硬-軟雙態涂層調節骨科鎂植入物的降解速率和生物相容性

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

該研究的通訊作者為彭兆祥主任。第一作者為郝明明。

文獻摘要
鎂與皮質骨的生物力學相似性，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，快速退化損害了結構的完整性和固定，導致失效。為了解決這個問題，作者開發了一種硬-軟雙態涂層來調節降解并提高性能。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）。電化學測試顯示Ecorr為−1.08 V， Icorr為10^−3.8 mA/cm²。這種雙涂層方法提高了機械穩定性，控制了降解，促進了骨整合，為不同的臨床應用提供了個性化的解決方案。

實驗方法
體內植入內固定材料
動物手術
8周齡雄性斯普拉格-道利大鼠隨機分為三組，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，充分暴露股骨內側髁，用克氏法在股骨髁處造出直徑2 mm的股骨缺損。將本實驗各組的針、鎂螺釘樣品適當放置于股骨缺損內用嚴密的縫合線縫合不同的組織層。為預防術后感染，肌肉注射芐星青霉素22,000 U/kg。術后所有大鼠均可自由活動。每組隨機取3只大鼠，于植入鎂釘后4周和8周處死，進一步分析。

Micro-CT分析
將獲得的股骨標本置于4%多聚甲醛溶液中固定48小時。然后使用微型CT設備（VENUS平生醫療科技有限公司）掃描股骨標本，并在Avatar軟件（平生醫療科技有限公司）中使用FDK方法重建掃描數據，以獲得股骨標本的3D重建圖像。在重建圖像中選擇Φ3.0 × 6.0 mm的感興趣區域，向螺釘種植方向延伸，并定義一個標準化閾值（>861）作為骨組織和種植體。分析計算靶區新骨體積（BV）和新骨體積分數（BV/TV）。

實驗結果
體內植入內固定材料。為了動態評價鎂種植體在體內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，并于術后4周和8周處死動物，觀察鎂種植體在體內的降解程度和周圍骨組織的修復情況。作者發現Mg組在植入4周后降解更加明顯，導致植入體定位形成明顯的空腔（圖9a）。我們推測這種空腔的形成與降解過程中大量氫氣的釋放有關。氣泡的釋放使成骨細胞難以在種植體表面正常粘附和增殖，從而對骨整合性能產生不利影響。與Mg組相比，Mg−OH（圖9b）和Mg−OH−Hy（圖9c）組的體積相對較小。由于涂層的存在，延緩了腐蝕過程的空洞形成，這也使得更多的成骨細胞附著在種植體周圍，導致更多礦化骨組織的形成。但在植入4周后，各組間BV/TV （BV分數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）無明顯差異。

隨著鎂螺釘體內降解的繼續，Mg組在8周時間點由于缺乏涂層保護和總BV進一步降低，觀察到更明顯的氣腔（圖9d）。Mg金屬降解可能進一步對骨組織產生持續的不良影響，甚至導致溶骨病變的發展，這與我們的實驗結果一致。Mg−OH組在8周時間點也有更明顯的空腔，雖然產氫沒有引起明顯的骨溶解，但它也不能促進骨組織的顯著生長，骨整合能力仍然不足（圖9e）。作者推測這與所形成的氧化鎂涂層的耐腐蝕性減弱有關后期進行堿熱處理，因為堿熱處理涂層的耐磨性較弱，當種植體受到機械應力時，涂層的磨損會使其在體內對鎂螺釘的耐腐蝕性逐漸失效。值得注意的是，Mg-OH-Hy組8周時表現出更出色的骨整合，這可以通過橫向CT觀察到。骨與鎂螺釘產生了更優秀的結合，并且大量礦化骨已經沉積在鎂螺釘的螺紋中（圖9f）。BV/TV分析也反映了這一點，其中Mg−OH−Hy組的骨體積和骨體積分數優于其他組，這不僅歸因于水凝膠涂層本身具有優異的耐腐蝕性，而且歸因于水凝膠制備的軟涂層增強了對堿熱處理涂層的保護作用，提高了涂層在機械損傷后的完整性增強整體耐蝕性。（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合硬-軟雙態涂層，提高了鎂螺釘的耐腐蝕性和生物相容性。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，通過冷凍干燥應用的水凝膠軟涂層進一步使表面光滑到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到750n（±10），拔出力達到350n（±10）。電化學測試結果表明，腐蝕電位（Ecorr）為−1.08 V，腐蝕電流（Icorr）為10−3.8 mA/cm2。總體而言，與純鎂和氧化鎂硬包鎂螺桿相比，雙態涂層的抗腐蝕性能顯著提高，同時具有更好的機械穩定性和可控降解性能，實現了鎂螺桿復雜表面結構和質量的低損失。提高了可降解鎂植入物在體內對宿主骨組織的生物適應性。

使用設備

 Micro CT（型號：VENUS）（平生醫療科技）

 影像軟件：Avatar（平生醫療科技）