锌基可降解材料及锌铜合金(Zn-Cu)性能介绍

锌基可降解材料及锌铜合金(Zn-Cu)性能介绍

锌基可降解材料因其生物相容性和可降解性，在医疗领域尤其是冠脉支架材料中展现出巨大潜力。其中，锌铜合金（Zn-Cu）凭借其优异的力学性能和生物相容性，成为研究热点。本文将详细介绍锌基可降解材料及其合金化，特别是锌铜合金在冠脉支架材料中的应用前景。

锌基可降解材料

与镁、铁一样，锌的降解产物(Zn2+) 是人体必需的金属元素之一 (正常成人Zn摄入量为10mg/天，婴儿2 mg/天，参与构成多种蛋白及300余种酶反应，可以通过参与酶反应、调节DNA复制剂细胞凋亡过程，实现抗氧化和维持内皮细胞功能的功能。

2013年，纯锌第一次作为可降解冠脉支架的候选材料被研究和报道，然而其较低的强度促使人们通过元素组成和/或加工操作寻找具有更好力学性能的Zn合金。研究者已经对在医疗器械中添加铜以实现抗菌和血管生成功能进行了广泛的探索实践，锌铜合金作为可降解支架材料的早期研究也有报道。

锌的合金化

目前已有多种合金化元素(Mg、Ca、Sr、 Ge、Ag、Mn) 被报道用于可降解锌合金植入材料的制备。研究表明，镁的加入可以降低锌合金的细胞毒性，但也显著降低锌合金的塑性。钙、锶等元素与骨生成、钙化等过程相关，对支架植入而言，并不是理想的选择。稀土元素的加入虽然同样能够起到生成第二相、强化晶界的作用，但是稀土与锌形成的金属间化合物不易降解吸收。将铁加入锌合金中，能够显著提高合金的硬度和强度、调节合金的降解速率。通过快速冷却等手段可以使锌铁形成的金属间化合物(FeZn13) 获得细化,但Fe元素存在对锌合金可抛光性的影响仍不可忽视。FeZn13 给冠状动脉支架加工过程(抛光)造成的不利影响，可能会限制其应用。其它的非人体必需元素或有毒元素，如钛和铝，虽然作为传统的锌合金组成成分，但可能也无法用于可降解冠状动脉支架材料。

Zn-Cu合金冠脉支架材料

铜的原子半径(127.8 pm)与锌(133.2 pm)接近，低量铜可固溶于锌形成置换固溶体，铜-锌相图中存在多种金属间化合物，在富锌端锌基体中的第二相是ε相，含铜量在12%至22%。

Zn-Cu合金相图

锌基体中的第二相能显著改善锌合金的力学性能，并减少锌合金的晶间腐蚀。铜能够促进人血管内皮细胞增殖,而血管内皮细胞增殖及支架植入后的再内皮化，被认为是影响PCI远期预后的关键因素。基于此，已经有学者尝试将含铜的合金(如含铜不锈钢)应用于血管支架。

Tang Z, Niu J, Huang H, et al.共同开发了Zn-1Cu、 Zn-2Cu、Zn-3Cu、Zn-4Cu 作为心脏冠脉支架材料，发现随着铜含量的提高，锌铜合金的屈服强度、抗拉强度及断裂延伸率均获得显著提高，且铜含量低于1%时将不产生明显的第二相。

Zn-Cu合金的腐蚀特性

目前国际上腐蚀速率研究较为普遍的参考标准是ASTM G31-72，试验温度一般控制为37℃以模拟人体环境，腐蚀液成分选用Hank's溶液。下表给出了近几年报道的部分锌铜系合金腐蚀速率:

体外和体内的研究结果证实锌及其合金的降解速率介于镁合金与铁合金之间，可能更加符合冠状动脉支架对于材料降解时间的要求。因此，目前有关锌及其合金医疗应用的研究，虽然大多涉及对体外或体外降解速率的表征，但研究重点很少涉及到对降解速率的调控。可见Zn-Cu合金的降解速率接近理想的降解速率。

Zn-Cu合金的生物相容性

锌和铜均为人体的重要构成元素。根据Meta分析，健康人血清Zn、Cu含量分别为0.67~ 1.02 mg/L和0.93~1.17mg/L，不同性别、营养状况对锌、铜在人体内的含量有所影响。

一枚以锌基合金制成的典型规格型号冠脉支架的重量约为30 mg, Zn-Cu 合金冠脉支架植入带来的铜元素同样不存在引发机体系统性毒性反应或者向远端脏器中富集可能性。此外，铜可以诱导血管内皮生长因子(VEGF) 的表达，对血管内皮细胞的再内皮化和内皮功能的维持有积极的影响。

综上所述，虽然锌和铜具有一定的细胞毒性，但其生物相容性总体而言是可接受的，适当浓度的铜离子还可能给机体带来诸如抑菌、血管生成或内皮细胞功能调节等方面的受益。

总结

含有高固溶度的无毒元素（如银和铜）的合金是最有希望的可降解植入物候选材料，因为它们的力学性能可以通过调节第二相粒子的体积分数、尺寸和分布等来改善。

Zn-Cu合金的力学性能在众多锌合金中具有一定优势。

Cu的加入提高了锌合金的力学性能，固溶强化对合金 强度提高起到了关键作用。

文献来源：
《冠状动脉支架用可降解锌铜合金的制备与体内外表征研究》，北京科技大学，周超

本文原文来自cfclkj.com