可降解锌基骨植入材料及其表面改性研究进展

第53卷 第2期

2024年1月

表面技术

SURFACE TECHNOLOGY

·1·

研究综述

可降解锌基骨植入材料及其表面改性研究进展

冯博玄，谭晋韵，裴佳，袁广银

*

1211

（1.上海交通大学 轻合金精密成型国家工程研究中心和金属基复合材料国家重点实验室，

上海 200240；2.复旦大学附属华山医院，上海 200040）

摘要：医用锌及锌合金有望成为新一代可降解骨植入物材料来促进骨缺损的修复。概述了可降解医用锌基

材料的优势，包括较好的生物安全性和抗菌效果、能促进植入部位周围血管和新骨的生成以及骨相关基因

的表达能力。在此基础上，从基底材料、细胞种类及实验结果等方面系统总结了近年来关于可降解医用锌

基材料生物相容性和降解行为的研究。同时，归纳了可降解医用锌在临床修复骨缺损方面所面临的主要问

题和挑战，包括较差的力学性能和较强的细胞毒性。可降解医用锌较差的力学性能可以通过合金化进行改

善，概述了多种新型医用锌合金的力学性能及其生物相容性。表面改性是提高可降解医用锌基表面生物相

容性和调控降解的有效手段。从基底样品、表面改性手段、使用的细胞或动物模型以及细胞相容性和降解

行为等方面，综述了近年来可降解锌基骨植入材料表面改性的研究现状，提出了可降解锌基骨植入材料表

面改性目前所面临的难点问题，包括传统表面改性手段加剧了锌离子的释放或在表面改性后可降解医用锌

的生物相容性改善功效不足，以及未来的发展方向。

关键词：可降解医用锌；骨植入材料；生物相容性；降解行为；表面改性

中图分类号：O61；O62；Q25 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)02-0001-14

DOI：10.16490/.1001-3660.2024.02.001

Research Progress of Biodegradable Zinc-based Orthopedic

Implant Materials and Their Surface Modification

FENG Boxuan

1

, TAN Jinyun

2

, PEI Jia

1

, YUAN Guangyin

1*

(1. National Engineering Research Center of Light Alloy Net Forming & State Key Laboratory of

Metal Matrix Composite, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;

2. Huashan Hospital Affiliated to Fudan University, Shanghai 200040, China)

ABSTRACT: In recent years, biodegradable metals, represented by magnesium (Mg), zinc (Zn), and iron (Fe), have received

extensive attention from the biomedical and materials fields both domestically and internationally. This article outlined the

requirements for ideal bone implant materials, and the advantages of biodegradable metals over other biodegradable materials,

including mechanical performance, degradation performance, and biocompatibility. In addition, the degradation mechanism of

biodegradable metal materials was summarized. Among them, Mg had been extensively investigated, but its rapid degradation

rate lead to compromised mechanical properties and uncontrolled hydrogen evolution. Conversely, the degradation rate of Fe

收稿日期：2023-01-04；修订日期：2023-02-25

Received：2023-01-04；Revised：2023-02-25

基金项目：国家自然科学基金（52130104，51971141）；科技部重点研发专项（2021YFE0204900，2018YFE0115400）

Fund：National Natural Science Foundation of China (52130104, 51971141); the National Key Research and Development Program of China

(2021YFE0204900, 2018YFE0115400)

引文格式：冯博玄, 谭晋韵, 裴佳, 等. 可降解锌基骨植入材料及其表面改性研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(2): 1-14.

FENG Boxuan, TAN Jinyun, PEI Jia, et al. Research Progress of Biodegradable Zinc-based Orthopedic Implant Materials and Their Surface

Modification[J]. Surface Technology, 2024, 53(2): 1-14.

