?
袁廣銀(左一)和課題組成員討論。
■本報(bào)記者 秦志偉
前不久,《骨科轉(zhuǎn)化雜志》發(fā)表的一項(xiàng)來自上海交通大學(xué)的研究成果顯示,研究人員通過可降解鎂合金骨釘1~2年的臨床試驗(yàn)觀察,進(jìn)一步證實(shí)可降解鎂合金骨釘治療內(nèi)踝骨折的臨床療效及其生物安全性。
據(jù)悉,這是國內(nèi)首個(gè)可降解醫(yī)用鎂合金臨床試驗(yàn)的公開報(bào)道,也是國際首款含有可降解功能涂層的鎂合金骨釘?shù)呐R床試驗(yàn)結(jié)果的公開報(bào)道。該項(xiàng)研究成果由上海交通大學(xué)戴尅戎院士、郝永強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)和丁文江院士、袁廣銀教授團(tuán)隊(duì)共同完成。
“三合一”性能獨(dú)樹一幟
過去,骨內(nèi)材料以鈦合金、不銹鋼為主。西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張忠明等學(xué)者認(rèn)為,這些傳統(tǒng)骨內(nèi)材料雖然具有良好的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能,但其比重大、彈性模量高;且與人體生物相容性差,因而植入人體后會(huì)釋放有毒離子,不宜在人體內(nèi)長(zhǎng)期使用。
正是這些缺陷給了鎂合金材料展示的機(jī)會(huì)。早在8年前,袁廣銀課題組就通過動(dòng)物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí),相比于其他骨內(nèi)材料,鎂合金的密度、楊氏模量、屈服強(qiáng)度等與皮質(zhì)骨更為接近。
鎂是人體必需元素,世界衛(wèi)生組織建議成年人每日鎂攝入量350~420毫克?!岸V合金材料可在體內(nèi)降解,并被人體所吸收?!?/p>
“使用鎂材料做骨科手術(shù)時(shí),有很多附加的效應(yīng)。體內(nèi)會(huì)保持穩(wěn)定的鎂存在,如果人體缺鎂,自動(dòng)會(huì)吸收;如果體內(nèi)鎂過多,就通過尿液等途徑排泄。不必?fù)?dān)心鎂在人體內(nèi)聚集?!痹瑥V銀向《中國科學(xué)報(bào)》介紹道,這一點(diǎn)已經(jīng)被日本科學(xué)家研究證明。
他進(jìn)一步解釋稱,人體內(nèi)55%的鎂元素存在于骨組織內(nèi),骨組織又被稱為鎂的“儲(chǔ)藏庫”?!肮墙M織不能缺鎂,否則骨骼就容易出問題,如骨質(zhì)疏松?!?/p>
其實(shí),鎂醫(yī)用早有歷史。追溯到1878年,奧地利醫(yī)生就采用鎂絲作為繃帶,成功用于三個(gè)不同病例中。逐漸地,鎂金屬醫(yī)學(xué)嘗試應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到骨科、腫瘤、肌肉、血管系統(tǒng)等。到了1933年,科學(xué)家采用鎂及其合金進(jìn)行了25例骨折治療的臨床試驗(yàn),效果雖然很好,但最突出問題是鎂降解過快,且不均勻。
直到2000年左右,當(dāng)鎂降解過快問題的研究取得一定進(jìn)展后,科學(xué)界又掀起對(duì)鎂合金醫(yī)用研究的熱潮。例如,德國于2010年進(jìn)行了骨內(nèi)人體臨床試驗(yàn),2013年9月獲批進(jìn)入歐盟國家臨床使用,目前已銷售數(shù)萬枚可降解鎂合金骨折固定骨釘。
“但他們也沒非常好地解決鎂降解過快的問題?!睆?007年開始,在丁文江院士指導(dǎo)下,袁廣銀帶領(lǐng)課題組從臨床應(yīng)用需求角度出發(fā),巧妙通過鎂合金材料的“相電位調(diào)控”和微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),成功研發(fā)了“均勻可控降解、強(qiáng)韌性匹配、生物相容性良好”的專利醫(yī)用鎂合金JDBM(交大生物鎂)。該專利醫(yī)用鎂合金顯示了優(yōu)異的“生物相容性、強(qiáng)韌性、降解可控性”三性合一的性能,并得到了多個(gè)國際合作伙伴實(shí)驗(yàn)室的驗(yàn)證和高度評(píng)價(jià)。
“材料是內(nèi)因,而涂層是外因”
鎂的降解機(jī)制是鎂與水生成氫氧化鎂和氫。因此,如果將鎂合金器材用于人體,勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生氫。
