鋅基可降解材料及鋅銅合金(Zn-Cu)性能介紹

① 鋅基可降解材料

與鎂、鐵一樣，鋅的降解產(chǎn)物(Zn2+) 是人體必需的金屬元素之一 (正常成人Zn攝入量為10mg/天，嬰兒2 mg/天，參與構(gòu)成多種蛋白及300余種酶反應(yīng)，可以通過參與酶反應(yīng)、調(diào)節(jié)DNA復(fù)制劑細(xì)胞凋亡過程，實(shí)現(xiàn)抗氧化和維持內(nèi)皮細(xì)胞功能的功能。

2013年，純鋅第一次作為可降解冠脈支架的候選材料被研究和報(bào)道，然而其較低的強(qiáng)度促使人們通過元素組成和/或加工操作尋找具有更好力學(xué)性能的Zn合金。研究者已經(jīng)對(duì)在醫(yī)療器械中添加銅以實(shí)現(xiàn)抗菌和血管生成功能進(jìn)行了廣泛的探索實(shí)踐，鋅銅合金作為可降解支架材料的早期研究也有報(bào)道。

② 鋅的合金化

目前已有多種合金化元素(Mg、Ca、Sr、 Ge、Ag、Mn) 被報(bào)道用于可降解鋅合金植入材料的制備。研究表明，鎂的加入可以降低鋅合金的細(xì)胞毒性，但也顯著降低鋅合金的塑性。鈣、鍶等元素與骨生成、鈣化等過程相關(guān)，對(duì)支架植入而言，并不是理想的選擇。稀土元素的加入雖然同樣能夠起到生成第二相、強(qiáng)化晶界的作用，但是稀土與鋅形成的金屬間化合物不易降解吸收。將鐵加入鋅合金中，能夠顯著提高合金的硬度和強(qiáng)度、調(diào)節(jié)合金的降解速率。通過快速冷卻等手段可以使鋅鐵形成的金屬間化合物(FeZn13) 獲得細(xì)化,但Fe元素存在對(duì)鋅合金可拋光性的影響仍不可忽視。FeZn13 給冠狀動(dòng)脈支架加工過程(拋光)造成的不利影響，可能會(huì)限制其應(yīng)用。其它的非人體必需元素或有毒元素，如鈦和鋁，雖然作為傳統(tǒng)的鋅合金組成成分，但可能也無法用于可降解冠狀動(dòng)脈支架材料。

③ Zn-Cu合金冠脈支架材料

銅的原子半徑(127.8 pm)與鋅(133.2 pm)接近，低量銅可固溶于鋅形成置換固溶體，銅-鋅相圖中存在多種金屬間化合物，在富鋅端鋅基體中的第二相是ε相，含銅量在12%至22%。

Zn-Cu合金相圖

鋅基體中的第二相能顯著改善鋅合金的力學(xué)性能，并減少鋅合金的晶間腐蝕。銅能夠促進(jìn)人血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖,而血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖及支架植入后的再內(nèi)皮化，被認(rèn)為是影響PCI遠(yuǎn)期預(yù)后的關(guān)鍵因素。基于此，已經(jīng)有學(xué)者嘗試將含銅的合金(如含銅不銹鋼)應(yīng)用于血管支架。

Tang Z, Niu J, Huang H, et al.共同開發(fā)了Zn-1Cu、 Zn-2Cu、Zn-3Cu、Zn-4Cu 作為心臟冠脈支架材料，發(fā)現(xiàn)隨著銅含量的提高，鋅銅合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及斷裂延伸率均獲得顯著提高，且銅含量低于1%時(shí)將不產(chǎn)生明顯的第二相。

④ Zn-Cu合金的腐蝕特性

目前國際上腐蝕速率研究較為普遍的參考標(biāo)準(zhǔn)是ASTM G31-72，試驗(yàn)溫度一般控制為37℃以模擬人體環(huán)境，腐蝕液成分選用Hank's溶液。下表給出了近幾年報(bào)道的部分鋅銅系合金腐蝕速率:

體外和體內(nèi)的研究結(jié)果證實(shí)鋅及其合金的降解速率介于鎂合金與鐵合金之間，可能更加符合冠狀動(dòng)脈支架對(duì)于材料降解時(shí)間的要求。因此，目前有關(guān)鋅及其合金醫(yī)療應(yīng)用的研究，雖然大多涉及對(duì)體外或體外降解速率的表征，但研究重點(diǎn)很少涉及到對(duì)降解速率的調(diào)控。可見Zn-Cu合金的降解速率接近理想的降解速率。

⑤ Zn-Cu合金的生物相容性

鋅和銅均為人體的重要構(gòu)成元素。根據(jù)Meta分析，健康人血清Zn、Cu含量分別為0.67~ 1.02 mg/L和0.93~1.17mg/L，不同性別、營養(yǎng)狀況對(duì)鋅、銅在人體內(nèi)的含量有所影響。

一枚以鋅基合金制成的典型規(guī)格型號(hào)冠脈支架的重量約為30 mg, Zn-Cu 合金冠脈支架植入帶來的銅元素同樣不存在引發(fā)機(jī)體系統(tǒng)性毒性反應(yīng)或者向遠(yuǎn)端臟器中富集可能性。此外，銅可以誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF) 的表達(dá)，對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的再內(nèi)皮化和內(nèi)皮功能的維持有積極的影響。

綜上所述，雖然鋅和銅具有一定的細(xì)胞毒性，但其生物相容性總體而言是可接受的，適當(dāng)濃度的銅離子還可能給機(jī)體帶來諸如抑菌、血管生成或內(nèi)皮細(xì)胞功能調(diào)節(jié)等方面的受益。

⑥Zn-Cu合金的生物相容性

含有高固溶度的無毒元素（如銀和銅）的合金是最有希望的可降解植入物候選材料，因?yàn)樗鼈兊牧W(xué)性能可以通過調(diào)節(jié)第二相粒子的體積分?jǐn)?shù)、尺寸和分布等來改善。

Zn-Cu合金的力學(xué)性能在眾多鋅合金中具有一定優(yōu)勢(shì)。

Cu的加入提高了鋅合金的力學(xué)性能，固溶強(qiáng)化對(duì)合金 強(qiáng)度提高起到了關(guān)鍵作用。