寻找可降解的骨内固定材料

骨科内固定材料是许多骨折病人手术时需要用到的手术器材。目前在临床上应用的传统骨科内固定材料主要有不锈钢、钛合金等。这些都是永久性植入材料，需要在病人骨折愈合后进行二次手术取出，大大增加了患者的痛苦和经济负担。

有没有一种能够被人体吸收的材料作为骨内固定手术的器材呢？上海交通大学材料科学与工程学院张小农博士与该校附属第六人民医院骨科主任蒋垚等领导的研究组进行的新材料研究为上述问题提供了答案。

张小农课题组在国家自然科学基金、上海交通大学医工交叉基金等资助下开展了新型可降解吸收金属基生物材料的有关研究工作，并取得了重要进展，成果发表在近期出版的《科学通报》第16期上。

现实需求催生新材料研究

骨钉、髓内针等是目前临床上常用的骨内固定器械。它们主要是用不锈钢、钛合金等材料制成。张小农介绍说：“现有骨内固定材料弹性模量远高于人骨，用于骨固定可能会引起应力遮挡效应，使骨骼受损部位得不到必要的应力刺激，导致愈合不完全，骨骼强度下降，骨愈合延迟，容易再次骨折，甚至引起手术失败；而且这些材料大多含有毒性金属元素，在人体内会缓慢释放有毒离子，诱发炎症，对人体产生不利影响；还有一点值得引起重视的是目前常用材料多为永久性植入材料，病人骨折愈合后，需要进行二次手术取出，增加了患者的痛苦和经济负担。”

虽然目前临床上也有一些可降解的聚合物（如聚乳酸类）骨内固定材料已经投入使用，但这种聚合物也存在力学性能差、酸性降解产物引发炎症等问题。

“针对这些弊端，发展可降解金属生物材料具有重要价值。”张小农说，“国际上对可降解吸收的金属材料研究已开始起步，如欧洲的德国、瑞士等研究的稀土镁合金、镁铝锌合金等，国内许多研究机构也在研究镁钙合金、镁锰锌合金等，这些研究都针对骨科植入器械、血管内支架等领域开发目标产品。资料显示，国外稀土镁合金的血管支架已经进行了人体实验，但目前临床还没有投入使用的产品。”

镁锌合金的五大优势

张小农课题组是依据生物相容性、力学性能和降解性能的综合要求，来设计新型可降解吸收金属材料的。

他们选择的研究对象是由全部营养元素组成的生物镁合金材料。张小农指出，镁作为人体必需的营养元素，具有良好的生物安全性基础，利用镁与水的腐蚀反应，开发体内可降解吸收的镁合金生物材料已被证明是科学的、可行的。

据张小农介绍，他们研究的镁锌合金主要有五个特点：第一，体内可降解。该材料被植入人体后，经过一定时期，骨折愈合后，完成固定任务，可以在体内降解，被人体逐渐吸收，可免去二次取出手术，减轻患者痛苦和经济负担。第二，力学性能优良。镁合金弹性模量与人骨接近，可以有效降低应力遮挡效应，同时其力学性能，如拉伸强度等远高于目前临床应用的可降解高分子聚合物材料，可以更好地满足临床需求。第三，生物安全性好。镁是人体必需的营养元素，对人体的新陈代谢等生理作用至关重要。此外镁、锌元素可以促进骨细胞生长，促进骨折愈合，而过量的镁则可以通过肾脏有效排出体外，不会对人体造成伤害。张小农课题组的研究表明，镁合金棒材植入兔子骨骼内后在18周之内会发生持续降解，而且降解过程并未对兔子的心、肝、脾、肾脏等重要脏器产生不利影响，兔子的血镁浓度在实验过程中始终保持正常水平。动物实验也表明，所用镁锌合金在降解过程中，锌每天的释放量低于0.1mg，大大低于人体必需的摄入量。这些结果充分说明了所用镁锌合金的生物安全性优良。第四，良好的杂质控制水平，课题组采用高纯度的原材料和高洁净度的熔炼制备方式，获得了高纯度的合金材料，除加入的合金元素外，杂质(如铝、铁等)含量控制在0.01%以下。第五，完全自主知识产权。目前张小农课题组所设计的一系列可降解镁锌合金材料已经得到发明专利授权，具备了良好的商业化应用基础。

降解速度控制问题仍待解决

整个研究过程也不是一帆风顺的。张小农在研究中发现，镁锌合金这种材料还存在不足，那就是降解速率比较快，造成骨结合不好。事实上，在生物镁合金的研究领域，对镁合金腐蚀降解速率的控制一直是一个复杂的难题。镁锌合金很容易在水溶液中腐蚀降解，尤其是在含有氯离子的溶液中降解过快，动物体内实验也发现了这一点。而国际上研究的稀土镁合金、镁铝锌合金等的降解速度比张小农课题组研制的镁锌基合金更慢一些。

张小农指出，他们课题组研究的镁锌合金体系没有包括含有铝和稀土的合金。这是因为虽然铝和稀土等元素可以有效地改善镁合金的抗腐蚀性能，降低降解速率，但大量医学研究表明，铝具有明显的生物毒性，尤其对神经系统危害很大；稀土元素会对肝脏和肾脏等重要脏器产生不利影响，而且多余的稀土元素会在体内聚集，不容易排出体外，尤其某些稀土元素会聚集沉积在骨骼中，同钙形成竞争性吸附而取代骨骼中的钙元素。因此，他们课题组把这一类具有很大争议的元素排除在研究范围之外。

张小农告诉记者，他们现在的实验中使用的是镁锌这两种组分的合金，不含其他合金元素，这种合金是一个广泛的体系，根据需要添加其他元素，如添加钙、铁、锰等，可以改善合金微观结构，从而调整力学性能、调节降解速率等。

而表面涂覆可降解聚合物薄膜、电化学沉积磷酸钙盐（如羟基磷灰石）涂层等方法也可以用来控制镁锌合金的降解速率。张小农课题组的体外研究结果表明该方法可以非常有效地减缓镁合金的降解速率，降低氢气析出量。现在他们已经开始了动物体内的二期实验，有关实验完成后将发表最新结果。他们希望最新的研究成果能够满足临床使用的要求。

“作为当前生物材料研究的热门之一，我们研究的镁锌合金作为生物可降解材料用于骨科植入器械、血管内支架等临床领域还有很多工作需要完成。对我们课题组来说，目前的主要瓶颈是研究周期很长、资金还不足，需要大动物实验以及后续的人体实验等严格验证其生物安全性以及医疗效果。如果有更充足的资金保证，相信该可降解材料的实用阶段会尽早到来。”

张小农说：“我们课题组已经创建了上海奥芮济医疗科技有限公司实施有关成果的实用转化，一些具有羟基磷灰石涂层的骨钉、髓内针等骨内固定器械预计将在本年度内研发完成。而植入大动物的体内实验安排在明年初开展，此后6个月的植入实验研究结果出来后将会确定是否能进行下一步的人体实验。我们希望未来的2~3年内可降解吸收生物镁锌合金能够走出实验室，制造出的各类医疗器械将走进普通人的生活中，从而提高人们的生活和健康水平。”（生物谷Bioon.com）