郑玉峰，杨宏韬

（北京大学工学院材料科学与工程系，北京100871）

可降解金属[1]，是指能够在体内逐渐被体液腐蚀降解的一类医用金属，它们所释放的腐蚀产物给机体带来恰当的宿主反应，当协助机体完成组织修复使命之后将全部被人体吸收利用，不残留任何植入物.

基于腐蚀科学和金属毒理学等基础理论，作者提出适于可降解金属的生物降解性（biodegradability）和生物相容性（biocompatibility）双判据[2]，据此对元素周期表中的所有金属元素进行了筛选（如图1），初步确定出适合作为可降解金属的金属元素为Ca、K、Na、Mg、Fe、Zn、Rb、Sr、Sn、Ba、Mn、Li、Cs、Mo、Y、Sc、RE和W.这些筛选出元素在人体中存在的总重量在克量级的是Ca、K、Na、Mg、Fe和Zn，但Ca、K和Na比较活泼在空气环境下很容易氧化，因此基体元素只有Mg、Fe和Zn三种.其余的金属元素Rb、Sr、Sn、Ba、Mn、Li、Cs、Mo、Y、Sc、RE和W，建议作为合金化元素使用，且在人体中含量越低，应该越慎用，且降低用量.

图1利用生物降解性和生物相容性双判据对元素周期表中的金属元素是否能作为可降解金属进行筛选[2]Fig.1 Element screening for metallic elements in the periodic table by biodegradability and biocompatibility criteria[2]

镁及镁合金是已被广泛研究的代表性可降解金属，过去十余年有关医用镁合金的基础研究工作全球范围内已经发表超过两千篇的文章，人们对可降解镁合金与机体的力学、化学和生物学相互作用机制有了较深入的认识，同时该类材料从实验室的基础科学问题研究阶段进入到了企业的创新医疗器械产品研发阶段.2013年德国Syntellix AG公司的MAGNEZIXR压缩骨钉获得CE批准上市，材质为WE43镁合金.2014年韩国U&I公司的Mg-Zn-Ca合金骨钉产品获准上市.2016年，德国BIOTRONIK公司的WE43镁合金药物洗脱支架Magmaris获CE批准上市.2014年东莞宜安科技股份有限公司申请的“可降解镁骨内固定螺钉”产品通过国家食品药品监督管理总局（CFDA）医疗器械技术审评中心的创新医疗器械特别审批申请审查.2018年苏州奥芮济医疗科技有限公司的“可降解镁金属夹”通过CFDA医疗器械技术审评中心的创新医疗器械特别审批申请审查.医用镁合金研发获得初步成功的同时，也暴露出“降解速度过快，力学支撑丧失过早，植入物周围容易形成氢气气泡”等不足.与此同时，锌基可降解金属被多国学者初步证实是可降解金属未来发展的新方向，下文将重点评述锌基可降解金属的研究进展.

1 锌元素能作为可降解金属的根由

从医学角度来看，锌是人体内最丰富的微量营养元素之一，人体内85%的锌存在于肌肉和骨骼，11%存在于皮肤和肝脏，剩余的锌存在于组织各处.人体内血清和尿液中正常锌含量（24 h）分别是800±200μg/dL和109～130μg/dL[3].对于人体来说，每日的锌摄入量约为15 mg/d.锌对于众多大分子的结构和超过300多种酶促反应起到关键的作用.许多蛋白质的亚结构与DNA或者其他蛋白质反应时需依附于锌指结构提供的支架平台来进行.锌离子在体内主要以与蛋白质和核酸的复合物形式存在并参与各种中间代谢，传递以及调控基因信息的表达、储存和合成，同时还起到稳定染色质和生物膜结构的作用[4].在骨环境中，成骨细胞内的锌通过激活tRNA合成酶和刺激基因表达来促进蛋白质的合成，同时也增加细胞内DNA数量，从而促进成骨细胞新骨生成和矿化.同时，锌通过调控钙离子信号通路，促进破骨细胞的的凋亡.锌通过促成骨和抑制骨吸收最终使骨质量增加，与其他微量元素相比，锌在骨的新陈代谢中的毒性最小[5].在心血管环境中，通过补充锌能够保护心肌细胞不受急性氧化还原应激损伤，同时预防心肌损伤引发的炎症反应[6].