*通信作者（Corresponding author）

·2· 表 面 技 术 2024年1月

was notably sluggish, approaching that of non-degradable materials. Zn and Zn alloys, due to their moderate degradation rate,

good mechanical properties, and biological safety, were expected to become a new generation of biodegradable bone implant

materials to promote bone defect repair. This article summarized the advantages of biodegradable Zn-based materials, including

biological safety, antibacterial effects, and the ability to promote the generation of blood vessels and new bone around the

implant site, as well as to promote the expression of bone-related genes. Based on this, recent research on the biocompatibility

and degradation behavior of biodegradable Zn-based materials was systematically summarized from the aspects of substrate

materials, cell types, and experimental results. At the same time, the main problems and challenges faced by the clinical

application of biodegradable Zn for repairing bone defects were summarized, including poor mechanical properties and strong

cytotoxicity. The poor mechanical properties of biodegradable Zn could be improved through alloying. This article outlined the

mechanical properties and biocompatibility of various new medical Zn alloys. The potent cytotoxicity of biodegradable Zn used

in medical applications arose from the local accumulation of Zn

2+

ion generated during degradation. Zn

2+

ion was reported to

exhibit biphasic effect on cells. The low concentration of Zn

2+

ion could promote the cell adhesion, proliferation, and

differentiation. In contrast, the local high concentration of Zn

2+

ion resulted from the rapid degradation rate of Zn implants at the

initial stage of implantation, and some degradation products such as ZnO and Zn(OH)

2

with poor biocompatibility always lead

to cytotoxicity and inflammation surrounding the Zn implants, further delaying the regeneration and repair of bone defects. Zn

still exhibited slight cytotoxicity after alloying, and surface modification was an effective means to improve the surface

biocompatibility and regulate degradation of biodegradable Zn. This article reviewed the current research status of surface modi-

fication of biodegradable Zn-based bone implant materials from the aspects of substrate samples, surface modification methods,

cell or animal models used, and cell compatibility and degradation behavior, and proposed the current difficulties and future

development directions of surface modification of biodegradable Zn-based bone implant materials. Surface modification of

biodegradable Zn is still nascent, and there are scarce relevant studies with restricted advancement in the biocompatibility of

biodegradable Zn. Traditional surface modification methods have increased the release of Zn

2+

ion, resulting in higher cyto-

toxicity. Alternatively, the efficacy of improving the biocompatibility of biodegradable Zn through surface modification has been

insufficient. The future research direction of biodegradable Zn-based materials should focus more on surface modification

methods such as phosphate and its composite coatings, as well as biodegradable polymer coatings.

KEY WORDS: biodegradable zinc; bone implant material; biocompatibility; degradation behavior; surface modification

每年由机械外伤导致的骨折、由炎症引发的骨组

织坏死、由骨肿瘤引起的骨缺损等疾病的患者有数百

万人

[1-3]

。骨组织具有一定的再生能力，较小的骨缺

损部位能够自然愈合，但是当骨缺损部位超过临界尺

寸（取决于不同部位，通常临界尺寸为2 cm）时

[4-6]

，

很难在自然条件下愈合再生，往往需要临床手段的干

预来实现骨缺损部位的修复和骨组织功能的重建。目

前临床上采用骨移植来治疗大尺寸的骨缺损，所用的

骨移植材料主要包括自体骨材料、同种异体骨材料以

[7-8]

及医用的生物惰性金属材料

。自体骨材料被认为

是治疗骨缺损的“金标准”

[9]

，自体骨移植可以避免

排异反应，生物相容性好，并且有很强的成骨能力、

骨传导活性和骨诱导性，但是自体骨取于自身，不仅

来源有限，还可能导致取骨区域二次损伤。同种异体

骨材料和自体骨材料的结构类似，具有形状和大小不

受限制、排异反应小、来源广泛等优点，但仍然存在

供体来源的疾病传播和交叉感染、免疫和骨愈合延迟

等风险问题。目前临床上使用的生物惰性金属材料主

要有医用不锈钢、钛及钛合金、镍钛合金等，这些材

料具有良好的生物相容性、力学性能和加工性能，其

中钛及钛合金是较为常见和成熟的骨植入物材料，但

是由于其不可降解性能，往往需要二次手术取出，增

加了患者的痛苦、手术风险和经济负担。

骨组织工程技术旨在提供一种优于自体骨材料

和同种异体骨材料并且能在避免上述风险的情况下

修复骨缺损部位的手段

[9-10]

