醫(yī)用金屬的生物功能化
——醫(yī)用金屬材料發(fā)展的新思路

任 玲 楊 柯

人們知道，人體中存在有多種不同種類的金屬元素，如：宏量金屬元素K、Na、Ca、Mg，微量金屬元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、Cr、Sn、V、Ni等，它們?cè)谌梭w中都會(huì)發(fā)揮不同的生物功能。如果人體中缺失哪種金屬元素，可能就會(huì)引發(fā)某種疾病；如果在人體中適量補(bǔ)充某種金屬元素，可能會(huì)有助于治愈一些疾病。事實(shí)上，醫(yī)用金屬材料在人體環(huán)境中(無(wú)論是體液，還是血液)都會(huì)發(fā)生不同程度的腐蝕現(xiàn)象，從不銹鋼、鈦及鈦合金、鈷基合金等金屬材料的極緩慢腐蝕，到目前熱點(diǎn)研究的鎂基金屬的快速腐蝕直至完全降解吸收。因此就可以利用醫(yī)用金屬材料在人體環(huán)境中不可避免發(fā)生腐蝕的特性，通過(guò)特定的合金化設(shè)計(jì)和制備，在現(xiàn)有醫(yī)用金屬材料中添加某種具有生物醫(yī)學(xué)功能的特定金屬元素，利用金屬在體內(nèi)發(fā)生腐蝕而造成的這種特定金屬元素的持續(xù)釋放現(xiàn)象，在滿足生物安全性的前提下，在實(shí)現(xiàn)植入金屬力學(xué)支撐作用的同時(shí)，額外發(fā)揮這一特定金屬元素的生物醫(yī)學(xué)功能，進(jìn)而賦予醫(yī)用金屬材料特定的結(jié)構(gòu)/生物醫(yī)學(xué)功能一體化特性。這是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的創(chuàng)新設(shè)想，具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值，國(guó)際上還未見(jiàn)有人提出相同的思想及相關(guān)的研究報(bào)道！實(shí)現(xiàn)醫(yī)用金屬材料的結(jié)構(gòu)/生物醫(yī)學(xué)功能一體化的關(guān)鍵在于針對(duì)臨床應(yīng)用目標(biāo)的材料設(shè)計(jì)、制備及性能調(diào)控，其應(yīng)在保持現(xiàn)有同類醫(yī)用金屬材料各項(xiàng)性能水平的基礎(chǔ)上，通過(guò)特定金屬元素的持續(xù)溶出，而達(dá)到兼有力學(xué)承載能力和生物醫(yī)學(xué)功能的雙重目的。

在眾多金屬元素中，銅的生物學(xué)作用逐漸得到人們的認(rèn)可。銅離子是人體中必需的微量金屬元素，它的殺菌作用很早就被廣泛認(rèn)可。銅離子對(duì)心血管系統(tǒng)具有重要的作用，不僅可以抑制血栓的形成，還能抑制動(dòng)脈平滑肌的過(guò)度增殖、變性等病變，并且能夠促進(jìn)血管內(nèi)皮再生。近期有醫(yī)學(xué)研究表明，無(wú)論是在體外還是在動(dòng)物體內(nèi)，Cu2SO4溶液中的銅離子均能明顯地促進(jìn)骨膠原的沉積。由于骨膠原能促進(jìn)鈣、磷等無(wú)機(jī)物質(zhì)在骨上的沉積，因而能起到修復(fù)骨組織、促進(jìn)骨再生、改善骨質(zhì)疏松癥狀等有益作用。此外，還有醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，微量銅離子可促進(jìn)人體組織中的血管化過(guò)程，這對(duì)人體組織的修復(fù)過(guò)程具有至關(guān)重要的作用。

含銅不銹鋼研究開(kāi)發(fā)楊柯領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)研究開(kāi)發(fā)出的系列含銅抗菌不銹鋼為上述嘗試奠定了材料基礎(chǔ)。所謂含銅不銹鋼，是指在現(xiàn)有醫(yī)用不銹鋼(304、316L、317L等)的成分基礎(chǔ)上，通過(guò)加入適度過(guò)飽和量的銅元素，經(jīng)過(guò)固溶+時(shí)效的熱處理，使其基體中均勻彌散地分布有納米尺度富銅析出相的新型不銹鋼。這種含有富銅相的含銅不銹鋼在人體環(huán)境中由于不可避免地會(huì)發(fā)生一定的腐蝕，因而可以微量和持續(xù)地向周圍組織中釋放出銅離子，從而發(fā)揮出銅離子的諸多有益的生物醫(yī)學(xué)功能。因此，含銅不銹鋼巧妙地將不銹鋼優(yōu)異的力學(xué)性能、耐蝕能力與銅離子的生物醫(yī)學(xué)功能相結(jié)合。根據(jù)醫(yī)用金屬材料生物功能化這一全新的概念，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了含銅不銹鋼(316L-Cu和317L-Cu)抑制細(xì)菌感染、降低支架內(nèi)再狹窄、促進(jìn)成骨等生物醫(yī)學(xué)功能的研究探索工作。

