革命性醫(yī)用金屬材料——鎂合金
革命性醫(yī)用金屬材料——鎂合金
? ? 今年4月18日，上海市政府將上海市科技功臣獎(jiǎng)?lì)C給了中國(guó)工程院院士、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授丁文江，以表彰他在鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域作出的巨大貢獻(xiàn)。
? ? 說起鎂合金材料，左鐵鏞院士和丁文江院士去年在《2015年新材料發(fā)展趨勢(shì)高層論壇》上的一番話能很好的詮釋鎂合金材料的未來。
? ? 丁文江院士說：“鎂材料主要有三大用途：第一，輕量化應(yīng)用。鎂材料應(yīng)用到汽車、飛機(jī)、船舶中，不僅可以提高自身強(qiáng)度，還可減輕自身重量，也就極大地減少了能量消耗。第二，鎂材料主要是功能材料。鎂材料的主要應(yīng)用在無人機(jī)上，現(xiàn)在無人機(jī)發(fā)展的最大制約就是續(xù)航能力，而鎂材料的儲(chǔ)氫能力很強(qiáng)，用儲(chǔ)氫鎂材料做成無人機(jī)的電池，能極大地提高其續(xù)航能力。第三，鎂材料是很好的醫(yī)用材料。鎂元素是人體所需的元素，而作為人體支架的鎂材料植入人體后，可以在保證人體機(jī)能的情況下，自動(dòng)溶解，不需要取出，也不會(huì)對(duì)人體造成二次傷害?！?/p>
? ? 左鐵鏞院士說：“就鎂材料來說，近20年來，我國(guó)的鎂材料已取得了三個(gè)“第一”的好成績(jī)，分別是鎂產(chǎn)量第一，鎂儲(chǔ)量第一和鎂出口量第一。現(xiàn)在我國(guó)在上海交通大學(xué)和重慶大學(xué)分別建立了鎂材料研究中心，在山西、陜西等省份形成產(chǎn)業(yè)一體化的布局，大大促進(jìn)了我國(guó)鎂合金的研究應(yīng)用。目前，鎂金屬與鋁金屬相比，價(jià)格只高出20%，相較之前有大幅度降低，這也能極大地促進(jìn)鎂合金的研究發(fā)展和應(yīng)用?！?/p>
? ? 從2000年7月師昌緒、左鐵鏞等五位院士聯(lián)名起草“加速我國(guó)金屬鎂工業(yè)發(fā)展的建議”提出至今，16年來鎂工業(yè)的大力推進(jìn)和發(fā)展，鎂合金已經(jīng)在汽車輕量化和功能材料方面得到了廣泛的應(yīng)用，并且，鎂合金作為醫(yī)用材料也得到了很大的發(fā)展。據(jù)報(bào)道稱，鎂合金骨釘正在經(jīng)歷醫(yī)學(xué)倫理評(píng)價(jià)，之后很快就能應(yīng)用到人體內(nèi)，促進(jìn)更好的斷骨愈合。
? ? 鎂作為醫(yī)用材料最早被媒體報(bào)道于1878年，Edward將純鎂線材做成結(jié)扎線結(jié)扎血管止血；1900年，Pary提出可以用純鎂做接骨材料；Lambottle于1907年將鎂作為接骨板下肢骨折。早期的臨床應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，鎂具有生物安全性，且能促進(jìn)骨組織愈合，但是鎂在體內(nèi)降解太快，達(dá)不到骨折愈合要求。由于當(dāng)時(shí)冶金技術(shù)水平低，生產(chǎn)工藝限制，鎂及鎂合金的力學(xué)性能及耐腐蝕性無法滿足實(shí)際需求而被力學(xué)性能及體內(nèi)穩(wěn)定性更好的不銹鋼材料所替代。因此，當(dāng)時(shí)的鎂及鎂合金在醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域的研究也基本處于停止?fàn)顟B(tài)。
? ? 近年來，隨著冶金技術(shù)的突破，鑄造工藝的改進(jìn)，一方面鎂的純度得到很大的提高，另一方面添加鋅、鈣、錳、鋁、稀土等元素形成的鎂合金，顯著提高了鎂及鎂合金的耐腐蝕性能及力學(xué)性能，從而使其作為可降解醫(yī)用材料再次受到關(guān)注，成為國(guó)內(nèi)外生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。