，通过分离并在体外培养

自体骨细胞，在体外扩增后种植于具有良好生物相容

性的可降解支架材料上，随后将细胞杂化材料植入患

者的骨缺损部位，在支架材料降解的过程中，细胞能

够不断增殖，矿物基质不断沉积，进而逐步代替所降

解的支架材料，并诱导新骨的形成，最终实现骨缺损

部位的修复和功能重建。因此，骨组织工程支架材料

应具有良好的生物相容性、生物可降解性以及合适的

[11]

而其发展也从用生物惰性材料对骨缺损

力学性能

，

部位进行简单填充逐步发展到如今使用生物活性材

料来诱导骨形成和骨再生。在实际应用中，将细胞或

者生物活性因子等与骨组织工程支架复合的方法虽

然具有理想的治疗效果，但是生物成分的加入不仅提

高了成本，还提高了监管标准

[12-13]

，因此骨组织工程

支架材料成为目前的研究重点。通过植入骨组织工程

第53卷 第2期 冯博玄，等：可降解锌基骨植入材料及其表面改性研究进展 ·3·

支架，利用骨缺损部位的细胞而非植入前种植的细胞

来达成修复骨缺损的目的

[14-15]

。

1 可降解骨植入物材料的特点及研

究现状

1.1 理想的骨植入物材料的要求

从骨组织工程支架的设计理念和目的中可以看

出，理想的骨植入物材料应该具有以下特点：1）骨

植入物在服役期间应具有良好的生物相容性，该植入

材料及其降解产物应均无毒副作用，不会引起炎症反

应和宿主排异反应或引起的反应较轻，不会致癌致

畸；2）骨植入物在服役期间具有与天然骨相匹配的

力学性能（屈服强度>230 MPa，抗拉强度>300 MPa，

断裂延伸率>15%，接近皮质骨的弹性模量10~ 20

GPa），能够在新骨形成之前为骨缺损部位提供足够

的支撑力，同时其力学性能也不能过高导致应力遮

蔽效应以及新骨的骨密度较低；3）骨植入物在人体

内有适中的降解速率（0.5 mm/a，氢气生成量<

10 μL/(cm

2

·d)），降解太快不仅会造成炎症反应，还

会失去对骨缺损部位的支撑，而降解过慢则不能在骨

修复完成后降解完全，留在体内会和不可降解材料产

生类似的免疫排异反应；4）骨植入物具有一定的生

物活性，如骨诱导性、骨传导性、骨整合性，能促进

原位骨或者异位骨的形成，促进骨缺损部位的修复；

5）骨植入物应具有和骨缺损部位相匹配的外形，以

及与骨组织类似的多孔结构，这有利于骨细胞的黏附

生长和血管的重构；6）骨植入物术后易于跟踪造影，

有较好的射线不透过性；7）骨植入物易于加工成形、

消毒保存；8）骨植入物的制备成本低，以降低患者

的经济负担。

1.2 可降解骨植入物材料概述

根据骨缺损部位的不同以及实际制造的需求，

骨组织工程支架所使用的生物材料主要包括聚合物

材料、可降解金属材料、生物陶瓷材料及碳基纳米

材料等。

聚合物材料包括天然聚合物材料和合成聚合物

材料。天然聚合物材料

[16-19]

如胶原、明胶、丝素蛋白

和海藻酸盐等，具有良好的生物相容性，并且含有细

胞黏附位点如RGD序列，能天然获取，因此成本低

廉，但是天然聚合物材料的力学性能普遍较差，并且

存在免疫以及批次间的差异性等问题。合成聚合物材

料

[20-22]

如聚己内酯、聚乳酸、聚乙二醇等，为人工合

成，其性能和成分能够根据不同的需求进行调整，并

且能够通过修饰进行改性，但是合成聚合物材料往往

都需要进行改性来提升其可能存在的不良性能，同时

存在降解产物呈酸性、毒副作用大等问题。聚合物材

料虽然因其生物相容性和骨诱导性良好以及易于改

性等优点而成为骨组织工程领域中很有价值和潜力

的材料，但是其力学性能不足的缺陷使聚合物材料一

般用于修复非承重部位、尺寸较小的骨缺损部位或者

与其他材料复合使用。

生物陶瓷材料是骨组织工程中被广泛研究的无

机生物材料，早在19世纪初就有在临床上使用磷酸

钙作为骨移植材料的记录

[23]

