（＜80～100μm）；（3）有較大的加工硬化率使得球囊擴張時可以提升強度；（4）在服役期間足夠的疲勞強度；（5）足夠的塑性來滿足支架加工和球囊擴張變形，通常延伸率＞20%～30%；（6）盡量提高支架材料的組織均勻性以保證支架的降解均勻性，從而避免早期失效.此外，兔腹主動脈模型與人體的心臟系統(tǒng)存在較大的生理差異.所以，未來可以采用性能優(yōu)異的鋅基可降解金屬制備支架植入豬的冠狀動脈，進一步驗證鋅基可降解金屬支架在體內的安全性和有效性.

對于鋅基可降解金屬在骨環(huán)境中的應用，從基礎科研角度，需要進一步闡述的是鋅基可降解金屬在骨環(huán)境中從材料到產物再到被細胞利用用于骨修復的完整過程，這個過程既包括材料與機體之間的化學相互作用即鋅在骨環(huán)境中的腐蝕（應力、氧濃度、pH和細胞等），又包括材料與機體之間的生物學相互作用即降解產物被細胞和組織代謝吸收或者重新利用用于成骨.對于臨床應用，需要研究的問題包括：鋅及鋅合金的彈性模量較高（94～110 GPa），鋅合金骨植入物是否會存在應力遮擋效應和如何進一步降低彈性模量；鋅合金骨植入物在體內的降解速度相對于目前科研界的標準來說偏慢，需要進一步調控降解，適宜的降解速度需要通過進一步的體內和臨床實驗來論證；出于生物安全性考慮，對于鋅基骨植入物的設計需要保證材料的降解產物濃度不超過植入部位的安全濃度范圍；設計加工時應盡量提高材料的組織均勻性以保證植入物的降解均勻性，從而避免早期失效和局部毒性；通過大動物模型驗證鋅合金是否滿足承力部位骨植入物要求；進一步優(yōu)化Zn-Li、Zn-Mg、Zn-Ca和Zn-Sr系合金用于承力部位的可降解骨植入物應用.此外，由于鋅及鋅合金的熔點較低，存在蠕變抗力較低，容易發(fā)生自然時效和再結晶的問題，可能會影響鋅基可降解金屬未來的臨床使用，因此也需要進一步的研究.