鋅合金由于其適宜的腐蝕速率、良好的力學(xué)性能,成為繼鎂合金與鐵合金后的一種新型的可降解生物醫(yī)用金屬材料。近年來,研究者對鋅合金的設(shè)計、加工制備以及降解機(jī)理進(jìn)行了大量研究,但對其體內(nèi)外生物相容性的研究尚不充分,僅評估了體外細(xì)胞毒性、溶血、凝血,少數(shù)材料植入動物體內(nèi)進(jìn)行了組織相容性的表征。然而生物相容性涉及細(xì)胞、組織、血液、免疫等復(fù)雜的局部反應(yīng)和全身反應(yīng),除了材料本身的物理化學(xué)性質(zhì),還受到材料與機(jī)體相互作用的影響。本文分析了可降解醫(yī)用鋅合金的化學(xué)成分和物相組成,闡明了對其進(jìn)行生物學(xué)評價的方法,并結(jié)合鋅合金生物相容性研究現(xiàn)狀,闡述未來的研究方向。
關(guān)鍵詞:
不銹鋼、鈦合金和鈷鉻合金等醫(yī)用金屬材料因其優(yōu)越的力學(xué)性能、界面穩(wěn)定性和良好的生物相容性,廣泛應(yīng)用于骨科及血管介入等植入性醫(yī)療器械[1,2]。然而,除了人工關(guān)節(jié)、脊柱內(nèi)固定植入物等人體承重部位的器械需要提供永久支撐外,大多數(shù)時候人體對于植入物提供的支撐、固定等功能的需求只是暫時的。植入物長期存留體內(nèi)還會帶來不可預(yù)期的負(fù)面影響,例如骨折的病人再次骨折的風(fēng)險增加1.4~2.5倍,其中重要的因素就是骨折內(nèi)固定用的不銹鋼板和螺釘與人體骨因彈性模量的巨大差異造成應(yīng)力遮擋而引起骨質(zhì)流失[3,4];約10%的患者支架術(shù)后存在內(nèi)皮愈合不良或功能障礙導(dǎo)致的血管再狹窄和血栓,其原因即永久存在的支架平臺對血管的持續(xù)刺激[5,6]。此外,永久支架相當(dāng)于給血管套了“金屬夾克(metal jacket)”,使血管舒張受限,特別是禁錮嬰兒或兒童正在生長的血管[7,8]。鋅合金是和鎂合金、鐵合金共同受到關(guān)注的一類可降解金屬。由于其腐蝕速率介于鎂合金與鐵合金之間,具有較為理想的降解行為,成為近年來的研究熱點(diǎn)[9,10]。Mg、Fe、Zn的性質(zhì)見表1[11~15]。近年來,研究者對鋅合金的設(shè)計、加工制備以及降解機(jī)理進(jìn)行了大量的研究,但對其體內(nèi)外生物相容性的研究尚不充分,僅評估了體外細(xì)胞毒性、溶血、凝血,只有少數(shù)材料植入動物體內(nèi)進(jìn)行了組織相容性的表征。然而鋅合金器械在植入體內(nèi)后,會引起一系列復(fù)雜的機(jī)體反應(yīng),同時機(jī)體生理活動中的力學(xué)運(yùn)動、生物化學(xué)作用和生物電、磁場等作用會以各種形式影響其力學(xué)性能和降解行為,隨著材料的降解和力學(xué)性能的丟失,可能對機(jī)體的組織或器官產(chǎn)生復(fù)雜而長期的影響。因此系統(tǒng)、全面的生物相容性評價關(guān)系著鋅合金器械臨床應(yīng)用的安全性和有效性。
Table 1
1醫(yī)用鋅合金材料化學(xué)成分和物相組成分析
影響醫(yī)療器械生物相容性表現(xiàn)的最關(guān)鍵因素是用于制造器械的原材料的化學(xué)性質(zhì),在進(jìn)行生物學(xué)試驗(yàn)之前鑒別材料化學(xué)成分并考慮其毒理學(xué)影響是非常重要的[16]。醫(yī)用鋅合金一般由高純Zn粉(> 99.99%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))加一定比例的高純無毒合金化元素熔煉成鋅合金鑄錠,經(jīng)過塑性加工和熱處理制成棒材、線材、板材等產(chǎn)品,再經(jīng)過深加工變成多種植入器件[17~20]。在加工過程中,雖然有塑性加工冷卻劑、軋制油等附著在表面,但經(jīng)過清洗和表面打磨后,通常沒有殘留。