。生物陶瓷材料可以分为

生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷，目前的研究重点更加

关注通过加入具有生物活性的离子，如Ca

2+

、Mg

2+

、

Sr

2+

和Cu

2+

等，来给生物陶瓷材料赋予不同的生物效

应

[24-25]

。天然骨是无机和有机复合的纳米材料，磷酸

钙因能够模拟天然骨结构中的无机相而成为临床上

广泛使用的天然活性陶瓷材料。生物陶瓷材料具有较

好的抗压性能，能够释放具有生物活性的离子，其表

明形貌也被证明可以诱导细胞外基质的沉积，促进骨

再生

[26-28]

。但是生物陶瓷材料脆性过高，在临床上一

般用作骨水泥或者其他骨植入物的涂层材料

[29-31]

。

碳基纳米材料

[32-34]

，如碳纳米管、石墨烯纳米

材料等，具有优秀的力学性能以及一维二维材料的

高比表面积和良好的生物相容性等，可用于骨组织

工程领域。由于其高比表面积的特点，可以通过表

面基团对碳基纳米材料赋予不同的功能，使其具有

生物活性

[32,35]

。但是碳基纳米材料的生物可降解性较

差，并且可能导致细胞毒性。而近年来，以可降解医

用镁、锌、铁及其合金为代表的生物医用可降解金属

材料

[36-37]

因其优秀的力学性能、体内可完全降解性以

及良好的生物安全性而受到了国内外生物医学领域

和材料领域的广泛关注。这类可降解金属材料在生理

条件下能够通过电化学腐蚀反应过程完全降解或者

完全吸收，其具体降解机制如式（1）~（5）所示

[36-37]

，

其中M为金属。

阳极反应：

M



M

n+

+n

(e



)

(1)

阴极反应：

2H

2

O+2e





H

2



2OH



(2)

阴极反应：

2H

2

O+O

2

+4e





4OH



(3)

腐蚀产物的生成：

M

n+

+n

(OH



)



M(OH)

n

(4)

腐蚀产物的溶解：

M(OH)

n



2Cl





M(Cl)

2



2OH



(5)

与可降解的聚合物材料相比，可降解金属材料有

更出色的力学性能。与生物陶瓷材料相比，可降解金

属材料有更优异的柔韧性和延展性。与碳基纳米材料

相比，可降解金属材料有更好的生物相容性和生物可

降解可吸收性。因此，可降解金属材料有望成为新一

代的骨组织工程支架材料。

可降解镁合金骨植入物。镁及镁合金是目前研究

得最为深入的生物医用可降解金属材料。在人体内，

镁（Mg）元素含量仅少于钙、钾和钠，位列第四。

镁作为人体所必需的常量元素之一，分布于人体的各

个部位中，如骨骼、肌肉和血液，参与人体内的大量

·4· 表 面 技 术 2024年1月

生理反应，如参与新陈代谢反应、核酸和蛋白质的合

成以及很多的酶促反应等。此外，镁还是骨质增强因

子，有将近一半的镁元素会进入骨组织中

[38]

，且镁还

具有促成骨和骨诱导的效果

[39-41]

。同时，镁及其降解

产物（人体内）都具有较好的生物相容性。成年人膳

食中镁元素的每日推荐摄入量为330 mg，多余的镁

也能通过肾脏和肠道等排出

[42]

，因此，镁合金植入物

在人体内降解产生的镁离子不会导致细胞毒性。镁合

金和天然骨具有相匹配的力学性能，可以提供足够的

支撑力，同时能避免新骨的应力遮蔽效应。虽然镁具

有上述优点，但纯镁的标准电极电位为−2.372 V，在

人体生理条件下有着很快的降解速率。目前主要通过

合金化或者表面改性等手段来增强镁的抗腐蚀性，但

镁及其合金过快的降解速率以及局部腐蚀的腐蚀行

为仍然是限制镁合金在临床上广泛应用的主要原因。

笔者所在课题组前期的一些动物实验结果

[43]

表明，镁

合金在植入体内2~4个月后腐蚀严重，很难保持机械

完整性，提供力学支撑。大部分镁合金也很难达到临

床所建议的镁合金降解速率（0.5 mm/a）

[44]

