生物可降解鋅基合金的研究進(jìn)展

李立衡，彭明軍，段永華，起華榮，李萌蘗，鄭善舉

昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明 650093

生物可降解材料，通常是指應(yīng)用于診斷與修復(fù)組織或器官等疾病治療領(lǐng)域，對(duì)組織、器官及血液無(wú)副作用的一類功能材料。按照材料在生理環(huán)境中的生物化學(xué)反應(yīng)水平分為惰性生物材料、活性生物材料、可降解生物材料。惰性生物材料具有良好的力學(xué)性能，但其植入體與周?chē)M織只是簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)合，無(wú)法形成出色的鍵合效果，長(zhǎng)時(shí)間后植入體容易造成血栓致使植入手術(shù)失敗。

活性生物材料是一類能在材料表面引發(fā)特定生物反應(yīng)的材料，可以使組織可以與材料發(fā)生化學(xué)鍵合。然而，這些材料在長(zhǎng)期使用過(guò)程中存在明顯的機(jī)械強(qiáng)度下降的問(wèn)題。隨著醫(yī)學(xué)組織工程學(xué)與材料科學(xué)的迅速發(fā)展，近年來(lái)，生物可降解材料因其具備的“可降解”能力而備受重視。

1 生物可降解金屬材料的性能需求

鎂元素是人體所需的重要微量元素，對(duì)于其在生物系統(tǒng)中的作用，學(xué)界已進(jìn)行了廣泛研究。虞佳雯[1]在Mg 中加入了Zn、Ca、Mn 元素，通過(guò)8 道次的ECAP 變形后，通過(guò)在SBF 溶液中浸泡腐蝕后，發(fā)現(xiàn)合金表面腐蝕類型為點(diǎn)蝕，鎂合金的腐蝕類型取決于其微觀結(jié)構(gòu)，鎂合金的第二相會(huì)加速微電偶腐蝕，導(dǎo)致其耐蝕性較低。

羅鵬[2]通過(guò)制備Fe-30Mn-0.6N 合金，并將其植入動(dòng)物體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)其可促進(jìn)成骨細(xì)胞ALP 和BMP-2的表達(dá)，同時(shí)體內(nèi)生物的相容性較好。但鐵基可降解合金的緩慢降解在許多臨床應(yīng)用中都受到了嚴(yán)格限制，鐵基可降解支架的腐蝕速率不符合人體組織的生長(zhǎng)周期，且產(chǎn)物有害，長(zhǎng)期滯留體內(nèi)容易造成組織分離。

鋅基合金也需要從多個(gè)方向和角度對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，完善其性能研究的標(biāo)準(zhǔn)以推進(jìn)其性能進(jìn)步，在傳統(tǒng)鋅基合金機(jī)械性能研究的基礎(chǔ)上，需要更著力于其可吸收性、生物相容性、微結(jié)構(gòu)、腐蝕效率等方面的實(shí)驗(yàn)研究。

2 生物可降解鋅基合金的優(yōu)勢(shì)

2.1 生物可降解鋅基合金的生理學(xué)優(yōu)勢(shì)

首先，Zn 作為人體必備的微量元素之一，幾乎參與了人體所有的新陳代謝過(guò)程，作為多種酶的組成元素，Zn 對(duì)人的生長(zhǎng)發(fā)育[3]、神經(jīng)系統(tǒng)[4]、代謝系統(tǒng)[5]，甚至DNA 調(diào)節(jié)都有巨大的作用。Zn 是調(diào)節(jié)DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)譯過(guò)程和轉(zhuǎn)錄DNA 聚合酶的必要組成部分。Zn 強(qiáng)大的生物相容性及其對(duì)人體生理活動(dòng)的重要參與是我們選擇其作為生物可降解材料的重要原因。

2.2 生物可降解鋅基合金的機(jī)械性能優(yōu)勢(shì)

鋅基合金的力學(xué)性能在鋅合金的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后可以明顯滿足機(jī)械性能的需求，而且在防腐蝕方面會(huì)有更出色的表現(xiàn)。純Zn 本身的力學(xué)強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到可降解生物醫(yī)用合金材料的要求，因此純Zn很難直接作為可降解生物醫(yī)用材料，而合金化則可以明顯完善其缺點(diǎn)。

