金屬所具有多重生物功能的新型可降解鎂銅合金研究獲進展

　　鎂合金以其良好的生物相容性、與骨組織匹配的力學性能以及可以在人體內(nèi)降解吸收等特點，成為一類極具臨床應用前景的新型醫(yī)用金屬材料。中國科學院金屬研究所研究員楊柯領(lǐng)導的生物材料研究團隊近年來提出了醫(yī)用金屬材料的生物功能化這一全新概念，其核心思想就是使醫(yī)用金屬材料在發(fā)揮其自身優(yōu)異力學性能的同時，還具備特定的生物醫(yī)學功能，從而達到更佳的臨床醫(yī)療效果。基于這一思想，楊柯團隊近年來成功地開發(fā)出一種具有多重生物醫(yī)學功能的新型可降解鎂銅二元合金。楊柯指導的博士研究生劉辰等近期的研究工作表明，利用鎂銅合金在生理環(huán)境中降解形成的堿性環(huán)境以及持續(xù)釋放鎂和銅離子的特點，賦予了新型可降解鎂銅合金抗菌、促成骨、促血管化等多重生物醫(yī)學功能，并確保其生物安全性和力學支撐作用，臨床應用價值極大。

　　銅是人體組織內(nèi)重要的微量元素，對人體的代謝和多種酶的功能具有調(diào)節(jié)作用。銅能促進造血機能，調(diào)節(jié)鐵的吸收和利用，維護骨骼、血管、皮膚和內(nèi)分泌的正常功能，促進骨骼、血管和皮膚膠原生成。銅缺乏會影響人體的分泌系統(tǒng)和免疫功能，導致貧血、血栓形成、冠狀動脈硬化、關(guān)節(jié)炎、骨質(zhì)疏松等疾病的發(fā)生。銅的強烈抗菌作用已被人們認知并長期應用，它是唯一獲得美國環(huán)保署（EPA）抑菌性注冊的固體材料。銅能夠長效抑制致病細菌的生長，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、產(chǎn)氣腸桿菌、白色念珠菌、綠膿假單胞菌等多種細菌均具有高效的殺滅作用。

　　基于鎂金屬在生物環(huán)境中的可降解特性以及銅的眾多生物功能，楊柯團隊研究開發(fā)出具有多重生物醫(yī)學功能的鎂銅二元合金，申報了中國發(fā)明專利。研究表明，鎂銅合金在降解過程中持續(xù)溶出鎂離子和銅離子，但溶出速率在人體能夠承受的范圍之內(nèi)，因此不會影響到生物安全性。溶血實驗和細胞毒性實驗結(jié)果表明，鎂銅合金具有良好的血液相容性和細胞相容性。抗菌實驗結(jié)果表明，鎂銅合金對金黃色葡萄球菌具有堿性抗菌和銅離子抗菌相結(jié)合的雙重抗菌作用，表現(xiàn)出更加優(yōu)異的抗菌功能（見圖1）。此外，鎂銅合金還兼具明顯的促成骨（見圖2）和促血管化功能（見圖3）。

　　具有多重生物功能的新型可降解鎂銅合金的研究，實現(xiàn)了可降解鎂合金結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學功能一體化，有助于解決植入材料在臨床中引發(fā)的感染等問題，使可降解鎂合金發(fā)揮更大的臨床治療作用，為醫(yī)生與患者提供了更優(yōu)的選擇，也為推動生物可降解鎂合金的廣泛臨床應用提供了有力支持。相關(guān)研究結(jié)果已于近期在線刊登在Scientific Reports上（Chen Liu, Xuekun Fu, Haobo Pan, Peng Wan, Lei Wang, Lili Tan, Kehong Wang, Ying Zhao, Ke Yang, Paul K. Chu. Biodegradable Mg-Cu alloys with enhanced osteogenesis, angiogenesis, and long-lasting antibacterial effects, 2016, DOI: 10.1038/srep27374）。

　　圖1 金黃色葡萄球菌與不同材料浸提液共培養(yǎng)0h（a1-e1）、6h（a2-e2）、24h（a3-e3）和72h（a4-e4）后，材料的殺菌效果圖，（a）Mg；（b）Mg-0.03Cu；（c）Mg-0.19Cu；（d）Mg-0.57Cu；（e）304不銹鋼對照組 

　　圖2 前成骨細胞MC3T3-E1在鎂銅合金和純鎂浸提液中培養(yǎng)15天后茜素紅染色結(jié)果，（a）Mg；（b）Mg-0.03Cu；（c）Mg-0.19Cu；（d）Mg-0.57Cu；（e）空白對照組；（f）染色定量分析，*和**分別表示與純鎂組進行比較時具有顯著性差異（*p＜0.05）和明顯的顯著性差異（**p＜0.01），##表示與空白對照組進行比較時具有明顯的顯著性差異（##p＜0.01） 

　　圖3 人臍靜脈內(nèi)皮細胞HUVECs在含有鎂銅合金和純鎂浸提液的Matrigel™基質(zhì)膠中培養(yǎng)4h、8h和16h后的三維血管環(huán)結(jié)構(gòu)形成結(jié)果