。此外，

镁合金植入物过快的降解速率会导致局部氢气的产

生

[45]

，延缓骨缺损部位的修复，且局部升高的pH值

和过高的金属离子浓度会使周围的生理环境失衡，导

致炎症反应和细胞凋亡

[46]

。

可降解铁合金骨植入物。铁（Fe）是人体所必需的

微量元素之一，成年人膳食中铁元素的每日推荐摄入量

为12~20 mg。铁参与人体内很多的代谢过程，比如

血红蛋白与肌红蛋白的合成、氧的运输和储存、过氧

化氢酶的合成等。与镁相比，铁具有更强的力学性能，

可能会产生应力遮蔽效应，导致形成的新骨骨密度较

低。虽然铁被证实具有良好的生物相容性

[47-48]

，但它

在植入体内后的降解速率过慢（0.008 mm/a）

[36]

。在

大鼠骨骼中植入铁基的动物实验结果表明，在植入

52周后，铁基材料的降解过程仍然十分缓慢

[49]

。铁

的腐蚀产物在体内环境下较为稳定，不容易排出，可

能会导致慢性炎症等问题

[50]

。此外，近年来发现铁可

能会诱发一种铁依赖性的全新的细胞死亡方式，被称

为“铁死亡”（Ferroptosis）

[51-52]

。由于上述因素的制

约，铁目前在临床应用上仍处于起步阶段。

2 可降解锌基骨植入物

2.1 可降解医用锌基材料的优势及研究

进展

锌（Zn）是人体所必需的微量元素之一，成年人

膳食中锌元素的每日推荐摄入量为7.5~12.5 mg，最

高摄入量为每日40 mg。锌是除了铁以外人体中含量

最高的微量元素。锌与人体内许多重要生理过程密切

[53-54]

相关

，如生长发育、免疫系统、生殖系统、酶的

合成、创伤愈合等。锌分布于人体内的各个组织中，

大约60%的锌分布在肌肉中，22%~30%的锌分布在

骨骼中，约8%的锌储存在皮肤毛发中，4%~6%的锌

分布在肝脏中，其他则分布在胰腺、大脑、胃肠道及

肾脏等重要器官组织中。因此锌具有良好的生物安全

性

[55]

。此外，锌离子也被证实具有广谱的抗菌效果

[56]

，

对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等病原体有显著的抑制

作用。锌也被证明能够促进植入物周围血管和新骨的

形成

[57-60]

。Zhu等

[61]

进一步研究了人骨髓间充质干细

胞（hMSC）对锌的生物学反应及其潜在的细胞信号机

制，研究发现，与镁合金相比，锌能更好地促进细胞

黏附、增殖、分化，并且锌离子能调控ALP、I型胶

原蛋白和骨桥蛋白等骨相关基因的表达，如图1所示。

锌的标准电极电位为−0.762 V，介于镁（−2.372 V）

和铁（−0.440 V）之间。锌具有较为适中的降解速率

（每年几十微米的数量级），比镁及镁合金的降解速

率低了大约一个数量级

[55]

，能在更长的服役时间内保

持较为完整的力学性能和足够的力学支撑。从降解时

[61]

图1 锌植入物降解产生的锌离子在hMSC细胞中作用的示意图

Fig.1 Schematic pathway of implant-derived Zn

2+

signaling in hMSC

[61]

第53卷 第2期 冯博玄，等：可降解锌基骨植入材料及其表面改性研究进展 ·5·

序与骨缺损修复的匹配角度而言，与镁和铁相比，锌

是更适合用作可降解骨植入物的金属材料。Bowen

等

[62]

在2013年首次将纯锌丝植入成年雄性Sprague-

Dawley大鼠的腹主动脉中，模拟了支架在体内环境

下的降解行为，结果表明，锌丝在植入4个月内仍然

保持完整，之后腐蚀加速，让植入物能够及时降解。

Yang等

[63]

也通过兔腹主动脉植入纯锌支架的动物实

验证明，纯锌支架在植入6个月后仍然能保持完整的

力学性能，在植入12个月后支架体积降解了（41.75±

29.72）%。锌在人体内展现出理想的先慢后快的降解

行为，具有适中的降解速率，故锌比镁和铁为更理想

的可降解植入材料，医用锌基材料近年来也成为生物

医学材料领域的研究热点。

植入物的降解行为会影响它在体内与不同组织

和细胞的交互作用，进而影响其生物相容性。目前，

对锌及锌合金的体内外降解行为及生物相容性都有

较为深入的研究。Chen等

[64]

