在SMM主办的2024 SMM第十九届铅锌大会暨铅锌技术创新论坛——锌基材料论坛上，北京科技大学教授石章智介绍了医用可降解锌基材料研究的相关进展。
医用锌合金基础介绍
植入无残留的健康理念
产业发展规划
中国医疗器械市场接近万亿规模
据2021年12月国家工业和信息化部等十部门发布的《“十四五”医疗装备产业发展规划》中提到，必须加快补齐基础材料等瓶颈短板，攻关可降解材料、冠脉支架和骨科植入材料等先进基础材料，推动它们达到国际先进水平。
可降解锌与人体健康
锌是人体必需的微量元素，其特点是可降解，地球上储量第四丰富的金属，人体内第六丰富的金属，锌是唯一出现在所有酶类中的金属，在RNA和DNA的代谢、信号转导和基因表达中发挥作用，大约10%的人类蛋白质（约3000种）与锌结合；且锌是抗氧化剂，维持内皮膜细胞稳定，有抗动脉粥样硬化功能；是血管紧张素转换酶的活性中心，维持其正常功能；推荐的每日膳食摄入量：8-11 mg/d。可容忍的每日上限摄入量：40-50 mg/d。
锌的降解特点和产物
降解速率适中，不产生气体，不会产生因降解气体累积引发的组织肿胀。
降解产物有利于骨整合
锌合金植入体周围形成了类骨组织，即在成熟骨之前形成的未矿化的骨基质；
利用降解产物中高含量的钙和磷，类骨组织可以矿化形成新的骨组织；
提高锌合金降解均匀性，有利于这种生物矿化过程，从而诱导更高的骨整合。
研究进展
可降解锌合金数据库
在国家材料基因工程数据平台建立了可降解锌合金数据库。材料基因工程专用数据库（www.mgedata.cn）是基于材料基因工程的思想和理念建设的数据库/应用软件一体化系统平台，由国家“十三五”重点研发计划“材料基因工程关键技术与支撑平台”支持。
高强塑Zn-Cu-Li合金与新型三元相
300MPa级Zn-Cu-Li系列锌合金：兼具高强度和高塑性，屈服强度(YS)为316-335MPa，抗拉强度(UTS)为375-395 MPa，伸长率(EL)为44%-61%；
片层组织合金Zn-2Cu-0.8Li，在单向轧制成形后横向塑性超过纵向塑性，板材没有边裂，成形性很好。
可控降解的基础研究
问题：如何提高纯锌的腐蚀降解均匀性；
挑战：传统认为纯金属具有最高的腐蚀降解均匀性；
创新：活性元素(Li)降解自生致密产物层(纳米晶Li2CO3)；
效果：微米级局部腐蚀坑的形成延时6倍(从5天延至30天)。
可降解锌合金产品的全流程制备加工
锌合金肋骨接骨板的全流程制备加工
肋骨骨折是胸部创伤的主要表现形式。生物可降解锌合金为解决肋骨骨折内固定材料长期应力掩蔽、二次手术等临床问题提供了新的选择。
以Zn-0.5Li合金为具体对象，建立了高强可降解锌合金肋骨接骨板的全流程加工技术（授权发明专利ZL202111244356.6），包括铸造、均匀化热处理、热。
温轧制薄板、线切割、慢应变速率模压成形和后处理六个步骤，解决了高强锌合金肋骨接骨板夹持到肋骨的过程中容易断齿的问题
生物力学三点弯曲性能与商用纯钛TA1相当，远高于纯锌，抗菌性高于纯钛和纯锌，细胞相容性优于纯锌。
组织性能调控关键技术
大应变退火成形，使Zn-Mn系锌合金的室温伸长率从铸态的<3%提升至>90%，部分样品接近100%。
针对塑性提高则强度降低的挑战，提出梯度超细晶表面塑化机理，梯度超细晶低表面粗糙度的Zn-Mn合金，与纯锌相比塑性提高近24倍至室温超塑性143%，且强度提高近3倍，为解决金属材料强度与塑性倒置的共性问题提供了新策略。
组织性能调控关键技术：快冷凝固技术
问题：多种营养元素(Fe, Ca, Sr…)生成粗大第二相，恶化合金性能；
挑战：没有高效细化剂，塑性变形不能完全破碎第二相，反而诱发裂纹萌生；
创新：底部快冷凝固技术，FeZn13第二相细化至1/40(200→5m)；
效果：强度提高至1.6倍(132→218 MPa)，降解均匀性显著提高。
可降解锌合金心脏冠脉支架
该支架由飞秒激光雕刻，壁厚0.1 mm，在压握、球囊扩张、直至爆破过程中保持结构完整性。
锌合金支架的径向强度满足需求
锌合金支架：114 kPa；血管支撑需求：40 kPa；聚合物支架：25 kPa。
血管造影
通过血管造影发现，锌支架在植入过程中的X射线显影能力很好；植入18个月后，材料降解造成锌支架在X光下不可见。
锌合金支架在猪血管内的降解规律
定量冠状动脉造影 QCA
植入前12个月与不锈钢支架的血管的最小内径（MLD）无显著性差异；9-12个月发生解体，靶血管开始正向重构。
内皮化与组织原位替代
通过HE染色体分析发现，1个月完成内皮修复；9个月后，巨噬细胞浸润减少，炎症转变为轻度炎症；支架被组织原位替代；降解产物转向外膜。
锌合金冠脉支架产业化临床进展情况