2.3 生物可降解鋅基合金的耐腐蝕性能優(yōu)勢(shì)

鋅基合金可以滿足生物可降解材料耐腐蝕性能的設(shè)計(jì)要求。Zn 的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-0.76 V，介于Mg（-2.37 V）和Fe（-0.44 V）之間，可以為植入材料提供適宜的腐蝕速率。鋅基合金的降解速率符合生理組織的修復(fù)速率，鋅基合金的腐蝕速率介于鎂合金和鐵合金之間，這也是鋅基合金可以充當(dāng)生物可降解材料的優(yōu)勢(shì)之一。參考鎂合金和鐵合金的腐蝕模型對(duì)鋅基合金的腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究，鎂合金的生理環(huán)境腐蝕原理模型由鄭玉峰[6]提出，同理Zn 的腐蝕機(jī)理與Mg 的腐蝕機(jī)理存在異曲同工之妙，通過(guò)總結(jié)多個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，Zn 在生理環(huán)境中的腐蝕機(jī)理大致如圖1 所示。

圖1 腐蝕機(jī)理圖

3 生物可降解鋅基合金的降解行為研究

分析WE43 和Zn-1Mg 微觀結(jié)構(gòu)的差異，研究熱擠壓工藝對(duì)Zn-1Mg 合金生物降解行為和力學(xué)性能的影響。擠壓分析后晶粒度顯著減小，浸泡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，擠壓后WE43 和Zn-1Mg 的腐蝕速率分別降低了35%和57%。熱擠壓后Zn-1Mg 的典型晶粒細(xì)化效應(yīng)表現(xiàn)為大的樹(shù)枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)樾〉慕容S晶粒，寬的共晶混合物轉(zhuǎn)變?yōu)榱搜鼐Ы缙龅男〗饘匍g化合物沉淀如圖2 所示。更重要的是，熱擠壓會(huì)使擠壓WE43 和Zn-1Mg 合金的生物降解性能更加均勻。

圖2 鑄態(tài)（a，b）和擠壓態(tài)（c，d）Zn-1Mg 的晶粒結(jié)構(gòu)

利用AFLOW 和ICSD 數(shù)據(jù)庫(kù)收集Mg-Zn 合金的中間相數(shù)據(jù)，利用第一性原理生成在水溶液環(huán)境中、富含Cl-環(huán)境中、298 K 環(huán)境和不同pH 條件下Mg-Zn 的布拜圖（如圖3 所示）。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于富鋅合金，Mg2Zn11會(huì)先腐蝕。在富含鋅的合金中，Mg（OH）2會(huì)優(yōu)選在堿性條件下沉淀，從而阻礙pH 的增加并防止溶解的ZnO22+離子的釋放。在含Cl-的溶液中，可溶性ZnCl2可以通過(guò)降低腐蝕電位來(lái)減輕Zn 基體的腐蝕。并可以提供對(duì)各種Mg-Zn 合金降解行為的深入理解。

圖3 Mg∶Zn=1∶10 體系在298 k 在一定pH 條件下的腐蝕產(chǎn)物的概率分布

生物可降解鋅基材料的降解行為需要在了解其機(jī)械性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，通過(guò)平衡其腐蝕機(jī)理和機(jī)械性能來(lái)篩選出合格的生物可降解材料，出色的降解機(jī)制也需要材料的機(jī)械強(qiáng)度作為支撐，以保證其在修復(fù)階段可以得到有效支撐。目前生物可降解鋅基合金的降解機(jī)制也在逐步發(fā)掘但仍需要繼續(xù)研究多元合金的腐蝕降解機(jī)制。

4 結(jié)論

對(duì)于生物可降解鋅基合金的體外探索還停留在對(duì)某個(gè)領(lǐng)域或單一性能的測(cè)試上，需要做更多實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)可降解鋅基合金目前主要應(yīng)用于血管支架、骨骼植入物等領(lǐng)域，更需要在血液、皮下環(huán)境下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，揭示鋅基合金在各種組織下性能的退化，進(jìn)一步驗(yàn)證降解產(chǎn)物在環(huán)境下發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)和生物性變化，進(jìn)一步達(dá)到可降解的目的。