圖1分別為利用掃描電鏡對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在骨科植入常用的317L不銹鋼和317L-Cu含銅不銹鋼表面上的細(xì)菌生物膜形成過(guò)程的觀察結(jié)果。圖中大腸桿菌呈桿狀，金黃色葡萄球菌呈球狀。從圖2中可以看到，317L不銹鋼的表面上粘附有大量的細(xì)菌，并且隨著與細(xì)菌共培養(yǎng)時(shí)間的增加，細(xì)菌數(shù)量越來(lái)越多，形成的細(xì)菌生物膜面積和厚度越來(lái)越大。當(dāng)時(shí)間達(dá)到24 h時(shí)，可以看到317L不銹鋼表面上形成的細(xì)菌生物膜已經(jīng)呈現(xiàn)多層立體結(jié)構(gòu)。然而，317L-Cu不銹鋼表面上的細(xì)菌數(shù)量非常稀少，其隨意和零星地分布在不銹鋼表面上，而且即使增加與細(xì)菌的共培養(yǎng)時(shí)間，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)形成細(xì)菌生物膜。由此可見(jiàn)，由于含銅不銹鋼具有的強(qiáng)烈和廣譜殺菌功能，因此能夠有效抑制在其表面上形成細(xì)菌生物膜。

圖1 317L不銹鋼和317L-Cu不銹鋼分別與大腸桿菌(E.coli)和金黃色普通球菌(S. aureus)共培養(yǎng)6 h、12 h、24 h后，表面形成細(xì)菌生物膜的SEM形貌觀察

外科植入物引發(fā)的細(xì)菌感染是目前亟待解決的重要臨床問(wèn)題，而抗生素的過(guò)量使用已經(jīng)帶來(lái)了諸多隱患(如使細(xì)菌產(chǎn)生抗藥性、形成超級(jí)細(xì)菌等)，因此能夠從植入物材料入手來(lái)降低或抑制細(xì)菌感染的發(fā)生將具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。臨床醫(yī)學(xué)研究表明，在植入物表面形成細(xì)菌生物膜是引發(fā)細(xì)菌感染的主要原因。由以上研究結(jié)果可知，由含銅不銹鋼制作的外科植入物產(chǎn)品應(yīng)具有抑制細(xì)菌感染的生物醫(yī)學(xué)功能，具有廣泛的臨床應(yīng)用前景。在體外實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，將含銅不銹鋼制作成骨、齒固定螺釘，蘸上菌液后植入動(dòng)物體內(nèi)骨組織中進(jìn)行驗(yàn)證。動(dòng)物植入實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，與普通不銹鋼螺釘相比，含銅不銹鋼螺釘周圍組織中的細(xì)菌濃度明顯下降，無(wú)細(xì)菌感染現(xiàn)象發(fā)生。在此創(chuàng)新思想指導(dǎo)下，還相繼開(kāi)發(fā)出含銅抗菌鈦合金、含銅抗菌鈷基合金等醫(yī)用金屬新材料。含銅抗菌金屬的醫(yī)學(xué)應(yīng)用屬于國(guó)際首創(chuàng)，在申報(bào)了數(shù)項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，研究結(jié)果已發(fā)表在《Journal of Materials Science: Materials in Medicine》、《Materials Science and Engineering C》、《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》等多個(gè)國(guó)際相關(guān)學(xué)術(shù)刊物上。目前，研究團(tuán)隊(duì)正在與國(guó)內(nèi)相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)合作開(kāi)發(fā)具有抗感染功能的不銹鋼骨科、齒科植入物新產(chǎn)品。