获得临床伦理批件（2021年9月）；通过国药局FIM答辩（2022年3月）；创新医疗器械特别审查公示（2022年3月）；准予开展临床试验（2023年5月）。
前交叉韧带重建(ACLR)的兔子模型
ACLR兔子模型：选择60只雄性、4-6个月龄、体重范围在2.5kg~3.0kg之间的新西兰兔用于构建ACLR手术模型。
通过大体观察发现：均未出现感染，螺钉破碎，或从骨道脱出现象；重建后的前交叉韧带均形态完好，无明显的退变以及坏死；各个时间点的移植物均保持一定张力，没有出现韧带松弛；动物膝关节活动度正常，总体重建效果良好。
锌合金螺钉周围骨质更致密
通过术后 6，12，16 周两组螺钉周围股骨的三维重建影像观察来看，基于Micro-CT影像三维重构发现，植入后6、12、16周时间点，锌合金组界面螺钉周围骨质相较钛合金对照组更为致密，骨小梁结构较多。
骨参数分析
术后12和16周，Ti合金组的Tb.N由6周的2.96降低至2.47和2.51，Tb.Sp由术后6周的0.18 mm升高至12和16周的0.24 mm 和 0.24 mm，说明钛合金组骨道周围存在骨质流失；
锌合金组BV/TV，Tb.N，Tb.Th，Tb.Sp 四项骨参数在整个16周内均没有出现具有统计学意义的变化，说明骨道周围骨量稳定。
促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞转化
锌合金有效促进骨髓间充质干细胞中COL1、Runx2、OCN、ALP等成骨相关基因的表达，促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞转化；
体内骨道内植入组织切片荧光染色结果显示，在6周和12周时间点，锌合金螺钉周围的新生骨荧光信号强度及范围均明显高于对照组钛合金螺钉。
形成骨/类骨质/肌腱连接结构
锌合金使ACL止点与螺钉接触的部分发生矿化，从而获得与骨组织相近的材料学特性，这有助于减少移植韧带受力后在相对薄弱的腱-骨交界面的应力集中；
可以加速ACL止点的愈合进程，降低早期止点断裂的风险，并将康复训练的起始时间提前，缩短患者恢复运动功能的时间。
产业化和临床试验进展
锌合金产品的生物安全性
通过相关生物学试验报告发现，使用锌合金产品之后，小鼠未见明显急性全身毒性反应：小鼠未见死亡和异常症状，体重增加；未见明显慢性全身毒性反应：皮下植入大鼠180天，临床观察无异常，没有大体病理学改变，没有组织病理学改变；没有致热性；未导致豚鼠出现皮肤致敏反应；无明显不良皮内反应；溶血率为0%；对五种鼠伤寒沙门氏菌株均呈阴性反应，不是致突变剂；小鼠淋巴瘤试验反应阴性，不引起细胞基因突变。
膝关节交叉韧带损伤
前交叉韧带（ACL）损伤在一般人群中发生率为3‰-8‰；高发运动：足球、篮球、橄榄球和滑雪等；全国每年会出现约400-1000万例新发ACL损伤。
植入区新骨发育良好，皮质骨致密
通过骨植入局部反应试验来看，一周之后，植入区形成骨痴；4周，样品与骨组织接合紧密，成骨细胞分泌骨样基质并形成少量新生骨小梁；13周植入样品与骨接合紧密两端被骨组织覆盖；26周植入区新骨发育良好，皮质骨致密。
猪的前交叉韧带重建模型
在大动物体内评估产品的可行性、安全性、降解速率以及促进腱骨愈合优势；手术过程顺利，锌合金界面螺钉没有发生断裂破碎等不良现象。植入后18个月，猪步态良好。
运医产品临床研究：国际首例
2023年6月，全球首例锌合金可降解界面螺钉和带袢锌板临床受试者入组北京大学首钢医院，手术获得圆满成功，该临床研究由北大首钢医院副院长、骨科主任关振鹏教授团队负责。
目前可降解锌合金界面螺钉和带袢锌板已在全国多中心开展临床试验；医用可降解锌合金材料在市场化道路上迈出了具有里程碑意义的一步。
运医产品临床研究：完成164例
从2023年6月首例临床入组开始，不到一年的时间，“可降解锌合金界面螺钉和带袢锌板用于前交叉韧带重建术安全性和有效性”临床研究的患者入组便实现了圆满收官。
本次临床试验由北京大学第三医院运动医学科王健全主任担任主要研究者。该产品已经在北医三院、北京大学首钢医院、首都医科大学附属北京潞河医院、吉林大学第一医院、浙江大学医学院附属第二医院、兰州大学第二医院、武汉市第四医院、唐山市第二医院、西安市红会医院、赣州市人民医院、河北医科大学第三医院、沈阳骨科医院、内蒙古自治区人民医院等全国十三家在骨科领域拥有声望的医院完成了164例患者入组，各中心专家对此次临床试验的安全性和有效性给予了充分的肯定。
全球首款可降解锌合医用产品商业化进程的里程碑式进展
医用新材料：可降解锌合金
人体必须营养元素，抗菌性好，力学性能好（强度＞300 MPa），显影性好，MRI几乎没有伪影，促成骨，促腱-骨愈合，保护心肌，促内皮化且可安全降解。