由于合金元素含量一般比較低,Zn(OH)2、ZnO、Zn3(PO4)2和ZnCO3是降解過程中的主要產(chǎn)物[21,22]。表2列出了鋅合金主要降解產(chǎn)物的物理化學(xué)和毒理學(xué)性質(zhì)。Zn(OH)2是鋅合金降解的中間產(chǎn)物,常與ZnCO3共價結(jié)合ZnCO3·3Zn(OH)2。ZnO微溶于水,具有收斂性和抗菌能力,也是常用的營養(yǎng)增補(bǔ)劑。ZnCO3·3Zn(OH)2不溶于水,也無毒。相對于ZnO和Zn(OH)2,Zn3(PO4)2可溶于水,更容易被機(jī)體轉(zhuǎn)運(yùn)、吸收。一個鋅支架大約50 mg,以全部轉(zhuǎn)化為Zn2+計算,遠(yuǎn)低于導(dǎo)致全身毒性的安全閾值(ZnCl2的半數(shù)致死量約為500 g/人)。此外,Zn是人體必需的微量金屬元素,組織分布廣泛,鋅合金植入物游離出來的鋅離子可能還會參與維持機(jī)體生理功能和正常代謝[23]。人體內(nèi)至少300種酶以Zn為輔助因子參與糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸代謝[24,25]。從DNA甲基化的表觀遺傳變化到發(fā)育,癌癥進(jìn)展/抑制,骨骼重塑/礦化和動脈粥樣硬化,Zn在預(yù)防和治療各種病理狀況中起著關(guān)鍵作用[26,27]。Hennig等[28]的綜述文章表明,Zn具有很強(qiáng)的抗動脈粥樣硬化特性,作者認(rèn)為,這種行為源于鋅離子作為抗氧化劑和內(nèi)皮細(xì)胞膜穩(wěn)定劑的作用。另外,Zn也是骨骼形成和礦化必需的元素,能夠刺激成骨細(xì)胞生長,同時抑制破骨細(xì)胞行使骨吸收的功能[29]。在大腦中,Zn可通過谷氨酸能神經(jīng)元儲存在特定的突觸囊泡中,調(diào)節(jié)大腦的興奮性,對大腦和中樞神經(jīng)正常功能的發(fā)揮起著至關(guān)重要的作用[30,31]。Zn的組織分布和功能多樣性為鋅合金的臨床應(yīng)用提供了先決條件。鋅合金的加工過程及其降解產(chǎn)物的性質(zhì)表明了鋅合金在人體中的應(yīng)用具備基本的安全性,可以用來制做血管支架、腔道支架、軟組織閉合和傷口修復(fù)、骨修復(fù)產(chǎn)品(夾、釘)等[32~35]。
表2鋅合金主要降解產(chǎn)物的性質(zhì)
Table 2
表4鋅合金植入器械補(bǔ)充的生物學(xué)試驗(yàn)項目
Table 4
醫(yī)療器械生物學(xué)試驗(yàn)的方法大多源自藥物或化妝品的毒理學(xué)方法,樣品制備方法也是針對不可降解材料,通過浸提的方法提取產(chǎn)品中的可瀝濾物、加工助劑等可能影響產(chǎn)品生物相容性的物質(zhì)。浸提過程受溫度、時間、浸提介質(zhì)(極性、非極性)、浸提比例以及材料的相平衡影響,因此GB/T 16886.12—2017對浸提液制備條件和方法進(jìn)行了具體規(guī)定。由于鋅合金在體內(nèi)外降解行為的差異以及復(fù)雜的臨床應(yīng)用場景(血管支架、腔道支架、骨釘骨板、吻合釘、宮內(nèi)節(jié)育器等),為避免受到不必要的限制或產(chǎn)生虛假的安全感,因此尚無針對該類產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)浸提液制備方法。