心血管支架植入是目前治療冠脈狹窄的一種有效方法，已經(jīng)得到廣泛的臨床應(yīng)用。然而支架植入后引發(fā)的冠脈再狹窄現(xiàn)象(稱為支架內(nèi)再狹窄，in-stent restenosis-ISR)仍然是目前臨床上亟待解決的重要問(wèn)題。雖然近年來(lái)臨床應(yīng)用的帶藥支架能夠部分地降低ISR的發(fā)生率，但其造成的遠(yuǎn)期再狹窄又引發(fā)了一個(gè)新的臨床問(wèn)題。臨床研究表明，支架植入后引發(fā)的急性血栓以及血管平滑肌的過(guò)度增生是ISR發(fā)生的2個(gè)主要原因，而加快血管內(nèi)皮化會(huì)降低急性血栓的發(fā)生。已有醫(yī)學(xué)研究報(bào)道，微量銅離子既可降低凝血傾向，有利于抑制血栓形成，又能抑制血管平滑肌細(xì)胞(VSMC)的增殖，但促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞(VEC)的增殖，從而有利于血管的內(nèi)皮化過(guò)程。銅元素的這些影響都會(huì)有助于降低ISR的發(fā)生率。

316L不銹鋼已廣泛用于制造心血管支架，如果在316L不銹鋼中添加適量銅，而使其在血液環(huán)境中微量和持續(xù)地釋放銅離子，從而發(fā)揮銅離子對(duì)心血管系統(tǒng)的上述諸多有益作用，就可能從心血管支架用材料方面達(dá)到有效降低ISR發(fā)生率的目的，這是醫(yī)用金屬材料生物功能化的又一項(xiàng)有意義的嘗試。研究團(tuán)隊(duì)完成的大量和不同內(nèi)容(細(xì)胞粘附、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞遷移等)的體外研究結(jié)果都給予了有利的驗(yàn)證，例如：與316L不銹鋼相比，VSMC在316L-Cu含銅不銹鋼表面上的粘附量明顯降低，見(jiàn)圖2(a)，在316L-Cu不銹鋼浸提液中的凋亡率增大、遷移能力明顯下降，表明含銅不銹鋼中的微量銅離子釋放具有抑制血管平滑肌的過(guò)度增生的生物功能。而與此同時(shí)，316L-Cu不銹鋼卻有助于VEC的增殖，見(jiàn)圖2(b)，提高細(xì)胞的遷移能力，從而會(huì)加快血管的內(nèi)皮化過(guò)程。血小板粘附、動(dòng)態(tài)凝血等實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，316L-Cu不銹鋼具有更優(yōu)異的抗凝血性能，從而會(huì)有利于降低血栓形成傾向。以上體外實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，316L-Cu不銹鋼應(yīng)自身具有降低ISR發(fā)生率的生物醫(yī)學(xué)功能，有望成為心血管支架用新一代不銹鋼植入材料。目前研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)加工出316L-Cu不銹鋼心血管支架，與臨床醫(yī)院合作，正在進(jìn)行相關(guān)的動(dòng)物植入實(shí)驗(yàn)研究。相關(guān)研究成果已經(jīng)申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利，并發(fā)表在《Journal of Materials Science: Materials in Medicine》上。

(a)VSMC在不銹鋼表面上的形貌

(b)VEC形貌在不銹鋼表面上的形貌 圖2 VSMC(a)和VEC(b)分別與不同不銹鋼共培養(yǎng)24 h、72 h后，在不銹鋼表面上的粘附照片

骨科植入材料通常希望具有良好的與骨組織結(jié)合能力，從而實(shí)現(xiàn)與骨組織更加牢固的結(jié)合。由于現(xiàn)有金屬植入材料一般表現(xiàn)為生物惰性，因此往往是通過(guò)表面改性來(lái)提高其骨結(jié)合能力。但由于表面改性涂層材料通常是陶瓷、高分子等非金屬材料，涂層與金屬基體的結(jié)合力往往較差，涂層在使用過(guò)程中極易脫落，很難達(dá)到預(yù)期效果。如果能夠賦予金屬植入材料表面一定的生物活性，將會(huì)具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。近期有醫(yī)學(xué)研究證實(shí)，微量的Cu離子能有效地促進(jìn)骨膠原沉積，并具有促進(jìn)骨組織中的血管再生功能，因而會(huì)有助于成骨過(guò)程。因此，以醫(yī)用金屬材料的生物功能化為指導(dǎo)思想，對(duì)含銅不銹鋼對(duì)成骨過(guò)程的影響進(jìn)行了探索性研究，取得了創(chuàng)新性的研究進(jìn)展。

