創(chuàng)傷或疾病造成大面積骨缺損的修復是一項重大臨床挑戰(zhàn)。金屬材料具有良好機械性能、生物相容性和制造工藝，可用于骨缺損的修復。不銹鋼和鈦合金等傳統(tǒng)金屬材料已廣泛應用于臨床。可生物降解的金屬材料，如鐵、鎂和鋅合金，因其可隨時間降解而成為骨修復的理想候選材料。新興金屬材料，如多孔鉭和鉍合金，因其對骨具有親和性和多功能性，可作為骨植入物而備受關(guān)注。然而，這些金屬材料仍有許多實際困難，亟待改進。近日，來自清華大學劉靜、首都醫(yī)科大學的劉亞軍和Linlin Fan教授團隊進行了用于骨修復金屬材料的相關(guān)綜述。成果以“Metallic Materials for Bone Repair”為題于10月26日發(fā)表在《AHM》上。
本文系統(tǒng)回顧和分析了用于骨修復的金屬材料，全面概述了它們的形態(tài)、機械性能、生物相容性和體內(nèi)植入情況。此外，本文還總結(jié)了解決金屬材料不足的相關(guān)策略。最后，討論了金屬材料的發(fā)展前景，指導未來研究和臨床實踐的進步。
圖1 綜述流程圖
一、傳統(tǒng)金屬材料
不銹鋼和鈦合金是醫(yī)用植入材料中常用的金屬，具有合適的性能。此外，鈦和鈦合金植入體能與骨組織牢固結(jié)合，實現(xiàn)良好的骨整合。骨整合能力是評價骨修復材料性能的一個重要指標。雖然不銹鋼和鈦合金具有良好的性能，并已大量應用于骨折固定，但仍然存在許多問題，如不可降解等。
1.1 不銹鋼
不銹鋼具有良好機械性能和生物相容性，與其他金屬材料相比，其可加工性和低成本使其得到廣泛應用和普及。由Cr、Ni、Mo和C組成的316L不銹鋼是一種廣泛用于植入物的金屬材料，可用作骨板、骨螺釘和其他固定材料。
圖2 不銹鋼
1.2 鈦和鈦基合金
鈦及其合金具有理想的生物材料特性，包括良好的生物相容性和高骨親和性，廣泛應用于骨折固定和修復。然而，鈦合金的機械強度（如抗拉強度和楊氏模量）高于人體天然骨骼的機械強度。骨骼與植入物之間不匹配的機械強度導致應力屏蔽效應，鈦合金在骨修復中效果不佳。
圖3 鈦和鈦合金
二、可生物降解的金屬材料
可生物降解的金屬材料，如鐵、鎂和鋅基合金，由于其生物相容性和生物降解性優(yōu)異，作為骨植入物已引起越來越多的關(guān)注。
2.1 鐵和鐵基合金
鐵是人體中不可或缺的微量元素，在氧氣儲存、運輸和活化、酶反應和電子傳輸?shù)确矫娑及l(fā)揮重要作用。鐵基材料在潮濕條件下容易氧化，可被視為植入材料的一種可降解特性。鐵基合金的降解是一種發(fā)生在水環(huán)境中的氧腐蝕現(xiàn)象。在生理環(huán)境中，鐵會通過以下電化學過程降解。在堿性和氧氣條件下，一些Fe2+可通過以下反應轉(zhuǎn)化為Fe3+。在早期階段，鐵基材料的降解產(chǎn)物主要包括Fe(OH)2、Fe(OH)3和Fe3O4，導致降解速度緩慢，骨修復后材料降解不完全。
圖4 化學反應方程
圖5 鐵錳合金
2.2 鎂和鎂基合金
鎂及其合金具有優(yōu)異生物降解性、生物相容性和機械性能，因此在整形外科應用較為廣泛。鎂是人體中含量豐富的陽離子，主要存在于骨骼中。鎂及其合金在生理環(huán)境中會與水發(fā)生電化學反應而降解。降解過程中會釋放出Mg2+、合金元素、氫氣和OH-等物質(zhì)。鎂合金的降解涉及以下反應。這些電化學反應會在鎂合金表面形成多孔的Mg(OH)2層。然而，該層具有微溶性，無法保護鎂基體免受進一步腐蝕，隨后在氯離子存在情況下，可能會發(fā)生如下反應。
鎂腐蝕會產(chǎn)生H2。在正常情況下，H2氣泡在富含氯離子的環(huán)境中形成，并在手術(shù)幾周后消失。