當(dāng)采用浸提液進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn)(如致敏、皮內(nèi)反應(yīng)、全身毒性、遺傳毒性等)時,如浸提液中出現(xiàn)顆粒物無法直接用于試驗(yàn),可考慮采用過濾、離心等方式去除,但應(yīng)通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)或電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)等手段分析處理前后的元素組成和濃度,并進(jìn)行方法學(xué)論證(參照GB/T 13748.15—2013)。如浸提原液具有細(xì)胞毒性,應(yīng)分析其原因并對浸提原液進(jìn)行梯度稀釋(至無細(xì)胞毒性),再結(jié)合體內(nèi)試驗(yàn)中植入物附近降解產(chǎn)物大量釋放或積聚時對局部細(xì)胞活性及局部組織炎癥反應(yīng)的影響,對產(chǎn)品的生物安全性進(jìn)行綜合評價(參照GB/T 16886.15—2003)。
3鋅合金生物相容性研究現(xiàn)狀
生物相容性評價最終以產(chǎn)品為導(dǎo)向,但目前鋅合金植入器械只有用于頜面修復(fù)的骨板骨釘和心血管支架走到了臨床試驗(yàn)階段,未見其他產(chǎn)品報道進(jìn)展。因此本文通過鋅合金材料的生物相容性分析研究進(jìn)展和未來的方向。
3.1細(xì)胞毒性研究
細(xì)胞是發(fā)揮生物體功能的基本單位,細(xì)胞毒性是生物學(xué)試驗(yàn)中的首選項目,可為其他生物學(xué)危險源的識別和評估提供初步證據(jù)[55]。對于可降解醫(yī)用金屬器械/材料,細(xì)胞毒性主要受以下方面影響:金屬表面性質(zhì)如形貌、表面能、離子釋放濃度、降解產(chǎn)物以及局部微環(huán)境(如pH值)變化[56~58]。其中,對細(xì)胞毒性影響最大的是離子濃度。根據(jù)對人體的作用分為有益金屬離子(如鈣、鎂、鐵、鋅等離子)和有害金屬離子(如汞、鉻等離子)。即使是有益的金屬離子,與人體的關(guān)系仍然存在劑量效應(yīng),當(dāng)濃度太高時,也會因阻礙其他有益金屬的結(jié)合而產(chǎn)生毒性。Ma等[59]研究了人主動脈內(nèi)皮細(xì)胞(HAEC)在不同濃度(0~140 μmol/L) Zn2+環(huán)境中的短期細(xì)胞反應(yīng)。低濃度Zn2+可使細(xì)胞活力、增殖、黏附、擴(kuò)散和遷移能力增強(qiáng),同時降低細(xì)胞黏附強(qiáng)度。然而,較高濃度Zn2+(> 100 μmol/L)對HAEC行為表現(xiàn)出相反的影響(抑制細(xì)胞活力、增殖、遷移等)。Shearier等[60]研究顯示,人體細(xì)胞對Zn2+的耐受性:HAEC (半數(shù)致死量LD50:265 μmol/L) > 平滑肌細(xì)胞(AoSMC) (LD50:70 μmol/L) > 真皮成纖維細(xì)胞(HDF) (LD50:50 μmol/L)。Kubasek等[61]研究表明,Zn2+對人骨肉瘤細(xì)胞(U-2 OS)和鼠成纖維細(xì)胞(L929)最大安全濃度分別為120和80 μmol/L。研究者們普遍認(rèn)為不同的細(xì)胞品系針對鋅合金材料會表現(xiàn)出不同的細(xì)胞反應(yīng),大概是由于不同類型的細(xì)胞尺寸、形態(tài)、細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)過程、行使的功能以及細(xì)胞所處的微環(huán)境存在差異。這提示不同的可降解鋅合金材料可能有其最佳應(yīng)用場景,比如某一類材料更適合做骨科植入物、血管支架、腔道支架甚至宮內(nèi)節(jié)育器。