从材料学的角度来说：纯锌作为可降解金属，强度低（UTS＜50MPa），塑性差（Elongation＜1%）[7]，且纯锌再结晶温度低，在室温会产生蠕变现象，其机械性能较纯镁还差.但锌的标准电极电位为-0.763 V（v.s.SHE），介于镁-2.37 V（v.s.SHE）和铁-0.44 V（v.s.SHE）之间，具有比镁和铁更适宜的降解速度.工程用锌合金常加的合金元素有铝、铜、镁、镉、铅、钛等.按制造工艺可分为铸造锌合金、变形锌合金和热镀锌合金.工程用锌合金体系中，主要的合金化元素Al对人体存在潜在的危害，会引起骨质疏松和精神紊乱等病症[8]，Pb是对人体危害极大的有毒重金属.

综上所述，元素锌作为可降解金属，从金属毒理学来说是可以接受的，只是纯锌和工程用锌合金不是可以直接拿来生物医用的材料，人们需要做的是以锌为基体，优化设计出兼具“综合力学性能高、降解速度和降解模式与植入部位处组织修复重建的生理过程匹配、生物相容性好”三位一体的新型生物医用锌基可降解金属.

2 锌基可降解金属和镁基可降解金属研究思路上的不同

图2给出锌基可降解金属和镁基可降解金属研究思路上三个方面的显著不同.

1）材料与机体之间的化学相互作用机制

镁和锌在体液环境中的阳极反应都是金属的溶解，但是对于阴极反应，镁主要是析氢反应，而锌以氧还原反应为主.这就导致了材料降解时气体产生情况的不同.镁及镁合金在体内外降解时一般会产生氢气，少量的氢气可以随着植入时间延长自行消失，但是过多的氢气会干扰骨整合与骨重建，甚至引起骨溶解等问题.而锌及锌合金在体内外的降解过程中并未观察到气体的产生.在可能形成的固体降解产物方面，镁及镁合金在降解初期会产生Mg（OH）2（Ksp=8.9×10-12）、MgO（Ksp=2.37×10-8）、MgCO3（Ksp=1×10-15），它们最后原位转换成大量非晶的钙磷盐.而锌及锌合金的降解产物包括ZnO（Ksp=2.5×10-17）、ZnCO3（Ksp=2×10-10）、Zn3（PO4）2（Ksp=9×10-33）以及少量的钙磷盐组成.主要产物Mg（OH）2与ZnO的溶度积常数Ksp高了5个数量级，更重要的是Mg（OH）2在中性体液环境中不具有热力学稳定性，而ZnO恰恰相反，在pH值介于8～13之间的体液环境均具有热力学稳定性.因此，镁及镁合金的腐蚀产物在体液环境中鲜有保护性，而锌及锌合金则相反.镁及镁合金的腐蚀模式以局部腐蚀和点蚀为主，而锌及锌合金在腐蚀初期以均匀腐蚀为主，随时间延长，逐渐转换为局部腐蚀.

图2锌基可降解金属和镁基可降解金属研究思路上的不同Fig.2 Difference in the research work on Zinc-based biodegradable metals and Mg-based biodegradable metals

2）材料与机体之间的力学相交互作用机制

锌的熔点较镁低，仅为419.5℃，低熔点的特性赋予了锌一些独特的力学行为.①再结晶温度低：纯锌的再结晶温度为36℃，当锌及锌合金在体温下（～37℃）服役时受力，有可能直接发生回复和再结晶，从而导致加工硬化部分或完全丧失，使材料的强度降低；②室温蠕变：相对于镁，锌有更加显著的室温蠕变效应.在工业锌合金体系如Zn-Cu、Zn-Cu-Ti、Zn-Al-Cu中也观察到室温蠕变行为；③自然时效：锌及锌合金在室温存放或服役过程中会产生相变，从而导致材料的力学性能和尺寸发生改变.

