硬-軟雙態(tài)涂層調(diào)節(jié)骨科鎂植入物的降解速率和生物相容性

文獻(xiàn)信息
寧波大學(xué)附屬李惠利醫(yī)院等單位的研究成果“Hard−Soft Dual-State Coatings Regulate Degradation Rate and Biocompatibility of Orthopedic Magnesium Implants”（硬-軟雙態(tài)涂層調(diào)節(jié)骨科鎂植入物降解速率和生物相容性）在《ACS Biomaterials Science & Engineering》雜志上發(fā)表。平生公司的離體CT（VENUS）在論文中提供股骨標(biāo)本圖像和定量分析。

該研究的通訊作者為彭兆祥主任。第一作者為郝明明。

文獻(xiàn)摘要
鎂與皮質(zhì)骨的生物力學(xué)相似性，以及它的生物相容性和生物可降解性，使其在骨科植入物方面很有前景。然而，快速退化損害了結(jié)構(gòu)的完整性和固定，導(dǎo)致失效。為了解決這個(gè)問(wèn)題，作者開(kāi)發(fā)了一種硬-軟雙態(tài)涂層來(lái)調(diào)節(jié)降解并提高性能。氫氧化鈉處理形成致密的氫氧化鎂硬涂層，冷凍干燥形成的水凝膠軟涂層厚度為44.5 μm。雙涂層顯著提高了合金的耐蝕性和力學(xué)性能。Mg−OH−Hy植入物的腐蝕速率降低了0.61 mm/年（±0.02），極限斷裂力為750 N（±10），拔出力為350 N（±10）。電化學(xué)測(cè)試顯示Ecorr為−1.08 V， Icorr為10^−3.8 mA/cm²。這種雙涂層方法提高了機(jī)械穩(wěn)定性，控制了降解，促進(jìn)了骨整合，為不同的臨床應(yīng)用提供了個(gè)性化的解決方案。

實(shí)驗(yàn)方法
體內(nèi)植入內(nèi)固定材料
動(dòng)物手術(shù)
8周齡雄性斯普拉格-道利大鼠隨機(jī)分為三組，每組6只。腹腔注射戊巴比妥鈉（40 mg/kg）用于麻醉。取大鼠下肢毛后，充分暴露股骨內(nèi)側(cè)髁，用克氏法在股骨髁處造出直徑2 mm的股骨缺損。將本實(shí)驗(yàn)各組的針、鎂螺釘樣品適當(dāng)放置于股骨缺損內(nèi)用嚴(yán)密的縫合線縫合不同的組織層。為預(yù)防術(shù)后感染，肌肉注射芐星青霉素22,000 U/kg。術(shù)后所有大鼠均可自由活動(dòng)。每組隨機(jī)取3只大鼠，于植入鎂釘后4周和8周處死，進(jìn)一步分析。

Micro-CT分析
將獲得的股骨標(biāo)本置于4%多聚甲醛溶液中固定48小時(shí)。然后使用微型CT設(shè)備（VENUS平生醫(yī)療科技有限公司）掃描股骨標(biāo)本，并在Avatar軟件（平生醫(yī)療科技有限公司）中使用FDK方法重建掃描數(shù)據(jù)，以獲得股骨標(biāo)本的3D重建圖像。在重建圖像中選擇Φ3.0 × 6.0 mm的感興趣區(qū)域，向螺釘種植方向延伸，并定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化閾值（>861）作為骨組織和種植體。分析計(jì)算靶區(qū)新骨體積（BV）和新骨體積分?jǐn)?shù)（BV/TV）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果
體內(nèi)植入內(nèi)固定材料。為了動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)鎂種植體在體內(nèi)的降解行為和骨整合能力，作者將制備好的鎂種植體組分別植入大鼠股骨髁缺損部位，并于術(shù)后4周和8周處死動(dòng)物，觀察鎂種植體在體內(nèi)的降解程度和周?chē)�骨組織的修復(fù)情況。作者發(fā)現(xiàn)Mg組在植入4周后降解更加明顯，導(dǎo)致植入體定位形成明顯的空腔（圖9a）。我們推測(cè)這種空腔的形成與降解過(guò)程中大量氫氣的釋放有關(guān)。氣泡的釋放使成骨細(xì)胞難以在種植體表面正常粘附和增殖，從而對(duì)骨整合性能產(chǎn)生不利影響。與Mg組相比，Mg−OH（圖9b）和Mg−OH−Hy（圖9c）組的體積相對(duì)較小。由于涂層的存在，延緩了腐蝕過(guò)程的空洞形成，這也使得更多的成骨細(xì)胞附著在種植體周?chē)�，�?dǎo)致更多礦化骨組織的形成。但在植入4周后，各組間BV/TV （BV分?jǐn)?shù)代表骨組織體積與組織體積之比，可以直接反映骨量的變化）無(wú)明顯差異。

