骨科內(nèi)固定材料是許多骨折病人手術(shù)時需要用到的手術(shù)器材,。目前在臨床上應(yīng)用的傳統(tǒng)骨科內(nèi)固定材料主要有不銹鋼,、鈦合金等。這些都是永久性植入材料,，需要在病人骨折愈合后進(jìn)行二次手術(shù)取出,，大大增加了患者的痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
有沒有一種能夠被人體吸收的材料作為骨內(nèi)固定手術(shù)的器材呢,？上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張小農(nóng)博士與該校附屬第六人民醫(yī)院骨科主任蔣垚等領(lǐng)導(dǎo)的研究組進(jìn)行的新材料研究為上述問題提供了答案,。
張小農(nóng)課題組在國家自然科學(xué)基金、上海交通大學(xué)醫(yī)工交叉基金等資助下開展了新型可降解吸收金屬基生物材料的有關(guān)研究工作,，并取得了重要進(jìn)展,，成果發(fā)表在近期出版的《科學(xué)通報》第16期上。
現(xiàn)實需求催生新材料研究
骨釘,、髓內(nèi)針等是目前臨床上常用的骨內(nèi)固定器械,。它們主要是用不銹鋼、鈦合金等材料制成,。張小農(nóng)介紹說：“現(xiàn)有骨內(nèi)固定材料彈性模量遠(yuǎn)高于人骨,，用于骨固定可能會引起應(yīng)力遮擋效應(yīng)，使骨骼受損部位得不到必要的應(yīng)力刺激,，導(dǎo)致愈合不完全,，骨骼強(qiáng)度下降，骨愈合延遲,，容易再次骨折,，甚至引起手術(shù)失敗,；而且這些材料大多含有毒性金屬元素,，在人體內(nèi)會緩慢釋放有毒離子，誘發(fā)炎癥,，對人體產(chǎn)生不利影響,；還有一點值得引起重視的是目前常用材料多為永久性植入材料，病人骨折愈合后,，需要進(jìn)行二次手術(shù)取出,，增加了患者的痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。”
雖然目前臨床上也有一些可降解的聚合物（如聚乳酸類）骨內(nèi)固定材料已經(jīng)投入使用,，但這種聚合物也存在力學(xué)性能差,、酸性降解產(chǎn)物引發(fā)炎癥等問題。
“針對這些弊端,，發(fā)展可降解金屬生物材料具有重要價值,。”張小農(nóng)說,，“國際上對可降解吸收的金屬材料研究已開始起步，如歐洲的德國,、瑞士等研究的稀土鎂合金,、鎂鋁鋅合金等，國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)也在研究鎂鈣合金,、鎂錳鋅合金等,，這些研究都針對骨科植入器械、血管內(nèi)支架等領(lǐng)域開發(fā)目標(biāo)產(chǎn)品,。資料顯示,，國外稀土鎂合金的血管支架已經(jīng)進(jìn)行了人體實驗，但目前臨床還沒有投入使用的產(chǎn)品,。”
鎂鋅合金的五大優(yōu)勢
張小農(nóng)課題組是依據(jù)生物相容性,、力學(xué)性能和降解性能的綜合要求，來設(shè)計新型可降解吸收金屬材料的,。
他們選擇的研究對象是由全部營養(yǎng)元素組成的生物鎂合金材料,。張小農(nóng)指出，鎂作為人體必需的營養(yǎng)元素,，具有良好的生物安全性基礎(chǔ),，利用鎂與水的腐蝕反應(yīng)，開發(fā)體內(nèi)可降解吸收的鎂合金生物材料已被證明是科學(xué)的,、可行的,。
據(jù)張小農(nóng)介紹，他們研究的鎂鋅合金主要有五個特點：第一,，體內(nèi)可降解。該材料被植入人體后,，經(jīng)過一定時期,，骨折愈合后，完成固定任務(wù),，可以在體內(nèi)降解,，被人體逐漸吸收，可免去二次取出手術(shù),，減輕患者痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),。第二，力學(xué)性能優(yōu)良,。鎂合金彈性模量與人骨接近,，可以有效降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)，同時其力學(xué)性能,，如拉伸強(qiáng)度等遠(yuǎn)高于目前臨床應(yīng)用的可降解高分子聚合物材料,，可以更好地滿足臨床需求。第三，生物安全性好,。鎂是人體必需的營養(yǎng)元素,，對人體的新陳代謝等生理作用至關(guān)重要。