新型可降解锌合金胆道支架的降解行为与生物性能研究

《Bioactive Materials》：Degradation behavior and biological properties of a novel biodegradable zinc alloy biliary stent

本文针对现有可降解胆道支架性能不足的临床难题，研究人员开发了Zn-0.8Cu-0.03B合金支架。研究发现，微量硼添加显著细化了合金晶粒并引入双峰组织，使屈服强度、抗拉强度和延伸率分别提升52.0%、42.5%和153.8%。体内实验表明支架在兔胆总管中维持3周结构完整性后加速降解，8周内完全降解，且降解产物可安全清除，未引起胆道狭窄或梗阻。该研究为新一代可降解胆道支架的开发提供了重要参考。

　　

当前临床使用的不可降解胆道支架易因细菌生物膜形成、肿瘤生长和组织增生导致支架内再狭窄或堵塞，需要再次手术取出并更换。可降解胆道支架（Biodegradable Biliary Stents, BBS）应运而生，主要包括可降解聚合物支架和镁（Mg）合金支架。然而，可降解聚合物支架存在机械性能不足、显影性差以及酸性降解产物可能通过局部pH值下降诱导组织增生等问题，最终限制了其临床应用。镁合金胆道支架的降解速率过快，可能不适合胆道修复，且降解过程中释放的氢气可能引起炎症和刺激。虽然支架涂层可赋予抗菌、抗增生效应并降低腐蚀速率，从而延长支架支撑时间和通畅性，但涂层在球囊扩张和植入操作过程中易受损，显著影响其功能持久性。

锌（Zn）作为人体必需元素，其降解速率介于铁（Fe）和镁之间，降解产物可完全吸收且不产生过量氢气。锌参与核酸代谢、细胞凋亡调控、基因表达、新骨形成刺激、信号转导、碳水化合物分解、伤口愈合和抗炎等关键生物过程。然而，纯锌缺乏足够的机械性能以满足大多数植入应用需求。添加铜（Cu）、镁（Mg）、铝（Al）等元素可显著改善锌合金的机械性能。大量研究已证实，锌合金作为骨植入物、血管支架具有足够的机械性能、良好的生物相容性和生物安全性，并能促进组织修复和具有其他生物效应（如抗菌、成骨活性）。因此，锌合金作为胆道支架材料制备具有以下优势：i) 足够的机械性能以支撑胆总管；ii) 适中的降解速率，相较于镁合金提供更长的支撑时间；iii) 持续释放的Zn²⁺具有长效抗菌和抗增殖作用。然而，此前尚无关于锌合金胆道支架的研究报道。

本研究旨在探讨锌合金作为胆道支架材料的适用性。研究人员在Zn-0.8Cu合金中添加微量硼（B），以期提高其机械性能和生物相容性。硼是人体必需元素，参与类固醇激素代谢、骨骼发育和细胞膜维持等多种生物过程，并能促进伤口愈合和抑制细菌生长，这对于胆道支架植入后的快速愈合和预防细菌增殖是必要的。此外，硼可作为晶粒细化剂，提高合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率和硬度。

为开展研究，研究人员采用了多项关键技术方法。合金制备采用真空熔炼并浇铸成锭，随后进行热挤压和拉拔制备微管。通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）对合金微观结构进行表征。力学性能通过万能试验机进行测试。体外降解行为通过电化学测试和浸泡实验评估。体外细胞相容性使用L929成纤维细胞和RAW264.7巨噬细胞通过CCK-8法、直接接触法、Caspase-3活性检测和活性氧（ROS）水平检测进行评估。抗菌性能针对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）通过菌落计数、膜电位检测和ATP酶活性测定进行评估。支架通过飞秒激光切割制备，并在新西兰雄兔（动物模型来源）胆总管内进行植入实验，通过数字减影血管造影（DSA）观察支架降解行为，并通过组织学染色（H&E、Masson）、免疫组织化学（PCNA、α-SMA、TNF-α）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）评估组织反应和生物安全性。

3.1. 锌合金的机械性能

研究结果显示，添加0.03 wt%硼的Zn-0.8Cu-0.03B合金表现出最优的机械性能，其屈服强度（YS）、极限抗拉强度（UTS）和延伸率（EL）分别达到79.00±2.00 MPa、81.67±0.58 MPa和2.97±0.12%，较Zn-0.8Cu合金显著提升。维氏硬度（HV）也提高至61.50±1.93。