隨著鎂螺釘體內(nèi)降解的繼續(xù)，Mg組在8周時(shí)間點(diǎn)由于缺乏涂層保護(hù)和總BV進(jìn)一步降低，觀察到更明顯的氣腔（圖9d）。Mg金屬降解可能進(jìn)一步對(duì)骨組織產(chǎn)生持續(xù)的不良影響，甚至導(dǎo)致溶骨病變的發(fā)展，這與我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。Mg−OH組在8周時(shí)間點(diǎn)也有更明顯的空腔，雖然產(chǎn)氫沒(méi)有引起明顯的骨溶解，但它也不能促進(jìn)骨組織的顯著生長(zhǎng)，骨整合能力仍然不足（圖9e）。作者推測(cè)這與所形成的氧化鎂涂層的耐腐蝕性減弱有關(guān)后期進(jìn)行堿熱處理，因?yàn)閴A熱處理涂層的耐磨性較弱，當(dāng)種植體受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)，涂層的磨損會(huì)使其在體內(nèi)對(duì)鎂螺釘?shù)哪透�蝕性逐漸失效。值得注意的是，Mg-OH-Hy組8周時(shí)表現(xiàn)出更出色的骨整合，這可以通過(guò)橫向CT觀察到。骨與鎂螺釘產(chǎn)生了更優(yōu)秀的結(jié)合，并且大量礦化骨已經(jīng)沉積在鎂螺釘?shù)穆菁y中（圖9f）。BV/TV分析也反映了這一點(diǎn)，其中Mg−OH−Hy組的骨體積和骨體積分?jǐn)?shù)優(yōu)于其他組，這不僅歸因于水凝膠涂層本身具有優(yōu)異的耐腐蝕性，而且歸因于水凝膠制備的軟涂層增強(qiáng)了對(duì)堿熱處理涂層的保護(hù)作用，提高了涂層在機(jī)械損傷后的完整性增強(qiáng)整體耐蝕性。（圖9g.h）。

圖9（a-c）4周后植入大鼠股骨髁缺損部位的Mg、Mg-OH和Mg-OH-Hy的顯微CT圖像；（d−f）8周后植入大鼠股骨髁缺損部位的Mg、Mg-OH和Mg-OH-Hy的顯微CT圖像；（g） BV/TV（骨體積/組織體積）；以及（h）BV。

使用結(jié)論
采用堿性熱法制備硬涂層和單向冷凍融軟涂層的分層工藝，成功地在鎂螺釘表面制備了由氧化鎂和水凝膠組成的復(fù)合硬-軟雙態(tài)涂層，提高了鎂螺釘?shù)哪透�蝕性和生物相容性。氫氧化鈉處理形成致密的氫氧化鎂硬涂層，冷凍干燥形成的水凝膠軟涂層厚度為44.5 μm。隨后，通過(guò)冷凍干燥應(yīng)用的水凝膠軟涂層進(jìn)一步使表面光滑到50 nm。這種雙重涂層顯著地改善了兩者耐腐蝕性能和機(jī)械性能。例如，Mg - OH - Hy植入物的腐蝕速率降低了0.61 mm/y（±0.02），這是最終的斷裂力達(dá)到750n（±10），拔出力達(dá)到350n（±10）。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，腐蝕電位（Ecorr）為−1.08 V，腐蝕電流（Icorr）為10−3.8 mA/cm2�？傮w而言，與純鎂和氧化鎂硬包鎂螺桿相比，雙態(tài)涂層的抗腐蝕性能顯著提高，同時(shí)具有更好的機(jī)械穩(wěn)定性和可控降解性能，實(shí)現(xiàn)了鎂螺桿復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的低損失。提高了可降解鎂植入物在體內(nèi)對(duì)宿主骨組織的生物適應(yīng)性。

使用設(shè)備

 Micro CT（型號(hào)：VENUS）（平生醫(yī)療科技）

 影像軟件：Avatar（平生醫(yī)療科技）