研究发现，锌在磷酸盐

缓冲溶液（PBS）中的短期（3 d）降解行为呈现为相

对均匀的腐蚀行为，腐蚀产物在纯锌表面均匀分布，

而当浸泡时间达到21 d时，纯锌表面则表现出局部

腐蚀现象，且腐蚀产物逐渐疏松。Törne等

[65]

研究了

纯锌在盐溶液（PBS和林格氏液）、血浆和全血中的

降解行为，结果表明，纯锌在盐溶液中表现出局部腐

蚀行为，且腐蚀速率随时间的延长而增大，而在血浆

和全血中则表现为均匀的腐蚀行为，且腐蚀速率随时

间的延长而降低。Liu等

[66]

指出超纯锌在Hank's溶液

中的降解速率为0.011 mm/a，而超纯锌微管表现出更

高的降解速率（0.028~0.037 mm/a），而锌在人体内的

降解产物也较为复杂。在体液环境下，锌首先发生电

化学腐蚀生成难溶的氧化锌和氢氧化锌，随后形成的

氢氧化锌与体液中的氯离子反应，溶解产生锌离子，

产生的锌离子易与体液中的磷酸根、碳酸根等形成溶

解度较低的磷酸锌以及碳酸锌等锌基化合物。同时，

体液中的钙离子也可能会在植入物表面沉积形成难

溶的钙化物，如磷酸钙和碳酸钙

[67]

。蛋白质的吸附则

可降

会导致初始腐蚀速率增大和锌离子浓度升高

[68]

。

解植入物的腐蚀行为和腐蚀产物会影响植入物周围

细胞的黏附增殖、功能分化、基因和蛋白的表达等（见

图2），也会影响缺损部位的修复和功能重建。因此，

对医用锌基材料在体内外的降解行为、降解产物及其

生物相容性的研究对临床应用有着重要的意义，本文

总结了与可降解医用锌基合金有关的研究结果，如表

1所示。

2.2 可降解锌基骨植入物面临的主要问题

和挑战

虽然与镁和铁相比，锌及锌合金具有更适中的降

解速率，但是锌基材料仍然有一些亟待解决的问题，

如纯锌力学性能较差，铸态纯锌由于铸造缺陷、晶粒

尺寸大、加工硬化不足等原因，其强度（<30 MPa）

和延展性（<0.25%）有限

[78-79]

。虽然可以通过轧制或者

挤压等进一步加工来提高其强度和延展性，但是目前报

道的纯锌的极限抗拉强度（UTS）均低于200 MPa

[80]

，

很多情况下满足不了临床需求，因此通常通过合金化

来提高锌的力学性能。近年来，多种新型的医用锌合

金被逐步研发出来，主要包括Zn-Ca系列、Zn-Mg

系列及Zn-Cu系列等

[80-81]

。Tong等

[79]

研发了一种新

型可降解的Zn-5Ge合金，具有非常理想的力学、腐

图2 锌离子的生物学作用

[69]

Fig.2 Biological roles of Zn

2+[69]

·6· 表 面 技 术 2024年1月

第53卷 第2期 冯博玄，等：可降解锌基骨植入材料及其表面改性研究进展 ·7·

·8· 表 面 技 术 2024年1月

蚀和生物性能。结果表明，锗对锌合金具有晶粒细化

作用，热轧后的Zn-5Ge合金的UTS为237.0 MPa，

屈服强度为175.1 MPa，延伸率为21.6%，远高于铸

态纯锌的。Zn-5Ge合金在Hank's溶液中的腐蚀速率

也显著低于纯锌的。同时，Zn-5Ge合金表现出良好

的生物相容性，5%（质量分数）Ge的加入可有效增

强纯锌的血液相容性，50%和25%（体积分数）稀释

的Zn-5Ge合金浸提液的细胞活力显著高于纯锌的。

Yang等

[82]