3）材料与机体之间的生物学相互作用机制

在生物学相互作用方面，镁离子可以刺激骨膜中的感觉神经末梢端释放更多的降钙素基因相关肽CGRP，CGRP的增多可以进一步促进骨膜内干细胞的成骨分化.对于锌而言，成骨细胞内的锌通过激活tRNA合成酶和刺激基因表达来促进蛋白质的合成，同时也增加细胞内DNA数量，从而促进成骨细胞新骨生成和矿化.同时，锌通过调控钙离子信号通路，促进破骨细胞的凋亡.锌通过促成骨和抑制骨吸收最终使骨质量增加.因此，镁和锌在骨环境中都扮演着重要的角色，但是它们对于相关细胞的有效浓度却有很大的差异.对于成骨细胞，纯Mg浸提液中的Mg离子浓度高达175μg/mL时也不会对细胞产生毒性作用.相比之下，纯Zn浸提液中的Zn离子浓度仅为16μg/ml时，就能对细胞产生显著的毒性作用.但是当Zn离子浓度低于12μg/mL时却可以显著促进细胞的增殖.此外，对于内皮细胞和平滑肌细胞也有类似的现象.MgCl2和ZnCl2溶液对于内皮细胞的EC50值分别为66.7 mM和0.13 mM（10 mM的Mg离子能够促进平滑肌细胞的增殖、迁移、粘附；40～60 mM的Mg离子的作用相反.而Zn离子对平滑肌细胞的促进浓度为0.08 mM；抑制浓度为0.08～0.12 mM.因此，Zn离子对于不同细胞的安全阈值要比Mg离子低100～500倍.所以如何调控Zn离子的释放从而保证材料的生物安全性是一个至关重要的科学问题.

3 纯锌作为可降解金属的研究进展

2013年，密歇根理工大学Drelich教授团队将纯锌丝植入大鼠腹主动脉壁内，研究发现纯锌的腐蚀产物主要由致密的氧化锌和碳酸锌组成.组织学分析发现纯锌丝周围新生内膜厚度较薄，细胞密度较低，材料降解的同时伴随着组织修复[9-10].在20个月的研究中，虽然腐蚀产物不断增厚，同时可以观察到致密的纤维组织包裹，但是纯锌丝降解速度稳定（25±10μm/yr），未发现严重的局部毒性[11].2017年，本文作者团队报导了纯锌血管支架植入日本大耳兔腹主动脉为期1年的体内实验研究结果[12]，如图3所示.研究表明：纯锌支架在体内能够维持至少6个月的力学完整性，12个月时降解41.75%的支架体积.纯锌支架植入早期，在血液环境中，传质以对流为主.这个阶段支架腐蚀较为均匀，降解速度相对较快，降解产物以磷酸锌为主.内皮化后，在新生内膜中，传质以扩散为主.这个阶段支架转变为局部腐蚀，降解速度减慢，腐蚀产物内层为ZnO，外层为钙磷盐.植入1个月时，纯锌支架表面即可观察到内皮化.内皮细胞形态健康，随植入时间延长，内皮层逐渐变得完整而致密.平滑肌细胞无过度增生，新生内膜可以正常分泌胶原和弹力纤维.炎症反应轻微，且随时间减轻.12个月时，血管支架段管腔通畅，无狭窄发生.纯锌支架植入期间，无支架内血栓形成.

此外在骨植入物领域，人们通过气压渗透法和激光选区熔化技术也成功地制备出了多孔锌骨支架[13，14].

图3纯锌支架随血管生理修复过程的降解机制示意图Fig.3 Schematic diagrams showing the evolution of degradation mechanism of zinc stent associated with the conversion of degradation microenvironments during healing process

4 锌合金作为可降解金属的研究进展

可降解锌合金研究刚刚起步，处于最初的“炒菜式”合金化设计阶段，情形与十几年前可降解镁合金的研究起步阶段完全类似.除超过十篇文章是关于在锌中加入合金化元素Mg外，其他的文章多为将某一个元素加入锌制成二元合金的零星报导（分别涉及Ca、Sr、Li、Cu、Ag、Mn、Al、Zr、Fe、Ge元素，每种元素有1-3篇文章报导），三元及四元以上的锌合金体系还缺乏研究.

Zn-Mg合金是目前研究最多的一种锌合金体系.Mg的加入能够细化晶粒，且生成的金属间化合物Mg2Zn11能够显著的强化基体.加入1wt.%的镁具有最优的综合力学性能[15].体外细胞实验表明，Zn-Mg合金对成纤维细胞和人类成骨细胞具有良好的细胞相容性[16，17].在大鼠腹主动脉中，Zn-0.08Mg合金相比纯锌炎症反应加重，新生内膜增厚[18].在兔股骨干中，Zn-0.05Mg合金周围有新骨生成[19].Zn-Ca和Zn-Sr合金的体内研究显示，Ca和Sr的加入能够促进植入物周围新骨的生成[20].Li是目前对锌基体强化作用最显著的合金元素.目前报道的Zn-Li合金抗拉强度可达560 MPa[21].Zn-0.1Li合金在大鼠腹主动脉生物相容性良好.12月时的降解速度为0.045 mm/a[22].Cu和Ag在锌中的固溶度较高，能显著强化锌基体，同时具备一定的抗菌效果[23，24].Zn-Mn合金的延伸率相比纯锌显著提高（71%）[25].

