金属所具有多重生物功能的新型可降解镁铜合金研究获进展,科学家从纳米尺度观察到人体植入镁合金降解速率

日期:2020-02-03编辑作者:澳门威尼斯人app

作者:顾刚 来源:科技日报 发布时间:2019/11/2 9:47:16 选择字号:小 中 大 科学家从纳米尺度观察到人体植入镁合金降解速率

镁合金以其良好的生物相容性、与骨组织匹配的力学性能以及可以在人体内降解吸收等特点,成为一类极具临床应用前景的新型医用金属材料。中国科学院金属研究所研究员杨柯领导的生物材料研究团队近年来提出了医用金属材料的生物功能化这一全新概念,其核心思想就是使医用金属材料在发挥其自身优异力学性能的同时,还具备特定的生物医学功能,从而达到更佳的临床医疗效果。基于这一思想,杨柯团队近年来成功地开发出一种具有多重生物医学功能的新型可降解镁铜二元合金。杨柯指导的博士研究生刘辰等近期的研究工作表明,利用镁铜合金在生理环境中降解形成的碱性环境以及持续释放镁和铜离子的特点,赋予了新型可降解镁铜合金抗菌、促成骨、促血管化等多重生物医学功能,并确保其生物安全性和力学支撑作用,临床应用价值极大。

科技功臣丁文江:材料科学家潜心“炼”镁

瑞士苏黎世联邦理工学院研究人员首次在纳米尺度上观察到生物医学应用的镁合金的腐蚀。这为更好预测人体植入物的降解,开发量身定制的植入物材料迈出重要一步。研究结果已发表在《高级材料》杂志上。

铜是人体组织内重要的微量元素,对人体的代谢和多种酶的功能具有调节作用。铜能促进造血机能,调节铁的吸收和利用,维护骨骼、血管、皮肤和内分泌的正常功能,促进骨骼、血管和皮肤胶原生成。铜缺乏会影响人体的分泌系统和免疫功能,导致贫血、血栓形成、冠状动脉硬化、关节炎、骨质疏松等疾病的发生。铜的强烈抗菌作用已被人们认知并长期应用,它是唯一获得美国环保署抑菌性注册的固体材料。铜能够长效抑制致病细菌的生长,对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、产气肠杆菌、白色念珠菌、绿脓假单胞菌等多种细菌均具有高效的杀灭作用。

上海启动建设具有全球影响力的科技创新中心近一年,重大原创性科技进步硕果累累。2015年度上海市科学技术奖榜单今天出炉,按照《上海市科学技术奖励规定》,经过专家初评、复核,共有313项获得2015年度上海市科学技术奖。其中,两年一度的科技功臣奖,授予金亚秋院士、丁文江院士。

镁及其合金正越来越多地用于医学,它可以作为骨外科手术中的植入物材料,例如螺钉或钢板等;也可以作为支架材料,用以扩张在心血管外科中狭窄的冠状血管。

基于镁金属在生物环境中的可降解特性以及铜的众多生物功能,杨柯团队研究开发出具有多重生物医学功能的镁铜二元合金,申报了中国发明专利。研究表明,镁铜合金在降解过程中持续溶出镁离子和铜离子,但溶出速率在人体能够承受的范围之内,因此不会影响到生物安全性。溶血实验和细胞毒性实验结果表明,镁铜合金具有良好的血液相容性和细胞相容性。抗菌实验结果表明,镁铜合金对金黄色葡萄球菌具有碱性抗菌和铜离子抗菌相结合的双重抗菌作用,表现出更加优异的抗菌功能。此外,镁铜合金还兼具明显的促成骨和促血管化功能。

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与不锈钢、钛或聚合物制成的常规植入物相比,轻金属具有生物可吸收的优势,因此不需要第二次手术就可以从患者体内取出植入物。镁还促进骨骼生长,从而有利于骨折愈合。

具有多重生物功能的新型可降解镁铜合金的研究,实现了可降解镁合金结构和生物医学功能一体化,有助于解决植入材料在临床中引发的感染等问题,使可降解镁合金发挥更大的临床治疗作用,为医生与患者提供了更优的选择,也为推动生物可降解镁合金的广泛临床应用提供了有力支持。相关研究结果已于近期在线刊登在Scientific Reports上。

1953年出生,上海交通大学材料科学与工程学院教授,中国工程院院士。现任轻合金精密成型国家工程研究中心主任、中国镁业协会副会长、中国材料研究会常务理事,长期从事先进镁合金及加工方面研究,对中国乃至世界镁合金研究的发展作出了重大贡献。

但是纯金属镁太软,因此不适合此类手术应用。为了获得必要的强度,必须添加合金元素,通常是稀土元素钇和钕。由于这些物质对人体而言是异物,因此它们可能会在拆除植入物时在人体内积聚,其后果尚难预料。对于儿童来说,这种植入物更是不适宜。

从种田到读研,从工厂一线到院士殿堂,从铸造装备专业“学徒”到高性能镁合金缔造者……今天当选2015年度“上海市科技功臣”的丁文江用几十年的人生路,实践着一位材料科学家自我精诚的“材料精神”——“料要成才,材要成器,器要好用”。

来自苏黎世联邦理工学院金属物理与技术实验室的约尔格洛夫勒教授开发了一种新的合金家族,除了镁以外,还含有低于1%的锌和钙元素。这些元素与镁一样,具有生物相容性,可以被人体吸收。