通过体内外实验更为系统地研究了二元锌

合金（合金元素分别是Mg、Ca、Sr、Li、Mn、Fe、

Cu和Ag）作为骨植入物的力学性能和生物相容性。

实验表明，Li元素提高锌合金力学性能的效果最好，

其次是Mg元素。合金化虽然会加速锌合金的降解，

但是仍然能在骨折愈合期间保持机械完整性并提供

力学支撑。而向锌中添加Mg、Ca、Sr、Li合金元素

能够提高锌合金的细胞相容性、成骨性能以及骨整合

能力。在二元合金的基础上，进一步优化了三元Zn-Li

合金体系，得到了UTS为（646.69±12.79）MPa的

Zn-0.8Li-0.4Mg合金和延伸率为（103.27±20）%的

Zn-0.8Li-0.8Mn合金，其力学性能接近纯钛的强度，

有望用于临床上以修复承重骨骨缺损。笔者所在团队

近年来在可降解医用锌合金材料合金化设计及制备

方面的研究也取得了重大突破，通过合金元素种类、

含量及加工工艺的不断优化，研发出了有很高强度和

塑性的Zn-Cu系列专利医用锌合金材料

[73,75,83]

，以满

足临床上对力学性能的要求。

虽然合金化能解决医用锌作为骨植入物力学性

能不足的缺陷，但是目前所研究和报道的医用锌及锌

合金都普遍存在体外细胞相容性较差的关键问题，细

胞毒性实验结果通常表现出细胞活力较低、很难达到

临床使用所要求的75%的活力水平，其细胞毒性水平

往往在Ⅱ级甚至更高。Wang等

[84]

测试了3种商用锌

合金的体外细胞相容性，发现在未稀释的锌合金浸提

液中培养1 d后，内皮细胞活力在60%以下，甚至低

至约20%，培养2 d后，细胞活力进一步降低；而在

50%（体积分数）稀释的浸提液培养下，细胞活力才

能达到较高水平（100%）。本课题所研发的Zn-Cu系

列合金

[85-86]

也表现出类似的结果，当锌合金浸提液稀

释在50%~100%（体积分数）时，细胞活力较低，表

现出较大的细胞毒性，而当浸提液稀释至25%时，细

胞活力显著提高，表现出较好的细胞相容性。

目前已有研究认为，锌及锌合金在体外表现出较

高细胞毒性的原因是锌基材料降解产生的锌离子局

部浓度过高。Ma等

[59-60]

指出，锌离子对内皮细胞和

平滑肌细胞均具有双相（Biphase）作用，即低浓度

（<0.08 mol/L）的锌离子对细胞活力没有不利影响，

反而能够使细胞黏附、伸展、增殖和迁移，并提高

F-肌动蛋白和黏着斑蛋白的表达水平，而高浓度

（>0.08 mol/L）的锌离子则会抑制细胞增殖，甚至表

现出较高的细胞毒性（>100 μM）。也有研究表明，高

浓度的锌离子会对骨代谢造成不良影响

[87]

，并导致成骨

细胞的线粒体损伤

[70]

。过量的锌也被认为具有神经毒

性，会损害免疫功能，并可能延缓骨骼发育。此外，

Bowen等

[88]

通过将Zn-Al合金丝材植入Sprague-Dawley

大鼠腹主动脉的动物实验也发现植入部位出现了慢

性和急性炎症。Zhao等

[89]

也发现Zn-Li合金在植入

期间会导致中度炎症。

综上所述，锌较差的力学性能和生物相容性制约

了锌在临床上的应用，通过合金化能改善锌较差的力

学性能，而其较差的生物相容性及其不良的术后反应

仍是亟须解决的主要问题。

3 可降解医用锌表面改性研究现状

针对锌植入物降解产生的锌离子浓度过高导致

其生物相容性较差的问题，材料的表面改性技术提供

了一种可能的解决方案。然而目前关于医用锌基材料

表面改性方面的研究仍然处于起步阶段，仅有少数文

献报道了有关提高锌基材料生物相容性的表面改性

处理手段或涂层的研究。Yuan等

[90]

通过使用能延缓

镁合金腐蚀的微弧氧化表面改性手段处理纯锌，反而

加速了纯锌的降解，导致降解产生的锌离子的局部浓

度进一步升高，产生了更高的细胞毒性。Shearier等

[57]

