可降解鋅基合金在骨缺損修復(fù)重建中的應(yīng)用及研究熱點和不足

前言

本文主要對鋅基合金在骨修復(fù)中的應(yīng)用研究做綜述，討論當(dāng)下可降解鋅基骨移植材料在促進骨修復(fù)重建中的研究熱點及不足，展望后續(xù)鋅基材料可期的研究方向和應(yīng)用前景。

骨缺損治療大多需要骨移植材料的干預(yù)，目前全球每年進行超過200萬例骨科移植手術(shù)，使骨移植成為僅次于輸血的第二大組織移植。

骨移植材料的選擇決定了骨缺損后修復(fù)重建的質(zhì)量，現(xiàn)今各類材料均表現(xiàn)出尚未能有效解決的短板問題，例如：在自體骨移植和同種異體骨移植技術(shù)中，材料來源不足以及并發(fā)癥難以有效避免；可降解合金材料如鎂基合金降解速率過快且降解產(chǎn)生的氣體局部聚集阻礙后續(xù)修復(fù)重建，鐵基合金降解產(chǎn)物不易清除易誘發(fā)炎癥反應(yīng)等。

伴隨逐漸增加的骨移植材料需求以及患者對縮短恢復(fù)期的訴求，對于新型可降解骨移植替代材料的需求越發(fā)迫切。以金屬鋅為基礎(chǔ)的可降解骨移植材料的利用價值早在2011年被關(guān)注，隨后關(guān)于鋅基合金材料用于骨移植促進骨修復(fù)重建的研究日益增加。

例如：YANG等的研究證實了鋅鋰合金在增加機械性能方面具有相對最強的作用；在鋅基合金中加入Mn會增加合金的降解速率，加入Cu則降低合金的降解速率。

JIA B, YANG H, HAN Y, et al. In vitro and in vivo studies of Zn-Mn biodegradable metals designed for orthopedic applications. Acta Biomater. 2020;108:358-372.

目前骨植入鋅基合金以鋅鎂合金為主，但鋅基合金體系具有相對特殊的機械性能和生物學(xué)效應(yīng)，對于理想化、個性化可降解鋅基合金研發(fā)的貢獻(xiàn)不可忽視。合金的降解速率伴隨所加入微量金屬元素的種類和量發(fā)生改變，例如Mn加入所得的鋅基合金降解速率增加，而Cu 的加入使降解速率降低；特殊的是，加入不同質(zhì)量比Mg的鋅基合金降解速率先降低而后升高，而加入不同質(zhì)量比Fe的鋅基合金先增高后降低，這是合金在降解過程中周圍生化環(huán)境、金屬原電池效應(yīng)、降解產(chǎn)物包被在內(nèi)多重因素共同交織影響的結(jié)果。

鋅基合金的基礎(chǔ)特性見圖3。

YANG H, JIA B, ZHANG Z, et al. Alloying design of

biodegradable zinc as promising bone implants for

load-bearing applications. Nat Commun. 2020;11(1):401.

YANG等的研究通過逐一測試篩選的方法證實，各類鋅基合金在機械強度上滿足骨植入材料的需求，并且進一步明確了金屬Li 具有相對最強增加材料機械性能的作用。

綜上，鑒于鋅基合金的基本特性，通過設(shè)置不同組合體系二元、多元合金而實現(xiàn)個性化的骨植入材料研發(fā)以適用于不同人群，是鋅基合金潛在研究方向。

鋅基合金的骨修復(fù)作用

可降解鋅基合金在骨缺損部位發(fā)揮刺激骨修復(fù)作用在于降解前和降解后2個階段，而由于降解發(fā)生的持續(xù)性它們同時存在并相互影響、促進，降解前主要以固態(tài)金屬形式表現(xiàn)為骨傳導(dǎo)性，降解后則以降解離子參與代謝表現(xiàn)為骨誘導(dǎo)性，見圖4.

骨傳導(dǎo)性：骨傳導(dǎo)性是指植入材料支持骨祖細(xì)胞和成骨細(xì)胞附著的能力，并且允許這些細(xì)胞在移植物的三維結(jié)構(gòu)中增殖、生長和遷移。

骨誘導(dǎo)性：骨誘導(dǎo)性指材料可誘導(dǎo)原始細(xì)胞發(fā)育為骨形成細(xì)胞系，而后繼續(xù)刺激誘導(dǎo)形成新骨.

展望與總結(jié)

除了骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性在促進骨組織修復(fù)重建中的積極作用外，在原金屬進行物化改性后添加生物制劑的“增材負(fù)載技術(shù)”運用于鋅基合金或?qū)⑹找骖H豐。

增材負(fù)載技術(shù)在鋅基合金中的應(yīng)用對于骨移植個性化材料具有切實研發(fā)價值。相較于其他合金體系如鎂基、鐵基合金，可降解鋅基合金具有可有效避免二次手術(shù)、氣體空洞形成、植入局部炎癥反應(yīng)等優(yōu)勢，可進一步研究最佳金屬比重構(gòu)成以達(dá)到相對更優(yōu)的綜合性能，生物可降解鋅基合金作為潛在的生物可降解骨植入材料具有廣闊的研發(fā)與應(yīng)用前景。