中国缺油少气,却是十分难得的镁大国——无论储量还是产量,均占全球的90%以上。镁在实用金属结构材料中,比重最小(密度为铝的2/3,钢的1/4)。这一特性,让它在全球范围内刮起了强劲的“轻旋风”——电子产品越来越轻巧,飞机汽车轮船越来越先进。不过,中国“镁”一直不大好用。

根据制造工艺的不同,在新开发的合金中会形成由三种合金元素形成的沉淀。这些沉淀物的大小各不相同,通常只有几十纳米。但对于增强植入物材料良好机械性能必不可少,并且可能会影响材料的腐蚀速度。

“材料就是有用的物质,有用是材料研究的灵魂。”身在高校搞科研的丁文江,能跳出书本、论文,从企业生产看科研。上世纪80年代一次访问日本企业时,他看到镁合金作为最轻的、资源丰富的结构材料大有用武之地,就在国内率先倡导并从事镁合金研究。1987年底回国,他参与了上海大众桑塔纳轿车镁合金变速箱的国产化,努力扶起“中国镁”。

然而,这些生物相容性镁合金的广泛外科手术应用仍面临障碍,主要是对在所谓生理条件下体内金属降解机理了解甚少。因此,无法获得这种植入物在体内保留多长时间的可靠预测。

易燃烧、易腐蚀、强度低,丁文江心里清楚,我国镁合金技术和产品正是受困于镁的三大“劣根性”。中国镁合金技术想要“挑大梁”,必须让“易燃”的镁不再易燃,“软质”的镁不再软质,“不稳定”的镁合金不再“活跃”。

洛夫勒教授及其同事借助分析透射电子显微镜,能够在几秒到几小时的模拟生理条件下,以前所未有的纳米分辨率详细观察镁合金的结构和化学变化。使用这项现代技术证明了以前无法获得的脱合金机制,该机制可确定镁基质中沉淀物的降解。

常规镁合金的燃点仅520℃,远低于合金熔点,导致其易燃而生产困难。丁文江带领科研团队在国际上较早地开展阻燃镁合金的研究,让镁合金燃点提高至935℃以上。燃点大大提升,大气中无保护的镁合金熔炼与生产成为可能,还显著降低熔炼和生产过程中对环境的污染。目前,该技术已应用于电子产品外壳和汽车变速箱等产品批量生产。

研究人员能够近乎实时地观察到钙和镁离子在与模拟体液接触时如何从排泄物中逸出,而锌离子仍然保留并积累。结果排泄物的化学组成连续变化,这也证明了它们的电化学活性在沉淀物中动态变化的事实,即加速了植入物材料的降解。

常规镁合金比较软,承力比较差,在汽车车轮毂、缸体、发动机支架等最需要轻合金的地方,难堪重任。经过反复试验,丁文江找到两个“好帮手”:采用稀土与锌固溶时效强化和锆细化的方法,创造出一系列新型高强度的镁合金材料。他们不仅在汽车中坚强耐用,更推广应用于多种航空航天等领域的关键承力件。

该研究主要作者,洛夫勒教授的博士生玛蒂娜希霍娃称,这种认识扭转了先前的教条。迄今为止都假设镁合金中析出相的化学成分在腐蚀过程中保持不变,这种假设导致大多数关于人体植入物持续时间的预测是错误的。

最终,就连镁活性大、易反应、产生大量氧化渣的这一世界性难题,也在几十年不断研发、探索和发明中,被丁文江团队“一网打尽”了。随着中国“镁”的层层修炼,从手机外壳到飞机框架,再到实现装备大幅度减重,中国的镁技术及制品越来越“高大上”。美国通用汽车37套模芯组成的全镁V6发动机缸体、日立公司实现减重30%的耐热镁合金活塞、波音公司的民机座椅骨架高强镁型材……丁文江团队的研究,让许多响当当的国际巨头,心甘情愿来到镁大国,求助于中国“镁”。

由于有了新的发现,现在可以设计镁合金,从而可以更好地预测它们在体内的降解行为,并对其进行更精确的控制。这对儿童植入手术尤其必要,因为儿童体内的镁植入物降解速度比成人快得多。另外,支架用镁合金的降解速率明显慢于骨板或螺钉的降解速率。希霍娃表示:凭借对详细腐蚀行为的了解,我们已经朝着为不同患者和医疗应用量身定制合金的目标迈出了关键一步。

“寓精于料,料要成材,材要成器,器要好用”。位于交大闵行校区丁文江院士团队的办公楼里,这句“材料箴言”凝练着丁文江几十年的学术理念。在他眼里,材料研究如果不是瞄准应用,就不能算是在研究材料。

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一次和医生的闲聊中,丁文江注意到,许多骨折病人或是心脏病患者,肌体康复后,健康却埋下了一种说不出的“痛”——金属支架留在体内难以降解,许多人不得不忍受二次痛苦手术取出。而镁可降解,还是人体所需的有益元素,能不能让镁合金替代传统的医用金属支架呢?

他带领团队基于“生物安全性、力学相容性、降解可控性”的原则,着手研发新一代可控降解的医用镁合金,终于开发出具有国际先进水平的骨内植物器械和心血管原型,均在动物体内实验获得成功,解决了过去医用金属不可降解的烦恼。目前,相关产品正申请人体临床试验,列为候选的国家认可镁基生物材料,有望引发该领域医疗器件的升级换代。

在镁基能源材料领域,丁文江院士团队发明了氢化镁水解燃料电池等,大大升级了人们爱玩的无人机,使无人机的飞行时间从一次只能半小时,提升至4到6小时,一口气可以飞行300公里。

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