3.2. 锌合金的微观结构

微观结构分析表明，硼的添加显著细化了合金晶粒，并引入了由层状晶（LG）和等轴晶（EG）组成的双峰组织。当硼含量为0.03 wt%时，LG与EG的比例接近1:1，这种优化比例是合金机械性能增强的原因之一。XRD分析显示合金主要由ε-CuZn₄（或CuZn₅)和η-Zn相组成。

3.3. 体外腐蚀速率

电化学测试和浸泡实验表明，Zn-0.8Cu-0.03B合金在模拟胆汁（MB）和Hank's平衡盐溶液（HB）中的腐蚀速率均高于Zn-0.8Cu合金，这归因于晶粒细化增加了晶界面积。降解产物主要包括Zn、Cu、O、P、Ca和S的化合物，如ZnO、Zn(OH)₂和磷酸锌等。

3.4. 亲水性

水接触角测试显示，Zn-0.8Cu-0.03B合金表面呈亲水性（接触角70.75°±1.74°），而Zn-0.8Cu合金呈疏水性（接触角91.63°±3.7°），这有利于细胞粘附。

3.5. 锌合金的细胞相容性

间接接触细胞毒性实验显示，高浓度（≥60%）的合金浸提液对L929和RAW264.7细胞活力有显著抑制作用，并诱导细胞凋亡（Caspase-3表达升高）和氧化应激（ROS水平升高）。直接接触实验表明，细胞与合金片共培养72小时后，细胞活力可恢复至90%以上。

3.6. 抗菌性能

Zn-0.8Cu-0.03B合金对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均表现出显著的抑制作用，且效果优于Zn-0.8Cu合金。其抗菌机制与Zn²⁺、Cu²⁺和B³⁺的协同释放导致细菌膜电位去极化和ATP酶活性降低有关。

3.7. 支架制备与植入

成功制备了Zn-0.8Cu-0.03B合金胆道支架，其径向力显著高于Zn-0.8Cu合金支架。通过一种简单安全的手术方法将支架植入兔胆总管，成功率达92.5%。植入后支架位置正确，未发生移位。

3.8. Zn-0.8Cu-0.03B合金胆道支架的体内降解行为

体内降解观察显示，支架在植入后3周内保持结构完整，从第4周开始加速降解，第8周时完全降解（体内降解速率约为0.762 mm/年）。支架的径向力在植入后3周内急剧下降。降解产物分析表明，其主要成分为Zn、Cu、O、P、Na等元素形成的化合物。

3.9. 组织学发现

组织学分析显示，与316L不锈钢支架组相比，Zn-0.8Cu-0.03B合金支架组胆管壁更薄，纤维增生、胶原沉积、增生相关标志物（α-SMA和PCNA）和炎症因子（TNF-α）的表达水平均显著降低，表明其引起的组织增生和炎症反应更轻。主要器官的H&E染色未见明显异常，且心、肝、脾、肺、肾等器官中Zn和Cu的含量与对照组无显著差异，表明支架降解未破坏体内Zn²⁺和Cu²⁺的稳态，具有良好的体内生物安全性。

本研究通过系统的体外和体内实验，验证了Zn-0.8Cu-0.03B合金作为可降解胆道支架材料的适用性。该合金通过硼添加实现了机械性能的显著提升，并具有良好的生物相容性、抗菌活性和适中的降解速率。体内实验证实，其制备的支架能在胆道环境中提供约3周的有效支撑，并在8周内安全降解，降解产物可被清除而不引起胆道梗阻，同时能有效缓解支架诱导的组织增生。与传统的不可降解支架和现有的可降解聚合物、镁合金支架相比，Zn-0.8Cu-0.03B合金支架在支撑时间、生物安全性和抗增生/抗菌功能方面展现出综合优势。该研究不仅拓展了锌合金在生物医学领域的应用潜力，特别是为胆道疾病的介入治疗提供了新的材料选择，也为开发新一代兼具良好力学性能、可控降解性和多种生物活性的可降解胆道支架奠定了坚实的基础，具有重要的临床转化前景。未来的研究可集中于通过合金成分优化和表面改性进一步调控降解行为，并利用大动物模型进行长期安全性评价。