具有多重生物功能的新型可降解镁铜合金研究获进展

　　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。

　　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（EPA）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。

　　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ZL。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（见图1）。此外，镁铜合金还兼具明显的促成骨（见图2）和促血管化功能（见图3）。

　　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（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）。

图1 金黄色葡萄球菌与不同材料浸提液共培养0h（a1-e1）、6h（a2-e2）、24h（a3-e3）和72h（a4-e4）后，材料的杀菌效果图，（a）Mg；（b）Mg-0.03Cu；（c）Mg-0.19Cu；（d）Mg-0.57Cu；（e）304不锈钢对照组

图2 前成骨细胞MC3T3-E1在镁铜合金和纯镁浸提液中培养15天后茜素红染色结果，（a）Mg；（b）Mg-0.03Cu；（c）Mg-0.19Cu；（d）Mg-0.57Cu；（e）空白对照组；（f）染色定量分析，*和**分别表示与纯镁组进行比较时具有显著性差异（*p＜0.05）和明显的显著性差异（**p＜0.01），**表示与空白对照组进行比较时具有明显的显著性差异（**p＜0.01）

图3 人脐静脉内皮细胞HUVECs在含有镁铜合金和纯镁浸提液的Matrigel™基质胶中培养4h、8h和16h后的三维血管环结构形成结果