一直以來,袁廣銀思考一個(gè)問題:氫對(duì)人體到底有什么作用?“剛開始說慢慢代謝掉,后來發(fā)現(xiàn)氫對(duì)人體有抗氧化、抗癌等諸多保健功能。最關(guān)鍵的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是,氫具有還原性和抗氧化性能,可直接作用到細(xì)胞的線粒體,能清除體內(nèi)的氧自由基。所以,現(xiàn)在有了氫醫(yī)學(xué)?!?/p>
然而,氫特別活躍,在體內(nèi)容易快速擴(kuò)散,控制其產(chǎn)生速度至關(guān)重要。
“我們的目標(biāo)是要讓產(chǎn)氫的速度慢于氫擴(kuò)散的速度?!痹瑥V銀解釋道,如果氫產(chǎn)生速度過快就容易形成氣泡,氣泡會(huì)隔絕鎂合金器械和骨組織,不利于骨愈合。
有一次,袁廣銀在國外交流時(shí)得知,如果患者使用鎂合金器械而出現(xiàn)氣泡,國外醫(yī)生的建議一般是讓患者堅(jiān)持三個(gè)月,氣泡會(huì)自動(dòng)消失。如果患者實(shí)在承受不住,醫(yī)生就建議到醫(yī)院用針筒將氣體抽出。
但他并不認(rèn)同這種做法。于是,袁廣銀帶領(lǐng)課題組歷經(jīng)數(shù)年攻關(guān)研發(fā)出了具有生物活性、本身可以降解、同時(shí)可以抑制基體過快降解的涂層專利技術(shù),成功杜絕了鎂合金材料在體內(nèi)降解過快,進(jìn)而產(chǎn)生氫氣集聚的不良現(xiàn)象的發(fā)生。
為此,他們從材料基體和功能涂層兩方面協(xié)同調(diào)控其降解行為,在國際上率先實(shí)現(xiàn)了醫(yī)用鎂合金骨內(nèi)植入器械的均勻可控降解。
“鎂合金器械要想避免產(chǎn)氫快,必須借助涂層?!痹谠瑥V銀看來,材料是內(nèi)因,而涂層是外因。兩年內(nèi),研究團(tuán)隊(duì)共開展可降解鎂合金骨釘人體臨床試驗(yàn)16例。“所有病例術(shù)后無不良反應(yīng),無明顯疼痛感,感覺良好。”
這正是該團(tuán)隊(duì)鎂合金骨釘?shù)膬?yōu)勢(shì)所在。另一個(gè)值得關(guān)心的問題就是成本?!俺杀就渌莾?nèi)材料器械相當(dāng)甚至比鈦合金骨釘還低,但鎂合金器械綜合效益更好?!痹瑥V銀舉例說,如不需要二次手術(shù)取出,減少患者痛苦。
創(chuàng)新不是一件容易的事
20多年來,袁廣銀研究范圍一直沒有離開鎂材料。令他記憶深刻的,除了攻讀博士學(xué)位論文經(jīng)歷外,2007年,他又在上海交通大學(xué)輕合金精密儀器成型國家工程中心主攻醫(yī)用鎂合金領(lǐng)域。
“這種材料進(jìn)入人體后會(huì)不會(huì)有什么反應(yīng)?”“怎么降解?”……一系列與生物材料相關(guān)的問題需要重新思考。袁廣銀不得不從頭學(xué)起,查閱文獻(xiàn)、書籍,并慢慢建立起生物材料相關(guān)的知識(shí)體系。
幸好,袁廣銀“背靠”丁文江院士的團(tuán)隊(duì)。據(jù)悉,該團(tuán)隊(duì)共有8個(gè)課題組,每一個(gè)課題組研究?jī)?nèi)容都不一樣,從材料設(shè)計(jì)到材料制備、再到加工以及臨床,相互支持、相互支撐。
僅袁廣銀課題組專門集中研究鎂合金材料就有23人。團(tuán)隊(duì)成員學(xué)術(shù)背景有學(xué)化學(xué)的,有學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程的,也有臨床醫(yī)生,“不同思想可以相互碰撞”。
袁廣銀感嘆:“想做出點(diǎn)創(chuàng)新的東西是不容易的。”他也常常跟課題組成員說:“碰到問題,先要獨(dú)立思考,再去做正確判斷。不要盲從權(quán)威和已發(fā)表的論文,唯有基于科學(xué)的分析思考,透過問題的表象探究其內(nèi)在本質(zhì),才能做出正確的判斷,才能形成自己獨(dú)特的研究風(fēng)格,才有可能做出國際一流的研究成果。”
“希望能惠及越來越多的骨病患者,也能不斷提升我國骨科植入器械的科技水平。”袁廣銀期望。
相關(guān)論文信息:
https://doi.org/10.1016/j.jot.2020.11.007
《中國科學(xué)報(bào)》 (2021-04-09 第3版 醫(yī)藥健康)