新型可降解生物醫(yī)用金屬材料——鋅Zn

金屬材料在人體修復中的應用可以追溯至公元一世紀前后。人們在法國Gallo–Roman 的墓地中發(fā)了一例將鐵作為牙齒的植入人體的化石，該化石的主人約為公元一世紀至二世紀之間的人，X 光照顯示植入體與頜骨完好地整合在一起。到了 19 世紀，在金屬冶煉技術發(fā)展的推動下，人們開始嘗試將多種不同的金屬材料用在生物植入和生物醫(yī)療上，不遺余力地開發(fā)各種新型生物醫(yī)用材料，以用于治療在臨床上由于創(chuàng)傷、腫瘤、感染等所致的骨組織缺損患者。

金屬基可降解生物材料主要三類：鐵基可降解生物材料、鎂基可降解生物材料和鋅基可降解生物材料。金屬基可降解生物材料自己 20 世紀有臨床報道以來，其研究主要集中在鐵基和鎂基可降解生物材料上，鋅合金做為生物材料是二十一世紀為人們所提出的。

鋅基可降解生物醫(yī)用材料

與鐵類似，鋅也是人體必需的一種微量元素。鋅會參與人體的正常生長、免疫功能、傷口愈合、細胞和核酸代謝、DNA 和蛋白質合成等。當人體內鋅含量不足時，將導致兒童生長遲緩、孕婦難產、皮炎、脫發(fā)、腹瀉等一系列問題的發(fā)生。正常成人體內鋅含量約 2~3 g，人體內85%的鋅存在于肌肉和骨骼，11%存在于皮膚和肝臟，剩余的鋅存在于其它組織。人體內血清和尿液中正常鋅含量（24 h）分別是800±200 μg/dL 和 109~130 μg/dL。正常成人鋅攝入量為10 mg/d。攝入過量的鋅會經由腎臟代謝排出。

盡管鋅在人體內的含量（約 3 g）低于 Fe 在人體的含量（約 4 g）與鎂在人體內的含量（約 25 g），但將鋅作為可降解生物醫(yī)用金屬材料使用時仍具有基本的生物安全性。鋅的標準電極電位為-0.762 V SHE ，高于鎂的-2.372 V SHE 而低于鐵的-0.441V SHE ，這使得鋅具有比鎂更弱比鐵更強的化學活性。另外，ZnO 的致密度系數(shù) α ZnO 為1.585，高于 MgO 的 0.779 而低于 FeO 的 1.778。這些因素使得鋅作為可降解金屬使用時比鎂和鐵具有更適宜的降解速率。另外，金屬鋅在體內降解時陰極發(fā)生的電極反應為2H 2 O+O 2 +4e - →4OH - 。這使得鋅基植入材料在體內服役時在植入體周圍不會形成氫氣囊。

金屬鋅在體內適宜的降解速率也有效緩解了植入體周圍局部環(huán)境的堿化程度。例如，文獻的研究表明純鋅在 37 °C 的模擬體液（SBF）中浸泡 14 天后 SBF的 pH 值僅由 7.40 升高至 7.48，而純鎂在 37 °C 的 SBF 中浸泡，僅 4 天后 SBF 的 pH值就由 7.40 升高至 9.80。此外，近些年的研究還表明鋅能夠有效誘導 Ca-P 沉積，并在刺激骨形成、生長和礦化方面也起著至關重要的作用。再者，文獻的研究還表明鋅在體內的腐蝕產物具有良好的生物相容性。

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，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，與其他微量元素相比，鋅在骨的新陳代謝中的毒性最小。

與鈦合金或不銹鋼材料相比，鋅或鋅合金金屬材料的機械性能更接近人體骨骼。純鋅的機械性能較差，但在鋅金屬中加入銅、鐵、錳等元素制備鋅合金后，其屈服強度及延展度都得到提高，更接近皮質骨的機械性能。

綜合上述分析可知鋅及其合金作為可降解生物醫(yī)用金屬材料使用時比鎂基和鐵基材料具有更大優(yōu)勢。鋅粉及鋅合金粉末等可能通過粉末冶金及金屬增材制造等方式實現(xiàn)可降解生物醫(yī)用金屬植入物的制造。