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医用可降解锌合金引领医用材料发展
2021-12-22 08:10:41   来源:中国有色金属报    点击:

作者:于卿

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医用可降解心脏支架。

 

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人体内医用可降解金属植入物。

 

  随着我国人民生活水平的改善,人们对医疗方面的追求逐步提升。上海大学材料科学与工程学院教授黎军顽,与苏州市祥冠合金研究院有限公司院长马义明、研究员王俊杰合作研究发现,传统医用材料普遍存在治疗周期长、费用高、有排斥反应、二次手术取出内植物使人体二次疼痛且存在潜在手术风险等缺点。生物可降解金属材料具有良好的力学性能、生物相容性和生物降解性,生物可降解金属材料作为医用植入体无需进行二次手术取出,其服役完成后可在人体内降解,且降解产物对人体无不良作用。因此,被誉为革命性的生物医药金属材料有望成为最具潜力的医用材料。

  医用可降解金属材料主要有三类:镁基合金、铁基合金和锌基合金。镁基合金自上世纪90年代以来,已被广泛研究。研究过程中发现镁基合金存在诸多问题,镁基合金作为植入物在体液中降解速率过快且在降解过程中易产生疲劳失效和会减缓愈合的动态析氢。相比镁基合金,铁基合金则有优异的强度和耐蚀性的优势,但铁基合金的降解速率过慢,作为医用可降解材料植入体内会严重阻碍组织自有功能的恢复。研究表明,基体金属的标准电极电位越低,其腐蚀速率越快,而锌合金标准电极电位为-0.763V,处于镁(-2.372V)、铁(-0.447V)之间,因而其降解速率适中。同时,锌是人体中的微量必需元素且含量仅次于铁,成年人体内含有大约2g-3g的锌,它具有不同的生物学功能。锌在6类催化酶以及几类调节蛋白中都是辅因子,锌离子在动脉血压的调节中也起着重要作用。此外,锌与免疫功能是完全同步的,锌的升高和降低都会导致免疫功能的紊乱。更重要的是,锌通过直接激活成骨细胞的氨基酰-tRNA合成酶,促进骨形成和矿化,刺激细胞蛋白质合成,它还通过阻碍骨髓细胞形成破骨细胞样细胞而抑制破骨细胞骨吸收,这些过程都对骨组织的生长和矿化至关重要。锌基合金较镁基合金和铁基合金的优势和锌在人体中不可或缺的生物作用使得锌基合金作为目前最有潜力的生物可降解材料之一,具有更广阔的研究空间及市场前景。

  纯锌在生物体内的研究最早出现在2013年,Bowen等人将纯锌线植入小鼠腹主动脉6个月内,小鼠体内未发现明显的炎症反应、局部坏死症状,植入体部分降解后,原来的位置有自身组织再生现象,纯锌表现出良好的生物相容性。然而锌属于滑移系较少的密排六方结构,这一自身缺点使得纯锌的力学性能较差。因而,实际研究中常通过添加合适的合金元素改善锌的力学性能。2015年,Li等人采用小鼠为动物模型,评价了不同的二元轧态Zn-1Mg、Zn-1Ca和Zn-1Sr合金在体内的生物安全性和降解行为,研究结果表明此三类添加元素的锌合金皆具有适宜的可降解速率和良好的生物相容性,且Zn-1Sr合金的新骨形成能力最高。2016年,Niu等人使用Cu元素对纯锌进行合金化,结果表明Zn-4Cu合金的延伸率和屈服强度、抗拉强度均可达到医用要求。

  由于Cu具有抗菌和抑制平滑肌细胞增生功能、Sr可有效刺激骨吸收和骨形成等优良特性,苏州市祥冠合金研究院有限公司以Zn-Cu-Sr三元合金为研究对象,采用调配元素成分配比及优化加工工艺等方法,着手突破锌合金强度普遍不高、塑性一般、降解速率不可控等限制市场应用的问题,开发并商业化提供可降解Zn-Cu-Sr合金材料。该合金体系可以满足骨植入与内固定等医疗器械产品的生物相容性、力学相容性、生物降解性、易加工性等使用要求,苏州市祥冠合金研究院有限公司由6位博士、8位硕士组成的核心研发团队,以开发出一种心血管支架、骨植入与内固定器械及肠胃吻合器等医疗器械用可降解Zn-Cu-Sr合金作为目标,力求成为行业标杆,使该合金有望根据骨植入与内固定等医疗器械产品使用场景制备成丝材、板材等,填补国内该领域技术的空白,促进金属基生物材料广泛应用,拓宽Zn-Cu-Sr合金等金属材料在生物、医疗等领域的应用,在推动患者避免二次手术取出植入物从而减轻手术痛苦和降低医疗成本及风险的医疗进程上迈出具有里程碑式意义的一大步,促使人们在医疗方面的美好向往早日成为现实。

  总体而言,目前医用可降解锌合金的研究呈现百花齐放、实验与理论齐头并进的态势,医用可降解锌合金将引领医用材料的潮流,势必在医用器械材料领域占据主导地位。而敏锐嗅到行业点滴变化并敢于把握时机,领先组建研发团队并积极装备研发设备,致力于树立民族品牌的企业,必将成为全球一流的医用可降解锌合金领域的领军企业。

 

 

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