? ? 近年來，國(guó)內(nèi)外掀起了可降解醫(yī)用鎂合金的研究熱潮。歐盟在2007年啟動(dòng)了一項(xiàng)經(jīng)費(fèi)為3000萬歐元、為期五年的聯(lián)合研究項(xiàng)目“Mg-based degradable biomaterials”，目前已將鎂合金支架和骨內(nèi)植物分別應(yīng)用于人體臨床試驗(yàn)。美國(guó)NSF2008年批復(fù)建立“革命性醫(yī)用金屬材料”國(guó)家工程研究中心（ERC-RMB），投資4000萬美金用于可降解鎂合金為主的新型醫(yī)用金屬材料及植入器件研究。德國(guó)Biotronic公司、美國(guó)J&J(強(qiáng)生)、Boston等跨國(guó)公司也瞄準(zhǔn)了市場(chǎng)需求，開展了相關(guān)研發(fā)工作。
? ? 在醫(yī)用鎂合金材料研發(fā)方面，國(guó)內(nèi)外研究人員主要集中在對(duì)現(xiàn)有商用鎂合金如Mg-Al系，Mg-RE系和Mg-Zn系等進(jìn)行生物醫(yī)學(xué)評(píng)價(jià)，包括歐洲已經(jīng)進(jìn)入人體臨床研究的細(xì)血管支架也都是采用商用稀土鎂合金WE43制成。
? ? 在骨科醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,固定骨折骨骼的輔助材料,一般為不銹鋼或鈦合金,而鎂合金植入物材料有希望替代傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)中的不銹鋼接骨板、骨釘?shù)裙枪潭ú牧?，潛力巨大。鎂合金作為一種新型醫(yī)用植入物，因其在體內(nèi)服役完畢后可以在人體內(nèi)降解吸收，不僅免去了病人二次開刀的心理和生理痛苦，還大大降低病人的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，被稱為“革命性金屬生物材料”。
? ? 目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)完成的大量研究和相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)，為可降解鎂合金的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。美國(guó)、德國(guó)在生物醫(yī)藥、生物材料工程領(lǐng)域均擁有專門的研究中心，投入了大量的人力和財(cái)力。2015年10月，美國(guó)匹斯堡大學(xué)運(yùn)用3D打印技術(shù)制造的骨釘、支架能幫助斷骨愈合后完全被人體“溶解吸收”，這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用將完全避免術(shù)后拆除的二次傷害。與此同時(shí)，我國(guó)的重慶盛鎂鎂業(yè)有限公司也推進(jìn)了類似的項(xiàng)目，并且他們的這個(gè)項(xiàng)目也完成了動(dòng)物和人體試驗(yàn)，正在著手該技術(shù)的臨床應(yīng)用。同年12月5日，宜安科技聯(lián)合20余家醫(yī)療和科研機(jī)構(gòu)，組建可降解鎂植入物臨床轉(zhuǎn)化創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，開展可降解鎂骨內(nèi)固定螺釘產(chǎn)品臨床試驗(yàn)及應(yīng)用，同時(shí)面向所有可降解鎂及其合金植入物的臨床轉(zhuǎn)化，促進(jìn)可降解鎂植入物在醫(yī)療器械領(lǐng)域臨床轉(zhuǎn)化進(jìn)程。據(jù)悉，2015年12月7日，宜安科技根據(jù)醫(yī)療器械臨床試驗(yàn)方案審批指導(dǎo)文件，向國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局審評(píng)中心提交了申請(qǐng)可降解鎂骨內(nèi)固定螺釘臨床試驗(yàn)審批資料。