此外鎂,、鋅元素可以促進(jìn)骨細(xì)胞生長,，促進(jìn)骨折愈合，而過量的鎂則可以通過腎臟有效排出體外,，不會對人體造成傷害,。張小農(nóng)課題組的研究表明，鎂合金棒材植入兔子骨骼內(nèi)后在18周之內(nèi)會發(fā)生持續(xù)降解,，而且降解過程并未對兔子的心,、肝、脾,、腎臟等重要臟器產(chǎn)生不利影響,，兔子的血鎂濃度在實驗過程中始終保持正常水平。動物實驗也表明,，所用鎂鋅合金在降解過程中,，鋅每天的釋放量低于0.1mg，大大低于人體必需的攝入量,。這些結(jié)果充分說明了所用鎂鋅合金的生物安全性優(yōu)良,。第四，良好的雜質(zhì)控制水平,，課題組采用高純度的原材料和高潔凈度的熔煉制備方式,，獲得了高純度的合金材料，除加入的合金元素外,，雜質(zhì)(如鋁,、鐵等)含量控制在0.01%以下。第五,，完全自主知識產(chǎn)權(quán),。目前張小農(nóng)課題組所設(shè)計的一系列可降解鎂鋅合金材料已經(jīng)得到發(fā)明專利授權(quán)，具備了良好的商業(yè)化應(yīng)用基礎(chǔ),。
降解速度控制問題仍待解決
整個研究過程也不是一帆風(fēng)順的,。張小農(nóng)在研究中發(fā)現(xiàn)，鎂鋅合金這種材料還存在不足,，那就是降解速率比較快,，造成骨結(jié)合不好。事實上,，在生物鎂合金的研究領(lǐng)域,，對鎂合金腐蝕降解速率的控制一直是一個復(fù)雜的難題,。鎂鋅合金很容易在水溶液中腐蝕降解，尤其是在含有氯離子的溶液中降解過快,，動物體內(nèi)實驗也發(fā)現(xiàn)了這一點,。而國際上研究的稀土鎂合金、鎂鋁鋅合金等的降解速度比張小農(nóng)課題組研制的鎂鋅基合金更慢一些,。
張小農(nóng)指出,，他們課題組研究的鎂鋅合金體系沒有包括含有鋁和稀土的合金。這是因為雖然鋁和稀土等元素可以有效地改善鎂合金的抗腐蝕性能,，降低降解速率,，但大量醫(yī)學(xué)研究表明，鋁具有明顯的生物毒性,，尤其對神經(jīng)系統(tǒng)危害很大,；稀土元素會對肝臟和腎臟等重要臟器產(chǎn)生不利影響，而且多余的稀土元素會在體內(nèi)聚集,，不容易排出體外,，尤其某些稀土元素會聚集沉積在骨骼中，同鈣形成競爭性吸附而取代骨骼中的鈣元素,。因此,，他們課題組把這一類具有很大爭議的元素排除在研究范圍之外。
張小農(nóng)告訴記者,，他們現(xiàn)在的實驗中使用的是鎂鋅這兩種組分的合金,，不含其他合金元素，這種合金是一個廣泛的體系,，根據(jù)需要添加其他元素,，如添加鈣、鐵,、錳等,，可以改善合金微觀結(jié)構(gòu)，從而調(diào)整力學(xué)性能,、調(diào)節(jié)降解速率等,。
而表面涂覆可降解聚合物薄膜,、電化學(xué)沉積磷酸鈣鹽（如羥基磷灰石）涂層等方法也可以用來控制鎂鋅合金的降解速率,。張小農(nóng)課題組的體外研究結(jié)果表明該方法可以非常有效地減緩鎂合金的降解速率，降低氫氣析出量?，F(xiàn)在他們已經(jīng)開始了動物體內(nèi)的二期實驗,，有關(guān)實驗完成后將發(fā)表最新結(jié)果。他們希望最新的研究成果能夠滿足臨床使用的要求,。
“作為當(dāng)前生物材料研究的熱門之一,，我們研究的鎂鋅合金作為生物可降解材料用于骨科植入器械,、血管內(nèi)支架等臨床領(lǐng)域還有很多工作需要完成。對我們課題組來說,，目前的主要瓶頸是研究周期很長,、資金還不足，需要大動物實驗以及后續(xù)的人體實驗等嚴(yán)格驗證其生物安全性以及醫(yī)療效果,。如果有更充足的資金保證,，相信該可降解材料的實用階段會盡早到來。”
張小農(nóng)說：“我們課題組已經(jīng)創(chuàng)建了上海奧芮濟(jì)醫(yī)療科技有限公司實施有關(guān)成果的實用轉(zhuǎn)化,，一些具有羥基磷灰石涂層的骨釘,、髓內(nèi)針等骨內(nèi)固定器械預(yù)計將在本年度內(nèi)研發(fā)完成。而植入大動物的體內(nèi)實驗安排在明年初開展,，此后6個月的植入實驗研究結(jié)果出來后將會確定是否能進(jìn)行下一步的人體實驗,。我們希望未來的2~3年內(nèi)可降解吸收生物鎂鋅合金能夠走出實驗室，制造出的各類醫(yī)療器械將走進(jìn)普通人的生活中,，從而提高人們的生活和健康水平,。”（生物谷Bioon.com）