圖6 化學反應方程式
圖7 鎂合金
2.3 鋅和鋅基合金
鐵及其合金的降解速度太慢，不能用作骨修復的可生物降解材料。鎂和鎂合金在人體內(nèi)的降解速度太快，會導致氫氣大量釋放。與自然骨骼生長速度相比，鋅及其合金具有合適的降解速度。鋅是一種基本元素，在轉(zhuǎn)錄因子合成和骨代謝等生理功能中發(fā)揮重要作用。由于其生物相容性和生物可降解性，鋅及其合金作為骨修復的可降解金屬已得到大量研究。同樣，鋅及其合金在生理環(huán)境中會通過電化學反應降解，并發(fā)生氧還原反應。這些電化學反應在鋅及其合金表面形成Zn(OH)2。然而，Zn(OH)2不溶于水，在氯離子存在的情況下可轉(zhuǎn)化為可溶性鹽。這種反應會減少Zn(OH)2層保護的面積，新鮮鋅基體重新暴露在環(huán)境中，引起新一輪降解過程。與鎂降解不同，鋅降解不會產(chǎn)生氣體。
圖8 化學反應方程式
圖9 鋅合金
三、新型金屬材料
除上述金屬外，其他具有優(yōu)異機械和生物特性的新型金屬也可用作骨替代和骨缺損修復植入物。鈦合金等傳統(tǒng)金屬材料具有良好的耐腐蝕和生物相容性，廣泛用于骨缺損修復。但是鈦合金內(nèi)部壽命有限，而且容易氧化。作為替代品，鉭具有生物相容性和與骨組織相匹配的彈性模量。金屬骨植入物在骨缺損手術(shù)中發(fā)揮重要作用，而金屬無法原位成型在很大程度上限制金屬材料的可用性。對于復雜骨缺損，金屬材料的可注射和低熔點性尤為重要，可避免傳統(tǒng)骨水泥材料在局部產(chǎn)生高溫。
3.1 鉭金屬
鉭是一種過渡金屬，具有2995°C的極高熔點。因此，鉭仍保持相對惰性，由于具有良好的耐腐蝕性和植入后耐久性，鉭金屬可為骨組織生長提供長期有效支持，是一種具有良好生物相容性的永久性的生物植入材料。此外，鉭的彈性模量與骨組織的彈性模量一致，滿足骨替代物和植入物的標準。
圖10 多孔鉭支架
3.2 鉍基合金
對于復雜骨缺損來講，可注射骨修復材料與不可變形的替代材料相比具有很大優(yōu)勢，能兼容創(chuàng)口大小和與復雜形狀，合適的可注射骨修復材料一般具有快速凝固、低凝固溫度、足夠硬度和可輻射等特點。鉍基合金材料具有低熔點特性，可以在液相和固相之間轉(zhuǎn)換。低熔點鉍基合金具有良好的可注射性、機械性能、液固相轉(zhuǎn)變和生物相容性，同時骨親和性也較強，可作為骨修復的植入材料。
圖11 鉍基合金
3.3 磁致伸縮鐵鎵合金
圖12制備了用于生物可降解植入的磁致伸縮塊狀Fe-Ga合金，分析了不同掃描路徑對晶粒取向和磁致伸縮特性的影響。合金粉末的微觀結(jié)構(gòu)顯示：大部分顆粒呈球形。在研究不同掃描路徑對合金機械性能影響時，單向掃描、之字形掃描和環(huán)形掃描的合金均未觀察到明顯的屈服點。對合金細胞相容性進行研究，結(jié)果也顯示：細胞在人字形掃描合金上培養(yǎng)6小時后，擴散并附著在Fe-Ga合金表面，具有良好附著力。12小時后，細胞在合金上進一步生長和增殖。未來Fe-Ga合金在生物醫(yī)學領(lǐng)域?qū)⒂懈鄳谩?/span>
圖12 鐵鎵合金
四、總結(jié)與展望
合金材料的穩(wěn)定性和多功能性是骨修復材料的基礎。盡管現(xiàn)有困難和挑戰(zhàn)仍未解決，但合金材料和制造技術(shù)的快速發(fā)展，骨缺損修復金屬材料具有光明未來和臨床應用前景。未來，將有越來越多合金材料進一步被探索并應用于骨修復領(lǐng)域，作為骨修復植入物應用于臨床。
文章來源：https://doi.org/10.1002/adhm.202302132
