骨科內固定材料是許多骨折病人手術時需要用到的手術器材。目前在臨床上應用的傳統(tǒng)骨科內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行二次手術取出，大大增加了患者的痛苦和經濟負擔。

有沒有一種能夠被人體吸收的材料作為骨內固定手術的器材呢？上海交通大學材料科學與工程學院張小農博士與該校附屬第六人民醫(yī)院骨科主任蔣垚等領導的研究組進行的新材料研究為上述問題提供了答案。

張小農課題組在國家自然科學基金、上海交通大學醫(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研究工作，并取得了重要進展，成果發(fā)表在近期出版的《科學通報》第16期上。

現實需求催生新材料研究

骨釘、髓內針等是目前臨床上常用的骨內固定器械。它們主要是用不銹鋼、鈦合金等材料制成。張小農介紹說：“現有骨內固定材料彈性模量遠高于人骨，用于骨固定可能會引起應力遮擋效應，使骨骼受損部位得不到必要的應力刺激，導致愈合不完全，骨骼強度下降，骨愈合延遲，容易再次骨折，甚至引起手術失敗；而且這些材料大多含有毒性金屬元素，在人體內會緩慢釋放有毒離子，誘發(fā)炎癥，對人體產生不利影響；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，需要進行二次手術取出，增加了患者的痛苦和經濟負擔。”

雖然目前臨床上也有一些可降解的聚合物（如聚乳酸類）骨內固定材料已經投入使用，但這種聚合物也存在力學性能差、酸性降解產物引發(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，國內許多研究機構也在研究鎂鈣合金、鎂錳鋅合金等，這些研究都針對骨科植入器械、血管內支架等領域開發(fā)目標產品。資料顯示，國外稀土鎂合金的血管支架已經進行了人體實驗，但目前臨床還沒有投入使用的產品。”

鎂鋅合金的五大優(yōu)勢

張小農課題組是依據生物相容性、力學性能和降解性能的綜合要求，來設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，利用鎂與水的腐蝕反應，開發(fā)體內可降解吸收的鎂合金生物材料已被證明是科學的、可行的。

據張小農介紹，他們研究的鎂鋅合金主要有五個特點：第一，體內可降解。該材料被植入人體后，經過一定時期，骨折愈合后，完成固定任務，可以在體內降解，被人體逐漸吸收，可免去二次取出手術，減輕患者痛苦和經濟負擔。第二，力學性能優(yōu)良。鎂合金彈性模量與人骨接近，可以有效降低應力遮擋效應，同時其力學性能，如拉伸強度等遠高于目前臨床應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重要。此外鎂、鋅元素可以促進骨細胞生長，促進骨折愈合，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。張小農課題組的研究表明，鎂合金棒材植入兔子骨骼內后在18周之內會發(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(如鋁、鐵等)含量控制在0.01%以下。第五，完全自主知識產權。目前張小農課題組所設計的一系列可降解鎂鋅合金材料已經得到發(fā)明專利授權，具備了良好的商業(yè)化應用基礎。

降解速度控制問題仍待解決

整個研究過程也不是一帆風順的。張小農在研究中發(fā)現，鎂鋅合金這種材料還存在不足，那就是降解速率比較快，造成骨結合不好。事實上，在生物鎂合金的研究領域，對鎂合金腐蝕降解速率的控制一直是一個復雜的難題。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，動物體內實驗也發(fā)現了這一點。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課題組研制的鎂鋅基合金更慢一些。

張小農指出，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)學研究表明，鋁具有明顯的生物毒性，尤其對神經系統(tǒng)危害很大；稀土元素會對肝臟和腎臟等重要臟器產生不利影響，而且多余的稀土元素會在體內聚集，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。

張小農告訴記者，他們現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，根據需要添加其他元素，如添加鈣、鐵、錳等，可以改善合金微觀結構，從而調整力學性能、調節(jié)降解速率等。

而表面涂覆可降解聚合物薄膜、電化學沉積磷酸鈣鹽（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。張小農課題組的體外研究結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在他們已經開始了動物體內的二期實驗，有關實驗完成后將發(fā)表最新結果。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、血管內支架等臨床領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。”

張小農說：“我們課題組已經創(chuàng)建了上海奧芮濟醫(yī)療科技有限公司實施有關成果的實用轉化，一些具有羥基磷灰石涂層的骨釘、髓內針等骨內固定器械預計將在本年度內研發(fā)完成。而植入大動物的體內實驗安排在明年初開展，此后6個月的植入實驗研究結果出來后將會確定是否能進行下一步的人體實驗。我們希望未來的2~3年內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）