基于微合金化的原则，作者团队选取合适的成分点，将Mg、Ca、Sr、Fe、Ag、Cu、Li和Mn八种对骨环境有益的合金元素加入到锌中，采用相同的熔炼和挤压工艺，制备出多种配比的二元模型锌合金，在统一的实验条件下系统地研究了这些二元模型锌合金的显微组织、力学性能、体外腐蚀行为、细胞相容性、血液相容性和骨植入在体表现[26].结果表明：（1）添加Li、Mg、Cu、Ag和Mn能够显著提高锌的强度和硬度.其中，Li和Mg的强化效果最为显著，但同时也使材料的延伸率显著降低.Cu、Ag和Mn的强化效果次之，但是不影响锌的塑性.其中，Zn-0.8Mn和Zn-1Ag的延伸率还得到了显著的提升.（2）添加合金元素总体上加速了纯锌的腐蚀.其中，Fe、Ag和Cu加速腐蚀的作用最为显著，其次是Li、Sr、Ca和Mg.（3）材料的100%浸提液中，Zn-Mg和Zn-Li系合金组能够显著促进MC3T3-E1细胞的增殖，其余材料均有显著的细胞毒性.稀释一倍后，所有材料均显示出良好的细胞相容性.（4）体内实验显示，纯锌、Zn-2Ag、Zn-0.5Cu和Zn-0.1Fe合金的腐蚀模式为局部腐蚀，其余锌合金植入物的腐蚀相对均匀.其中，Zn-2Ag的降解速度显著加快，其次是Zn-0.5Cu、Zn-0.4Li和Zn-0.1Fe.（5）纯锌和二元锌合金的体内腐蚀产物主要有三种类型.一种产物主要由C、O和Zn组成，占腐蚀产物的绝大部分.第二种产物由C、O、Zn、P和Ca组成，主要分布在腐蚀产物层的外侧靠近新骨部分.第三种产物的成分与新骨的无机成分相似.三种产物的Ca/P比依次升高.此外，植入物周围新生骨组织的成分也有两种类型，一种含有较高含量的Zn（5.6-15.7 at.%），Ca/P为1.09.另一种的Zn含量较低（0.4-2.4 at.%），Ca/P比为1.37.（6）体内实验结果显示，8周时相比纯锌，除Zn-0.4Fe外，其余二元锌合金均具有更好的成骨能力，其中Zn-0.8Mg、Zn-0.8Ca和Zn0.1Sr合金的效果最佳.骨整合方面，纯锌植入物周围骨整合区域较少，Zn-0.1Sr、Zn-2Ag、Zn-0.8Ca、Zn-0.4Li和Zn-0.8Mg合金植入物周围有更多的骨整合区域，其中Zn-0.1Sr和Zn-2Ag合金的骨整合能力最佳.综上所述，对于可降解锌合金在骨科植入物中的应用，Zn-Li、Zn-Mg、Zn-Ca和Zn-Sr系合金具有优异的综合性能，未来骨植入物用可降解锌合金可以基于这些体系进行进一步的研究和优化.例如作者团队所研发的Zn-Li-Mg合金的力学强度大于600 MPa，已经高于纯钛和316L不锈钢，如图4所示[26]，有望用于承力部位的骨修复治疗.

图4骨科植入用可降解和不可降解材料的力学性能对比，及其医学应用领域对比[26]Fig.4 Mechanical properties of biodegradable and non-biodegradable materials for orthopedic devices and their clinical applications[26]

5 锌基复合材料作为可降解金属的研究进展

作者团队采用复合的方式，通过控制加入第二相的种类和含量来调控纯锌的腐蚀行为、改善生物相容性并提高力学性能.例如（1）采用放电等离子烧结的方法制备出Zn-Mg复合材料，其压缩强度相比纯Zn显著提高，但是塑性随Mg含量增大而降低.Mg的加入能够形成富Mg相，XRD结果显示，在Zn-Mg复合材料中出现了MgZn2和Mg2Zn11两种新相.富Mg相与Zn基体构成腐蚀原电池，加速Zn-Mg复合材料在体内外的降解速度.由于Mg作为阳极优先腐蚀，能够抑制Zn2+的释放，降低Zn2+的浓度，显著改善了纯Zn的细胞相容性.体内实验中，Zn-Mg复合材料的骨整合能力相比纯Zn得到了显著改善[27].（2）将羟基磷灰石粉末（HA）加入到纯锌粉末中进行烧结，Zn-HA复合材料在体内外的降解速度加快.相比纯锌，Zn-HA复合材料的细胞相容性得到显著改善，植入大鼠股骨髁观察到明显的促成骨作用[28].

