袁广银（左一）和课题组成员讨论。

■本报记者 秦志伟

前不久，《骨科转化杂志》发表的一项来自上海交通大学的研究成果显示，研究人员通过可降解镁合金骨钉1～2年的临床试验观察，进一步证实可降解镁合金骨钉治疗内踝骨折的临床疗效及其生物安全性。

据悉，这是国内首个可降解医用镁合金临床试验的公开报道，也是国际首款含有可降解功能涂层的镁合金骨钉的临床试验结果的公开报道。该项研究成果由上海交通大学戴尅戎院士、郝永强教授团队和丁文江院士、袁广银教授团队共同完成。

“三合一”性能独树一帜

过去，骨内材料以钛合金、不锈钢为主。西安理工大学材料科学与工程学院教授张忠明等学者认为，这些传统骨内材料虽然具有良好的耐腐蚀性能和综合力学性能，但其比重大、弹性模量高；且与人体生物相容性差，因而植入人体后会释放有毒离子，不宜在人体内长期使用。

正是这些缺陷给了镁合金材料展示的机会。早在8年前，袁广银课题组就通过动物体内实验证实，相比于其他骨内材料，镁合金的密度、杨氏模量、屈服强度等与皮质骨更为接近。

镁是人体必需元素，世界卫生组织建议成年人每日镁摄入量350~420毫克。“而镁合金材料可在体内降解，并被人体所吸收。”

“使用镁材料做骨科手术时，有很多附加的效应。体内会保持稳定的镁存在，如果人体缺镁，自动会吸收；如果体内镁过多，就通过尿液等途径排泄。不必担心镁在人体内聚集。”袁广银向《中国科学报》介绍道，这一点已经被日本科学家研究证明。

他进一步解释称，人体内55%的镁元素存在于骨组织内，骨组织又被称为镁的“储藏库”。“骨组织不能缺镁，否则骨骼就容易出问题，如骨质疏松。”

其实，镁医用早有历史。追溯到1878年，奥地利医生就采用镁丝作为绷带，成功用于三个不同病例中。逐渐地，镁金属医学尝试应用领域扩展到骨科、肿瘤、肌肉、血管系统等。到了1933年，科学家采用镁及其合金进行了25例骨折治疗的临床试验，效果虽然很好，但最突出问题是镁降解过快，且不均匀。

直到2000年左右，当镁降解过快问题的研究取得一定进展后，科学界又掀起对镁合金医用研究的热潮。例如，德国于2010年进行了骨内人体临床试验，2013年9月获批进入欧盟国家临床使用，目前已销售数万枚可降解镁合金骨折固定骨钉。

“但他们也没非常好地解决镁降解过快的问题。”从2007年开始，在丁文江院士指导下，袁广银带领课题组从临床应用需求角度出发，巧妙通过镁合金材料的“相电位调控”和微观组织结构设计，成功研发了“均匀可控降解、强韧性匹配、生物相容性良好”的专利医用镁合金JDBM（交大生物镁）。该专利医用镁合金显示了优异的“生物相容性、强韧性、降解可控性”三性合一的性能，并得到了多个国际合作伙伴实验室的验证和高度评价。

“材料是内因，而涂层是外因”

镁的降解机制是镁与水生成氢氧化镁和氢。因此，如果将镁合金器材用于人体，势必会产生氢。

一直以来，袁广银思考一个问题：氢对人体到底有什么作用？“刚开始说慢慢代谢掉，后来发现氢对人体有抗氧化、抗癌等诸多保健功能。最关键的一个优势是，氢具有还原性和抗氧化性能，可直接作用到细胞的线粒体，能清除体内的氧自由基。所以，现在有了氢医学。”

然而，氢特别活跃，在体内容易快速扩散，控制其产生速度至关重要。

“我们的目标是要让产氢的速度慢于氢扩散的速度。”袁广银解释道，如果氢产生速度过快就容易形成气泡，气泡会隔绝镁合金器械和骨组织，不利于骨愈合。

有一次，袁广银在国外交流时得知，如果患者使用镁合金器械而出现气泡，国外医生的建议一般是让患者坚持三个月，气泡会自动消失。如果患者实在承受不住，医生就建议到医院用针筒将气体抽出。

但他并不认同这种做法。于是，袁广银带领课题组历经数年攻关研发出了具有生物活性、本身可以降解、同时可以抑制基体过快降解的涂层专利技术，成功杜绝了镁合金材料在体内降解过快，进而产生氢气集聚的不良现象的发生。

为此，他们从材料基体和功能涂层两方面协同调控其降解行为，在国际上率先实现了医用镁合金骨内植入器械的均匀可控降解。

“镁合金器械要想避免产氢快，必须借助涂层。”在袁广银看来，材料是内因，而涂层是外因。两年内，研究团队共开展可降解镁合金骨钉人体临床试验16例。“所有病例术后无不良反应，无明显疼痛感，感觉良好。”

这正是该团队镁合金骨钉的优势所在。另一个值得关心的问题就是成本。“成本同其他骨内材料器械相当甚至比钛合金骨钉还低，但镁合金器械综合效益更好。”袁广银举例说，如不需要二次手术取出，减少患者痛苦。

创新不是一件容易的事

20多年来，袁广银研究范围一直没有离开镁材料。令他记忆深刻的，除了攻读博士学位论文经历外，2007年，他又在上海交通大学轻合金精密仪器成型国家工程中心主攻医用镁合金领域。

“这种材料进入人体后会不会有什么反应？”“怎么降解？”……一系列与生物材料相关的问题需要重新思考。袁广银不得不从头学起，查阅文献、书籍，并慢慢建立起生物材料相关的知识体系。

幸好，袁广银“背靠”丁文江院士的团队。据悉，该团队共有8个课题组，每一个课题组研究内容都不一样，从材料设计到材料制备、再到加工以及临床，相互支持、相互支撑。

仅袁广银课题组专门集中研究镁合金材料就有23人。团队成员学术背景有学化学的，有学生物医学工程的，也有临床医生，“不同思想可以相互碰撞”。

袁广银感叹：“想做出点创新的东西是不容易的。”他也常常跟课题组成员说：“碰到问题，先要独立思考，再去做正确判断。不要盲从权威和已发表的论文，唯有基于科学的分析思考，透过问题的表象探究其内在本质，才能做出正确的判断，才能形成自己独特的研究风格，才有可能做出国际一流的研究成果。”

“希望能惠及越来越多的骨病患者，也能不断提升我国骨科植入器械的科技水平。”袁广银期望。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.jot.2020.11.007