在同一種應(yīng)用場景下,有哪些措施可以改善鋅合金器械/材料的細(xì)胞相容性呢? (1) 制備鋅合金保護(hù)膜涂層。Shearier等[60]在金屬Zn片上直接培養(yǎng)HAEC、AoSMC和HDF細(xì)胞,發(fā)現(xiàn)活細(xì)胞的數(shù)量幾乎可以忽略不計。膠原蛋白和明膠表面修飾過的Zn片上,以上細(xì)胞均可附著和增殖。Jablonska等[62]在模擬體液(SBF)中預(yù)孵育Zn-1.5Mg合金,在表面形成保護(hù)性膜層,也可以減少離子釋放量并增強(qiáng)初始細(xì)胞黏附。(2)添加適宜的合金化元素[63]。Shi等[64]制備了Zn-0.8Mn、Zn-0.8Mn-0.4Ag、Zn-0.8Mn-0.4Cu和Zn-0.8Mn-0.4Ca 4種合金,并在同一條件下進(jìn)行細(xì)胞毒性試驗(yàn)。合金元素對細(xì)胞存活率的積極影響是Cu > Ca > Ag,在浸提液濃度為80%和60%時表現(xiàn)得最為顯著。Li等[65]制備了純Zn和Zn-4Ag的金屬片,同樣對其浸提液稀釋3倍和L929細(xì)胞共培養(yǎng)2 d,純Zn組細(xì)胞活力約106%,而Zn-4Ag組細(xì)胞活力約70%。這說明Ag對L929細(xì)胞的增殖有很強(qiáng)的負(fù)向作用。(3) 合金組織的影響。合金組織對體外細(xì)胞毒性最大的影響在于調(diào)控鋅合金材料的降解性能,影響浸提液中Zn2+的含量。對于不可降解的合金,可以通過體外細(xì)胞直接接觸法評估組織的影響。對于鋅合金,因在細(xì)胞培養(yǎng)的過程中釋放Zn2+則無法進(jìn)行評估,只能通過原位植入的方式觀察細(xì)胞的黏附、生長和遷移。
在研究階段,鋅合金材料表現(xiàn)出體外細(xì)胞毒性是否預(yù)示臨床應(yīng)用的安全性問題呢?不一定。人體血液中的Zn2+濃度約為120 μmol/L,心臟中高達(dá)400 μmol/L[66],遠(yuǎn)高于體外研究的細(xì)胞毒性濃度閾值。在體外細(xì)胞毒性試驗(yàn)中,鋅合金接觸的是開放的極性環(huán)境(細(xì)胞培養(yǎng)基),與長期植入體內(nèi)的降解機(jī)制和降解產(chǎn)物有顯著差異。另外,體外培養(yǎng)的單層細(xì)胞,失去了神經(jīng)體液的調(diào)節(jié)和細(xì)胞間的相互影響,缺乏在體細(xì)胞動態(tài)平衡的相對穩(wěn)定環(huán)境,對毒性極其敏感。表5分析了可降解醫(yī)用金屬器械/材料與傳統(tǒng)不可降解醫(yī)用金屬器械/材料在細(xì)胞毒性試驗(yàn)方面的考慮。有研究[67]指出,當(dāng)前ISO標(biāo)準(zhǔn)(例如ISO 10993-5或ISO 10993-12)不適用于可降解生物金屬,需進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。例如對鎂合金的細(xì)胞毒性評價,Wang等[68]系統(tǒng)地比較了體內(nèi)外鎂合金的降解速率、產(chǎn)物、pH值、滲透壓的影響,按照ISO標(biāo)準(zhǔn)制備材料浸提液,再稀釋10倍后與細(xì)胞共培養(yǎng),以便對可降解鎂合金進(jìn)行較可靠的體外細(xì)胞毒性評估。通過體內(nèi)外目標(biāo)離子濃度的換算求得試驗(yàn)時“最接近臨床應(yīng)用狀況”,可能同樣適用于可降解鋅合金。不同細(xì)胞的培養(yǎng)基成分不同,血清蛋白的種類和含量不同,會影響鋅合金的降解和細(xì)胞對有毒物質(zhì)的反應(yīng),因此建議進(jìn)一步研究時采用統(tǒng)一的陽性對照做為標(biāo)準(zhǔn)參考,對鋅合金臨床應(yīng)用會更具參考意義。