? ? 在肝膽外科領(lǐng)域，鎂合金為肝膽外科手術(shù)帶來了一次前所未有的創(chuàng)新，尤其是膽道的良性疾病。例如無結(jié)石殘留的膽道探查術(shù)后放入可吸收鎂合金支架并行膽道一期縫合，它不僅替換了T管起到早期膽道的支撐作用，減少了長(zhǎng)期留置T管的麻煩和拔T管時(shí)引起膽漏的可能性，以及膽汁丟失引起的水電解質(zhì)紊亂。而且較鈦合金等材料內(nèi)支架而言，它具有更優(yōu)良的生物相容性和降解后無毒副作用，可減少局部嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)及膽汁壁的破壞，多余的鎂離子隨尿液排出，不會(huì)產(chǎn)生高鎂血癥，數(shù)月后膽管愈合后支架已經(jīng)降解幾盡，殘?jiān)S膽汁排入腸道，無需再次手術(shù)取出內(nèi)支架，減少膽漏發(fā)生的幾率。
? ? 在心血管支架領(lǐng)域，早在2009年，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所和中國(guó)醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院合作研制出“可降解鎂合金心血管支架”，經(jīng)植入動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種鎂合金支架隨著血管結(jié)構(gòu)重塑的完成，可通過緩慢有序降解無毒害作用的方式，在體內(nèi)完全降解。從而避免了目前臨床使用的不銹鋼支架和合金支架因需二次手術(shù)或長(zhǎng)期存留于血管壁內(nèi)而導(dǎo)致的內(nèi)膜增生及再狹窄發(fā)生。這對(duì)有意外事故導(dǎo)致傷殘及先天性心血管疾病的嬰兒、青少年等具有非常重要的治療意義。德國(guó)科學(xué)家Zartner P等為一患有先天性心臟病早產(chǎn)嬰兒左肺動(dòng)脈植入AMS（可降解Mg合金支架），術(shù)后支架緩慢降解，左肺保持良好的灌注功能，未見嬰兒有不良反應(yīng)。隨后Biotronik 公司進(jìn)行了AMS臨床試驗(yàn)來評(píng)估它的功效和安全，將71個(gè)支架植入到63名病人體中，發(fā)現(xiàn)可降解鎂合金支架與其他金屬支架一樣可以立即實(shí)現(xiàn)血管造影術(shù)，并且在4個(gè)月后安全降解，在此過程中沒有發(fā)現(xiàn)心肌梗塞，亞急性或晚期血栓形成或死亡產(chǎn)生。因此，鎂合金支架有望取代高分子支架，治療患者血管狹窄問題。
? ? 隨著對(duì)鎂及鎂合金研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)了許多鎂的新用途。如廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院的張宇等發(fā)現(xiàn)，純鎂降解產(chǎn)生的堿性環(huán)境對(duì)U2-OS 骨肉瘤細(xì)胞有較強(qiáng)的毒性作用，因此鎂合金有可能應(yīng)用于癌癥的治療領(lǐng)域。中科院金屬所的朱林等探索了由于鎂降解的堿性環(huán)境對(duì)牙根管治療而防治牙髓炎的作用。金屬所劉晨等對(duì)鎂合金作為骨填充材料進(jìn)行了初步的研究，發(fā)現(xiàn)鎂合金具有適宜的力學(xué)性能、良好的細(xì)胞相容性和殺菌作用。此外，由于高分子縫合線的質(zhì)量不穩(wěn)定問題，基于鎂合金在體內(nèi)的應(yīng)用的鎂合金縫合線也提上了研究日程。由于我國(guó)可吸收縫合線多數(shù)依靠進(jìn)口，因此加強(qiáng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的醫(yī)用鎂合金縫合線的開發(fā)也顯得格外重要。
? ? 鎂及鎂合金具有適于人體的綜合力學(xué)性能、良好的生物相容性以及可降解吸收等特點(diǎn)，作為一類新型醫(yī)用植入材料具有巨大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。但是鎂及鎂合金降解過快而引起的一系列問題，以及進(jìn)一步提高生物相容性等仍然是亟待解決的問題。把鎂合金植入材料應(yīng)用于人體還需一個(gè)長(zhǎng)期過程。隨著可降解醫(yī)用生物材料研究的不斷深入，材料性能的不斷完善，未來有望在臨床上取代一些傳統(tǒng)的生物醫(yī)用材料。