6 结论

现有研究还处于对锌基可降解金属的初期探索阶段，未来应围绕锌基可降解金属与机体相互作用中最为关键的三个科学问题：化学交互作用、生物学交互作用和力学交互作用，设计制备新型锌基可降解金属体系，调控其显微组织与微结构，考察其腐蚀降解行为和离子溶出过程，对其生物相容性与生物安全性做体外和动物体内综合评价，揭示其在各种组织（骨、血管、腔道）环境下的力学性能退化规律，并进一步从细胞和动物水平探明其降解产物与机体间的化学与生物学交互作用机制，研究降解产物在体内的转运与代谢机制，实现针对具体植入部位的“可控降解”，建立起最佳锌基可降解金属成分和加工工艺与其体内降解行为之间的对应关系，使得在机体完成组织修复的过程中锌基可降解金属的降解行为在时间、空间、生物功能上与之完美匹配，为发展医用可降解金属材料及其降解调控方法提供新思路，丰富可降解金属的相关基础理论.

对于锌基可降解金属在血液环境中的应用，从基础科研角度，需要进一步阐释的问题是锌基可降解金属在血液环中从材料降解为产物再到被细胞和组织代谢吸收的完整过程.这个过程既包括材料与机体之间的化学相互作用即锌在血液环境中的腐蚀（血流、氧浓度、pH和细胞等），又包括材料与机体之间的生物学相互作用即降解产物被细胞和组织代谢吸收.从临床应用的角度，纯锌的力学性能不满足血管支架的要求，需要进一步通过合金化设计和优化的加工工艺来达到以下性能要求：（1）尽可能高的弹性模量，使得支架的急性回弹＜4%；（2）屈服强度（YS）：200～300 MPa，抗拉强度（UTS）＞300 MPa且尽可能的高从而获得尽量薄的支架壁厚（＜80～100μm）；（3）有较大的加工硬化率使得球囊扩张时可以提升强度；（4）在服役期间足够的疲劳强度；（5）足够的塑性来满足支架加工和球囊扩张变形，通常延伸率＞20%～30%；（6）尽量提高支架材料的组织均匀性以保证支架的降解均匀性，从而避免早期失效.此外，兔腹主动脉模型与人体的心脏系统存在较大的生理差异.所以，未来可以采用性能优异的锌基可降解金属制备支架植入猪的冠状动脉，进一步验证锌基可降解金属支架在体内的安全性和有效性.

对于锌基可降解金属在骨环境中的应用，从基础科研角度，需要进一步阐述的是锌基可降解金属在骨环境中从材料到产物再到被细胞利用用于骨修复的完整过程，这个过程既包括材料与机体之间的化学相互作用即锌在骨环境中的腐蚀（应力、氧浓度、pH和细胞等），又包括材料与机体之间的生物学相互作用即降解产物被细胞和组织代谢吸收或者重新利用用于成骨.对于临床应用，需要研究的问题包括：锌及锌合金的弹性模量较高（94～110 GPa），锌合金骨植入物是否会存在应力遮挡效应和如何进一步降低弹性模量；锌合金骨植入物在体内的降解速度相对于目前科研界的标准来说偏慢，需要进一步调控降解，适宜的降解速度需要通过进一步的体内和临床实验来论证；出于生物安全性考虑，对于锌基骨植入物的设计需要保证材料的降解产物浓度不超过植入部位的安全浓度范围；设计加工时应尽量提高材料的组织均匀性以保证植入物的降解均匀性，从而避免早期失效和局部毒性；通过大动物模型验证锌合金是否满足承力部位骨植入物要求；进一步优化Zn-Li、Zn-Mg、Zn-Ca和Zn-Sr系合金用于承力部位的可降解骨植入物应用.此外，由于锌及锌合金的熔点较低，存在蠕变抗力较低，容易发生自然时效和再结晶的问题，可能会影响锌基可降解金属未来的临床使用，因此也需要进一步的研究.