表5可降解與傳統(tǒng)金屬植入器械/材料在細(xì)胞毒性試驗(yàn)中的異同
Table 5
3.2鋅合金的血液相容性研究
根據(jù)ISO 10993-4的定義,血液相容性是血液對外源性物質(zhì)或材料產(chǎn)生合乎要求的反應(yīng)[26]。血液學(xué)機(jī)理和血液成分的功能比較復(fù)雜,可以明確的是血液中含有多種蛋白質(zhì),包括纖維蛋白原、血清白蛋白、免疫球蛋白、補(bǔ)體蛋白等。當(dāng)血液相容性不良的材料與血液接觸的數(shù)秒內(nèi),白蛋白、γ-球蛋白、纖維蛋白原等蛋白分子即在材料表面發(fā)生非特異性吸附,之后引發(fā)血小板及白細(xì)胞在材料表面的聚集、黏附和活化,繼而凝血系統(tǒng)和纖溶系統(tǒng)激活,補(bǔ)體激活,以及誘發(fā)各種細(xì)胞因子參與的細(xì)胞免疫應(yīng)答等[51,69,70]。這些事件高度相關(guān),最終形成血栓和炎癥反應(yīng)。而血栓和炎癥反應(yīng)是關(guān)系骨植入和心血管植入材料體內(nèi)應(yīng)用成敗的關(guān)鍵。
在一項以316L不銹鋼、純Zn和鋅合金為對照的研究[83]中,系統(tǒng)評估了Zn-0.8Cu、Zn-0.8Mn和Zn-0.8Li 3種鋅合金的血液相容性。研究顯示,316L不銹鋼、純Zn、Zn-0.8Cu、Zn-0.8Mn和Zn-0.8Li的溶血率分別為0.38% ± 0.08%、1.04% ± 0.21%、0.47% ± 0.21%、0.57% ± 0.14%和0.52% ± 0.22%。在血小板黏附試驗(yàn)中,鋅合金表面的血小板呈圓形,幾乎沒有偽足擴(kuò)散。數(shù)量上,鋅合金與316L不銹鋼相比無統(tǒng)計學(xué)差異,但明顯少于純Zn組。并且,表面均未觀察到明顯的血小板活化、血細(xì)胞聚集、凝血或補(bǔ)體活化現(xiàn)象。此外,鋅合金延長了血液的凝血酶原時間(PT)和部分凝血活酶時間(PTT),暗示了其潛在的抗凝功能。此外,其他研究[72~74]報道的鋅合金材料的溶血性能均小于5%,符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此,鋅合金材料的血液相容性良好,滿足作為骨科和心血管植入材料的要求。值得一提的是,材料的加工工藝、表面特性等關(guān)系著醫(yī)療器械終產(chǎn)品的血液相容性的好壞。如鋅合金材料制成了與循環(huán)血液直接接觸的支架等,應(yīng)基于終產(chǎn)品進(jìn)行血液相容性的全面評價。
3.3鋅合金的體內(nèi)試驗(yàn)
2013年,Bowen等[75]首次將純Zn絲植入到Sprague-Dawley (SD)大鼠主動脈,6個月后Zn絲周圍的組織反應(yīng)良好,并沒有明顯的壞死。之后,研究人員又將純Zn絲植入到大鼠腹主動脈6.5個月后進(jìn)行觀察,組織學(xué)檢查表明植入的Zn絲與動脈組織具有良好的生物相容性,沒有出現(xiàn)引發(fā)血管再狹窄的炎癥反應(yīng)、局部壞死和內(nèi)膜增生,血管組織在支架降解部位再生良好。另外,Zn絲周圍的細(xì)胞密度較低,明顯缺乏平滑肌細(xì)胞,這表明Zn具有抗增殖作用,可有效防范支架植入后的再狹窄[76]。同樣的方法植入純Fe絲到大鼠的主動脈,鐵絲附近無細(xì)胞和組織的長入,說明純Zn比純Fe在體內(nèi)的生物相容性更好[77]。
