可降解鋅基合金在骨科領(lǐng)域的研究進(jìn)展

前言

鋅是人體所必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一,因具有良好的生物相容性和適宜的降解速率,鋅基合金在最近幾年里成為繼鎂基和鐵基合金之后又一具有廣泛應(yīng)用前景的醫(yī)用可降解金屬。本文綜述了生物降解鋅近年來(lái)用于骨科領(lǐng)域的研究進(jìn)展,重點(diǎn)討論了鋅及其合金的力學(xué)性能、生物降解性能和生物相容性以及鋅的合金化和制造技術(shù)之間的關(guān)系。

其中,植入的生物材料,如骨板和支架,應(yīng)與替代組織的力學(xué)性能相兼容。

表1比較了純鋅和骨組織的物理及力學(xué)性能。

鋅基合金的微觀組織及力學(xué)性能

合金化對(duì)鋅基合金的微觀組織及力學(xué)性能的影響

考慮到純鋅較低的塑性和強(qiáng)度并不能滿足其植入所需的力學(xué)性能要求,通過(guò)合金化進(jìn)而提高鋅基合金的力學(xué)性能是目前較為普遍的方法,不同合金元素對(duì)鋅合金的強(qiáng)化具有不同的效果。

從表2中可以看出,合金元素的加入可以提高鋅的強(qiáng)度,但絕大多數(shù)情況卻是以犧牲塑性為代價(jià)的。鑄態(tài)Zn-1Mg合金的強(qiáng)度能夠達(dá)到155MPa,然而其延伸率只有2%。三元合金也是如此,相較于其基礎(chǔ)二元合金,三元合金的強(qiáng)度增加而塑性降低

在目前所研究的鋅基合金中,Zn-0.8Li-0.4Mg合金具有最高的抗拉強(qiáng)度(647MPa),Zn-0.8Li-0.8Mn合金具有最高的延伸率(能達(dá)到103%)。

制備工藝對(duì)鋅基合金的微觀組織及力學(xué)性能的影響

與合金化一樣,制備工藝也會(huì)改變合金的微觀組織,進(jìn)而改變合金的力學(xué)性能。目前關(guān)于鋅基合金的制備工藝主要有傳統(tǒng)的工藝如鑄造、擠壓、軋制和拉伸,以及先進(jìn)的金屬制備工藝,如冷靜擠壓、等通道轉(zhuǎn)角擠壓和3D打印等。

合金元素及制造工藝對(duì)各種鋅基合金微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響如上表2所示。

多孔鋅基合金

多孔金屬由于其剛度和孔隙率可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,因此適合于修復(fù)或替換受損的骨骼。

骨移植或骨替代材料的制備在骨缺損修復(fù)上仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),現(xiàn)有的生物材料往往不能滿足臨床對(duì)結(jié)構(gòu)支撐、骨誘導(dǎo)性和可控生物降解性的要求,為了治療大面積骨缺損,三維多孔支架材料的發(fā)展受到了骨工程界的廣泛關(guān)注。近年來(lái),增材制造技術(shù)的發(fā)展為制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了前所未有的機(jī)遇,可以滿足對(duì)具有定制力學(xué)性能的植入物日益增長(zhǎng)的需求。

同時(shí),拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展起來(lái),使得多孔金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)能夠被設(shè)計(jì)成任意形狀和結(jié)構(gòu),以此來(lái)獲得特定的力學(xué)性能

LI Y, PAVA NRAM P,ZHOUJ,et al. Biomaterials Science [ J],2020, 8(9): 2404-2419.

利用PBF技術(shù)制備出具有精確控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功能梯度多孔鋅,通過(guò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)可以調(diào)節(jié)多孔鋅的生物降解行為和力學(xué)性能。其中拓?fù)湓O(shè)計(jì)使多孔鋅的滲透率提高了3倍,生物降解速率提高了1.5倍。

鋅基合金的缺陷與不足

鋅基合金作為骨科植入物具有很多優(yōu)勢(shì),但其進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用還需要克服一些潛在的問(wèn)題。大多數(shù)的醫(yī)療植入器械要經(jīng)過(guò)加工、消毒、包裝以及最后送往醫(yī)院保存?zhèn)溆?這一系列過(guò)程可能花費(fèi)數(shù)個(gè)月的時(shí)間。如果在這期間出現(xiàn)明顯的力學(xué)性能變化,可能會(huì)對(duì)植入物的最終性能產(chǎn)生影響。

除老化和時(shí)效外, 鋅基合金目前仍需解決的問(wèn)題在于其加工軟化特征。純鋅的熔點(diǎn)較低, 使得其再結(jié)晶溫度也較低。因此, 純鋅及其合金可能在變形過(guò)程中及隨后的室溫儲(chǔ)存期間發(fā)生回復(fù)和進(jìn)一步的再結(jié)晶, 從而導(dǎo)致合金加工硬化能力不足。由于血管支架在徑向擴(kuò)張的過(guò)程中必須經(jīng)歷一定的塑性變形, 應(yīng)該具有低屈服點(diǎn)、高拉伸強(qiáng)度和足夠的應(yīng)變硬化率等特征。因此, 鋅合金的應(yīng)變硬化能力的不足也是今后需要克服的問(wèn)題之一。