在纯锌表面修饰了一层明胶涂层，研究发现，细胞能

够在纯锌表面黏附增殖，但是黏附情况与空白对照组

仍然有一定差距，表明对提高锌生物相容性的效果有

限。可降解医用锌基材料表面改性处理后的降解行为

及其生物相容性如表2所示。

综上，目前关于可降解锌基材料表面涂层的研究

报道数量较少，且对细胞相容性的改善效果也相对有

限。磷酸盐涂层具有仿生骨组织化学成分，多种金属

盐被报道具有优良生物相容性和生物活性，如羟基磷

灰石等。Su等

[31]

通过化学转化法在纯锌表面制备了

厚度为5~6 μm的磷酸锌涂层，该涂层能显著降低锌

基底的锌离子释放（50%），同时还具有微纳米结构，

显著提高了前成骨细胞和血管内皮细胞的活力、黏附

和分化，进而显著降低了血小板和大肠杆菌的黏附。

此外，Su等

[30]

还研究了锌不同的降解产物对细胞相

容性的影响，包括磷酸锌、氧化锌和氢氧化锌，实验

结果表明，只有磷酸锌涂层能够促进内皮细胞和成

骨细胞的增殖，提高锌的生物相容性。特别是在种

植体/组织界面自发形成的致密均匀的磷酸锌层，促

进了组织整合，而磷酸锌的节段性界面层可能导致

组织整合延迟。因此，界面处的磷酸锌层是控制可

降解锌植入物生物相容性的关键。磷酸盐涂层有望

作为可降解锌基骨植入物表面改性策略，来提高锌

基骨植入物的生物相容性甚至生物活性，进而促进

骨缺损部位的修复。

第53卷 第2期 冯博玄，等：可降解锌基骨植入材料及其表面改性研究进展 ·9·

·10· 表 面 技 术 2024年1月

第53卷 第2期 冯博玄，等：可降解锌基骨植入材料及其表面改性研究进展 ·11·

4 结论与展望

以镁、锌、铁为代表的可降解医用金属材料因其

在体内可完全降解的特性而越来越受到生物医学领

域和材料领域学者们的关注。其中可降解医用锌及锌

合金材料由于其适中的降解速率和力学性能，有望通

过进一步性能优化成为新一代可降解骨植入物理想

候选材料。但是降解产生的局部高浓度锌离子及其他

降解产物会引发植入物周围的细胞毒性、炎症，进而

影响骨缺损部位的再生和修复。合金化和表面改性处

理提供了提高其生物相容性的有效手段，其中锌合金

仍被报道具有轻微的细胞毒性，而目前对可降解医用

锌基材料表面改性的研究仍处于起步阶段，鲜有相关

报道，并且仅有的文献对其生物相容性的改善效果十

分有限。总结目前已有研究成果，可降解医用锌基材

料的表面改性还存在以下问题：

1） 传统表面改性手段加剧了锌离子的释放，导

致更高的细胞毒性。近期发表的研究证实微弧氧化、

聚乳酸涂层等常见的金属表面防腐蚀处理方法反而

促进了锌基体的腐蚀降解，进而使局部释放的锌离子

浓度更高，细胞相容性因此进一步恶化。

2） 经表面改性后，可降解医用锌的生物相容性

改善功效不足。有研究表明，采用明胶涂层修饰纯锌

比裸锌对内皮细胞的黏附改善效果更好，但与阴性对

照组结果相比尚有差距，其细胞毒性等级对应Ⅲ级，

仍无法达到Ⅰ级细胞毒性等级的临床要求。

综合目前的研究报道，可降解医用锌基材料的研

究应用及未来发展方向应关注以下表面改性手段：

1）磷酸盐及其复合涂层。磷酸盐及其复合涂层

具有仿生骨组织化学成分，通过组分和结构的设计调

控优化有望显著提高可降解医用锌基材料的生物相

容性，甚至生物活性，具有良好的转化应用前景。

2）可降解聚合物涂层。可降解聚合物涂层具有良

好的生物相容性，并且能通过基团修饰改性赋予涂层

生物功能性，进而提高可降解医用锌的生物相容性。

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