為探索鋅合金在血管支架方面的應(yīng)用,Yang等[78]將純Zn支架植入到兔子主動脈1 a時間,植入期間,兔子動脈內(nèi)沒有出現(xiàn)炎癥、血小板聚集、血栓形成和明顯的內(nèi)膜增生,支架降解的過程中血管發(fā)生了良性重塑。此外,還發(fā)現(xiàn)了與血管重塑過程相匹配的Zn支架降解行為:前6個月內(nèi),純Zn支架可以保持力學(xué)完整性,12個月后約40%的支架已經(jīng)降解。純Zn在體內(nèi)的表現(xiàn)證明其做為可降解醫(yī)用材料的優(yōu)勢,降解速率適宜,生物相容性良好。但是純Zn的力學(xué)性能較差,需要加入合金化元素才能滿足特定的應(yīng)用需求。
Li、Mg、Al的加入(Zn-0.1Li、Zn-0.2Mg、Zn-0.5Mg、Zn-8Mg、Zn-1Al、Zn-3Al、Zn-5Al)改善了力學(xué)性能,卻使得上述合金在體內(nèi)(大鼠腹主動脈)的生物學(xué)表現(xiàn)更差[79~81]。植入11個月后,在Zn-Li合金組中仍觀察到中等程度的慢性炎癥反應(yīng),并伴非阻塞性的新生內(nèi)膜增厚[79]。與純Zn相比,Zn-xMg合金隨著Mg含量的增加,生物相容性呈輕微惡化的趨勢,炎癥細(xì)胞浸潤和新生內(nèi)膜活化略有升高。植入6個月時,Zn-8Mg沒有顯示出明顯的內(nèi)膜增厚,但表現(xiàn)出中等程度的慢性炎癥,以及管腔橫截面積的減少。植入11個月時,炎癥有一定程度消退,但出現(xiàn)內(nèi)膜增厚,并伴有不連續(xù)的內(nèi)皮細(xì)胞[80]。Zn-xAl表現(xiàn)略好,在植入3個月時,仍可觀察到中性粒細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞浸潤的急性局部炎癥。植入6個月時,觀察到植入物周圍致密的纖維化沉積物,未檢測到壞死組織,與周圍動脈組織具有可接受的相容性[81]。
任何材料在植入體內(nèi)后,均會引起機(jī)體一個急性的炎癥反應(yīng),表現(xiàn)為材料與局部組織接觸處的淋巴細(xì)胞和少量嗜酸性粒細(xì)胞浸潤。對于生物相容性好的材料,1~2周后炎癥逐漸消退,形成適度的纖維包裹,否則會引發(fā)更嚴(yán)重的急性炎癥反應(yīng)或長期的慢性炎癥[82]。上述合金比純Zn生物相容性差的原因大致在2個方面:(1) Li、Mg、Al元素的添加加速了鋅合金的腐蝕,大量的腐蝕產(chǎn)物造成炎性細(xì)胞、巨噬細(xì)胞的聚集,無法在短時間清除和達(dá)成穩(wěn)態(tài);(2) 合金的顯微組織、表面和晶間化合物可能對細(xì)胞產(chǎn)生一定的影響。例如,Mg2Zn11顆??赡軐?dǎo)致有害的巨噬細(xì)胞反應(yīng),破壞鋅基金屬傳遞的積極重構(gòu)效應(yīng)[80]。