將小鼠成骨細(xì)胞MC3T3 E1分別與317L不銹鋼、317L-Cu含銅不銹鋼共培養(yǎng)3 d、7 d后發(fā)現(xiàn)，在317L-Cu不銹鋼表面上的骨細(xì)胞伸長(zhǎng)明顯增大，細(xì)胞的平均面積也明顯增大，且代表骨細(xì)胞增殖能力的堿性磷酸酶(ALP)的表達(dá)明顯增高，說(shuō)明骨細(xì)胞更適于在含銅不銹鋼表面上粘附和生長(zhǎng)，反映出含銅不銹鋼表面微量釋放銅離子的有益生物功能。此外，從Real time-PCR實(shí)驗(yàn)結(jié)果也看出，多種代表成骨的基因表達(dá)顯著上調(diào)，進(jìn)一步證明含銅不銹鋼應(yīng)具有促進(jìn)成骨作用。隨后的動(dòng)物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，植入動(dòng)物骨內(nèi)15天后，與317L不銹鋼相比，317L-Cu不銹鋼可明顯提高其周圍組織的骨密度和骨量，植入物從骨內(nèi)的推出力明顯增大，表明與骨組織的結(jié)合力增高。由此可見(jiàn)，含銅不銹鋼會(huì)明顯促進(jìn)早期成骨過(guò)程，表現(xiàn)出一定的表面生物活性，這在現(xiàn)有臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料中是從未發(fā)現(xiàn)過(guò)的。有關(guān)上述研究結(jié)果已經(jīng)整理成文章，可望能夠盡快刊出發(fā)表。

生物可降解鎂基金屬醫(yī)用金屬材料的生物功能化設(shè)想的另一有意義的嘗試就是生物可降解鎂基金屬。生物可降解鎂基金屬(包括純鎂和鎂合金)是極具挑戰(zhàn)性和革命意義的新型醫(yī)用金屬材料，是近年來(lái)醫(yī)用金屬材料的研究熱點(diǎn)，在骨科、心血管支架領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用前景。利用鎂基金屬在生理環(huán)境降解過(guò)程中原位產(chǎn)生的高堿性和高的鎂離子濃度，以及得到證實(shí)的促進(jìn)成骨作用，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了鎂基金屬植入產(chǎn)生的多種生物醫(yī)學(xué)功能，具有獨(dú)特的創(chuàng)新性和臨床應(yīng)用價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)：(1)將鎂基金屬植入到骨質(zhì)疏松模型的動(dòng)物體內(nèi)后，由于在降解過(guò)程中鎂離子的原位釋放，可明顯恢復(fù)甚至提高骨質(zhì)疏松動(dòng)物骨組織的骨密度，升高其體內(nèi)的骨形成蛋白(BMP-2)的表達(dá)(見(jiàn)圖3)，因此具有較好的防治局部骨質(zhì)疏松癥的生物功能。(2)鎂基金屬在降解過(guò)程中產(chǎn)生的局部高堿性，具有強(qiáng)烈的抗菌功能(見(jiàn)圖4)。將鎂植入到骨髓炎模型的動(dòng)物體內(nèi)后，可明顯抑制細(xì)菌的繁殖，具有治療骨髓炎的潛在應(yīng)用前景。(3)鎂基金屬在降解過(guò)程中產(chǎn)生的局部高堿性，對(duì)多種惡性腫瘤細(xì)胞具有較強(qiáng)的殺滅作用，可望防止腫瘤切除后的原位復(fù)發(fā)，進(jìn)而在骨腫瘤切除后的骨填充修復(fù)中得到臨床應(yīng)用。相關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在《Journal of Biomedical Materials Research: Part A》、《Materials Letters》、《Materials Science and Engineering C》、《Journal of Materials Science: Materials in Medicine》、《Journal of Materials Science and Technology》等期刊上。

圖3 不同實(shí)驗(yàn)組的BMP-2表達(dá)，Mg+Os=在骨質(zhì)疏松模型大鼠中植入鎂合金4周，Control=正常大鼠對(duì)照，Os=骨質(zhì)疏松模型大鼠

圖4 317L不銹鋼和純鎂分別與大腸桿菌、金黃色葡萄球菌共培養(yǎng)后的殺菌效果照片

利用對(duì)人體有益金屬元素的適量持續(xù)釋放而實(shí)現(xiàn)醫(yī)用金屬材料的生物功能化是一項(xiàng)有創(chuàng)新意義、臨床應(yīng)用價(jià)值和挑戰(zhàn)性的研究方向，其最終目標(biāo)是使廣大患者從中受益，并有助于提高我國(guó)相關(guān)醫(yī)療器械產(chǎn)品的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。