创伤或疾病造成大面积骨缺损的修复是一项重大临床挑战。金属材料具有良好机械性能、生物相容性和制造工艺，可用于骨缺损的修复。不锈钢和钛合金等传统金属材料已广泛应用于临床。可生物降解的金属材料，如铁、镁和锌合金，因其可随时间降解而成为骨修复的理想候选材料。新兴金属材料，如多孔钽和铋合金，因其对骨具有亲和性和多功能性，可作为骨植入物而备受关注。然而，这些金属材料仍有许多实际困难，亟待改进。近日，来自清华大学刘静、首都医科大学的刘亚军和Linlin Fan教授团队进行了用于骨修复金属材料的相关综述。成果以“Metallic Materials for Bone Repair”为题于10月26日发表在《AHM》上。
本文系统回顾和分析了用于骨修复的金属材料，全面概述了它们的形态、机械性能、生物相容性和体内植入情况。此外，本文还总结了解决金属材料不足的相关策略。最后，讨论了金属材料的发展前景，指导未来研究和临床实践的进步。
图1 综述流程图
一、传统金属材料
不锈钢和钛合金是医用植入材料中常用的金属，具有合适的性能。此外，钛和钛合金植入体能与骨组织牢固结合，实现良好的骨整合。骨整合能力是评价骨修复材料性能的一个重要指标。虽然不锈钢和钛合金具有良好的性能，并已大量应用于骨折固定，但仍然存在许多问题，如不可降解等。
1.1 不锈钢
不锈钢具有良好机械性能和生物相容性，与其他金属材料相比，其可加工性和低成本使其得到广泛应用和普及。由Cr、Ni、Mo和C组成的316L不锈钢是一种广泛用于植入物的金属材料，可用作骨板、骨螺钉和其他固定材料。
图2 不锈钢
1.2 钛和钛基合金
钛及其合金具有理想的生物材料特性，包括良好的生物相容性和高骨亲和性，广泛应用于骨折固定和修复。然而，钛合金的机械强度（如抗拉强度和杨氏模量）高于人体天然骨骼的机械强度。骨骼与植入物之间不匹配的机械强度导致应力屏蔽效应，钛合金在骨修复中效果不佳。
图3 钛和钛合金
二、可生物降解的金属材料
可生物降解的金属材料，如铁、镁和锌基合金，由于其生物相容性和生物降解性优异，作为骨植入物已引起越来越多的关注。
2.1 铁和铁基合金
铁是人体中不可或缺的微量元素，在氧气储存、运输和活化、酶反应和电子传输等方面都发挥重要作用。铁基材料在潮湿条件下容易氧化，可被视为植入材料的一种可降解特性。铁基合金的降解是一种发生在水环境中的氧腐蚀现象。在生理环境中，铁会通过以下电化学过程降解。在碱性和氧气条件下，一些Fe2+可通过以下反应转化为Fe3+。在早期阶段，铁基材料的降解产物主要包括Fe(OH)2、Fe(OH)3和Fe3O4，导致降解速度缓慢，骨修复后材料降解不完全。
图4 化学反应方程
图5 铁锰合金
2.2 镁和镁基合金
镁及其合金具有优异生物降解性、生物相容性和机械性能，因此在整形外科应用较为广泛。镁是人体中含量丰富的阳离子，主要存在于骨骼中。镁及其合金在生理环境中会与水发生电化学反应而降解。降解过程中会释放出Mg2+、合金元素、氢气和OH-等物质。镁合金的降解涉及以下反应。这些电化学反应会在镁合金表面形成多孔的Mg(OH)2层。然而，该层具有微溶性，无法保护镁基体免受进一步腐蚀，随后在氯离子存在情况下，可能会发生如下反应。
镁腐蚀会产生H2。在正常情况下，H2气泡在富含氯离子的环境中形成，并在手术几周后消失。
图6 化学反应方程式
图7 镁合金
2.3 锌和锌基合金
铁及其合金的降解速度太慢，不能用作骨修复的可生物降解材料。镁和镁合金在人体内的降解速度太快，会导致氢气大量释放。与自然骨骼生长速度相比，锌及其合金具有合适的降解速度。锌是一种基本元素，在转录因子合成和骨代谢等生理功能中发挥重要作用。由于其生物相容性和生物可降解性，锌及其合金作为骨修复的可降解金属已得到大量研究。同样，锌及其合金在生理环境中会通过电化学反应降解，并发生氧还原反应。这些电化学反应在锌及其合金表面形成Zn(OH)2。然而，Zn(OH)2不溶于水，在氯离子存在的情况下可转化为可溶性盐。这种反应会减少Zn(OH)2层保护的面积，新鲜锌基体重新暴露在环境中，引起新一轮降解过程。与镁降解不同，锌降解不会产生气体。
图8 化学反应方程式
图9 锌合金
三、新型金属材料
除上述金属外，其他具有优异机械和生物特性的新型金属也可用作骨替代和骨缺损修复植入物。钛合金等传统金属材料具有良好的耐腐蚀和生物相容性，广泛用于骨缺损修复。但是钛合金内部寿命有限，而且容易氧化。作为替代品，钽具有生物相容性和与骨组织相匹配的弹性模量。金属骨植入物在骨缺损手术中发挥重要作用，而金属无法原位成型在很大程度上限制金属材料的可用性。对于复杂骨缺损，金属材料的可注射和低熔点性尤为重要，可避免传统骨水泥材料在局部产生高温。
3.1 钽金属
钽是一种过渡金属，具有2995°C的极高熔点。因此，钽仍保持相对惰性，由于具有良好的耐腐蚀性和植入后耐久性，钽金属可为骨组织生长提供长期有效支持，是一种具有良好生物相容性的永久性的生物植入材料。此外，钽的弹性模量与骨组织的弹性模量一致，满足骨替代物和植入物的标准。
图10 多孔钽支架
3.2 铋基合金
对于复杂骨缺损来讲，可注射骨修复材料与不可变形的替代材料相比具有很大优势，能兼容创口大小和与复杂形状，合适的可注射骨修复材料一般具有快速凝固、低凝固温度、足够硬度和可辐射等特点。铋基合金材料具有低熔点特性，可以在液相和固相之间转换。低熔点铋基合金具有良好的可注射性、机械性能、液固相转变和生物相容性，同时骨亲和性也较强，可作为骨修复的植入材料。
图11 铋基合金
3.3 磁致伸缩铁镓合金
图12制备了用于生物可降解植入的磁致伸缩块状Fe-Ga合金，分析了不同扫描路径对晶粒取向和磁致伸缩特性的影响。合金粉末的微观结构显示：大部分颗粒呈球形。在研究不同扫描路径对合金机械性能影响时，单向扫描、之字形扫描和环形扫描的合金均未观察到明显的屈服点。对合金细胞相容性进行研究，结果也显示：细胞在人字形扫描合金上培养6小时后，扩散并附着在Fe-Ga合金表面，具有良好附着力。12小时后，细胞在合金上进一步生长和增殖。未来Fe-Ga合金在生物医学领域将有更多应用。
图12 铁镓合金
四、总结与展望
合金材料的稳定性和多功能性是骨修复材料的基础。尽管现有困难和挑战仍未解决，但合金材料和制造技术的快速发展，骨缺损修复金属材料具有光明未来和临床应用前景。未来，将有越来越多合金材料进一步被探索并应用于骨修复领域，作为骨修复植入物应用于临床。
文章来源：https://doi.org/10.1002/adhm.202302132