在惰性氣體保護(hù)下,以99.999%高純Zn和99.995%高純Cu為原料,經(jīng)熔煉、軋制、擠出、拉拔、退火、激光雕刻、拋光、酸洗、環(huán)氧乙烷滅菌、解析等工藝流程制備的Zn-0.8Cu冠狀動脈支架是目前唯一的一款已經(jīng)中國國家藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)進(jìn)入人體臨床試驗(yàn)的鋅合金血管支架。與兔、大鼠等小動物相比,豬的冠狀動脈與人體冠狀動脈在血管尺寸、解剖學(xué)特征、新生內(nèi)膜生長方面最為相近,因此豬冠狀動脈植入模型是評價支架的降解周期、力學(xué)性能、降解產(chǎn)物同組織的相容性及組織反應(yīng)的重要手段[83]。Zn-0.8Cu支架植入豬的冠狀動脈長達(dá)24個月,結(jié)果顯示,支架植入后1個月內(nèi)完成血管內(nèi)皮化,在植入的24個月內(nèi)提供了足夠的結(jié)構(gòu)支撐并顯示出適當(dāng)?shù)慕到馑俾?。支架植?個月后,支架桿周圍聚集有細(xì)胞核深染的上皮細(xì)胞樣巨噬細(xì)胞,植入9個月后巨噬細(xì)胞浸潤減少,并轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度炎癥,支架桿降解部分被平滑肌細(xì)胞取代。降解產(chǎn)物在支架桿周圍形成后,可以分解成小尺寸的產(chǎn)物(< 20 μm)并向血管外膜的方向擴(kuò)散,而不是滯留在原位成為不易擴(kuò)散和降解的大尺寸團(tuán)聚物。腐蝕產(chǎn)物的向外遷移一般有2種可能性,一是通過細(xì)胞間途徑中的體液,二是通過細(xì)胞路徑中的細(xì)胞吞噬。研究觀測到多核異物巨細(xì)胞吞噬Zn-0.8Cu支架降解產(chǎn)物碎片的直接證據(jù)。在支架植入后6、12和24個月時,檢測Zn元素在植入段血管近端5 mm處血管、遠(yuǎn)端5 mm處血管和心尖部位組織的含量,結(jié)果顯示,不論是Zn-0.8Cu支架組和不銹鋼支架對照組之間,還是植入段血管的遠(yuǎn)端與近端之間,Zn元素的含量均無顯著差異。光學(xué)相干斷層成像(optical coherence tomography,OCT)觀察到新生內(nèi)膜光滑,沒有發(fā)現(xiàn)血栓形成或嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)[84]。Oliver等[85]觀測到Cu在Zn-Ag基合金植入SD大鼠腹主動脈后炎癥抑制(inflammation-resistance)的現(xiàn)象,通過細(xì)胞免疫熒光染色(immunofluorescence)等方法證實(shí)合金中的銅離子促進(jìn)了植入物表面NO的產(chǎn)生,而NO能夠抑制血小板黏附、平滑肌細(xì)胞增殖和白細(xì)胞黏附等。表6[75,76,78~81,84~86]總結(jié)了鋅合金在血管中應(yīng)用的動物試驗(yàn)。
表6鋅合金在血管中應(yīng)用的動物試驗(yàn)總結(jié)[75,76,78~81,84~86]
Table 6
由Zn-0.8Li-0.1Mn研制的胃腸釘展示了鋅基三元合金在胃腸道吻合中的應(yīng)用[92]。術(shù)后12周,Zn-Li-Mn合金釘和鈦合金釘周圍均有少量炎癥細(xì)胞,主要包括中性粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞,還有少量巨噬細(xì)胞,且Zn-Li-Mn合金釘周圍的炎癥細(xì)胞數(shù)量略少于鈦合金釘。植入12周后,2組釘周圍均有新的胃腸組織,組織愈合良好,炎癥細(xì)胞數(shù)量明顯減少。表7[87~93]展示了鋅合金在骨科及其他組織中應(yīng)用的動物試驗(yàn)總結(jié)。
4總結(jié)與展望
適宜的腐蝕速率、良好的力學(xué)性能和生物活性,使鋅合金成為被寄予厚望的可降解生物醫(yī)用金屬材料。近年來,研究者們對鋅合金的成分設(shè)計、加工制備過程、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、表面改性及降解機(jī)理等方面進(jìn)行了大量系統(tǒng)研究,不斷優(yōu)化其力學(xué)性能、腐蝕速率及生物相容性,并積極拓展其臨床應(yīng)用范圍。本文根據(jù)材料與機(jī)體相互作用的方式,總結(jié)了對鋅合金器械進(jìn)行生物相容性評價的原則和方法。但是材料植入后的機(jī)體反應(yīng)及機(jī)體與材料(器械)的相互作用極其復(fù)雜,是一個聯(lián)系的、動態(tài)的、長期的生理過程,從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)品定型和優(yōu)化需要經(jīng)歷漫長的過程,對新型可降解植入器械的臨床試驗(yàn)或者應(yīng)用應(yīng)該持樂觀且謹(jǐn)慎的態(tài)度。展望未來,仍有幾點(diǎn)生物相容性方面的考慮需要被重視。
(1) 盡管多數(shù)研究支持鋅合金在動物體內(nèi)的生物相容性,但其降解過程中腐蝕產(chǎn)物層中金屬間顆粒的富集、吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)及其對組織再生的影響仍然令人擔(dān)憂。如何對鋅合金降解產(chǎn)物進(jìn)行熒光標(biāo)記,追蹤降解產(chǎn)物的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)過程及相應(yīng)的生物學(xué)表現(xiàn),將是一項重大課題。
(2) 終產(chǎn)品植入物在運(yùn)動疲勞中產(chǎn)生的應(yīng)力損傷是否引起局部腐蝕甚至點(diǎn)蝕,從而導(dǎo)致植入物提前失效引起機(jī)體更多的物理損傷也是生物相容性研究的一個方面。另外,鋅合金植入物與其他金屬植入物配合使用可能會產(chǎn)生電偶腐蝕,改變產(chǎn)品臨床預(yù)期的降解速率,這種情況下的使用順序、空間和時間距離的安全性也應(yīng)該有所考慮。
(3) 體外的細(xì)胞毒性評價作為一套敏感的毒性篩選系統(tǒng),其作用仍然不可小覷。如何考慮局部微環(huán)境中細(xì)胞類型、蛋白、溶解O2的影響,結(jié)合體內(nèi)降解速率、降解產(chǎn)物積累和周圍細(xì)胞的表現(xiàn),建立適當(dāng)?shù)募?xì)胞毒性評價體系對于可降解鋅合金的臨床應(yīng)用具有重要意義,也可以做為一項鋅合金加工設(shè)計時的體外篩選系統(tǒng)。
(4) 鋅合金降解過程中導(dǎo)致局部Zn2+濃度增加,Zn2+參與體內(nèi)多種生理活動,應(yīng)在時間效應(yīng)和劑量效應(yīng)下研究過量Zn2+觸發(fā)的信號通路、蛋白合成、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)對機(jī)體的影響,是否會存在生理調(diào)控之外的信號通路激活,降解產(chǎn)物對周圍細(xì)胞包括炎癥細(xì)胞在分子水平的影響等。近年來分子生物學(xué)和生物信息學(xué)發(fā)展出的基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)研究也可聯(lián)合應(yīng)用于識別降解產(chǎn)物潛在的基因和細(xì)胞毒性。
(5) 鋅離子具有廣譜抗菌的特點(diǎn),如何在臨床應(yīng)用中減少植入材料表面細(xì)菌膜的形成從而降低植入物相關(guān)的感染也很有意義[94~98]。
來源--金屬學(xué)報