生物可降解镁合金的制备、表征及体外生物活性评价

发布时间：2018-12-29 10:26

【摘要】：人们在日常生活中，，经常会因为某些意外情况而发生不同程度、不同类型的骨折，以及各种疾病造成的局部或大范围的骨缺损。造成骨缺损的原因有很多，可能是长时间的废用性萎缩，也可能是肿瘤或者外伤，无论哪种原因都使得种植体无法获得良好的初期稳定性，这时就需要植骨来解决这一难题，无论哪种植骨材料应用后都需要骨固定材料将其固定于牙槽骨上，并且这种骨固定材料尤其适用于作为骨折时的内固定材料。目前，临床上常用的骨移植手术固定材料及植骨材料主要有不锈钢、钛合金、可吸收性高分子材料及人工合成材料等，但是，不锈钢和钛合金的弹性模量与骨皮质差异较大，易引起应力遮挡效应，而且，作为植骨材料，不锈钢、钛合金需要二次手术取出，这样就增加了患者的痛苦和费用；可吸收高分子材料如聚乳酸-聚羟基乙酸(PLGA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等已经应用于临床，但仍存在不足：生物活性较低，力学性能较差，可引起无菌性炎症及周围组织的纤维化等；人工合成材料有PRF、组织工程支架材料等。以上材料各有优缺点。因此，如何合成一种具有良好生物相容性，一定力学性能，可控降解性能的生物材料就成为医学界一项意义重大的任务。近年来，镁（Mg）及其合金作为一种金属基复合生物材料引起了人们广泛的关注。镁的化学性质极其活泼，在动物体内可短时间降解，镁与其他金属植入物相比，其弹性模量和力学性能更接近皮质骨，这样的物理特性使镁及其合金作为植骨及固定材料应用时能够有效地避免由植入材料引起的应力遮挡效应。因此，镁合金有望成为理想的新型可降解生物医用金属材料。但是，镁合金最大的缺点就是降解过快、产生大量氢气以及由此引起降解环境的碱性化。因此，如何改善镁合金的降解速度，使其与体内成骨的速度相匹配成为现在研究的重点所在。本研究从体外实验的角度探讨了富含Zn、HA元素的镁合金材料的机械性能和体外降解能力，以及对小鼠前成骨样细胞MC3T3-E1的增殖、黏附和分化的影响，Real time PCR探讨了镁合金材料对成骨相关基因的影响，Western Blot探讨了镁合金材料对RUNX2、FAK、p-FAK及整合素蛋白表达的影响，为其日后临床研究提供理论依据。通过粉末冶金法及热挤压法制备Mg-4Zn-3HA合金材料，应用扫描电镜表征材料的表面性能，通过压缩试验检测材料的机械性能，浸泡在模拟体液中，持续28天检测材料的降解及由此引起的pH值的变化，通过扫描电镜及能谱定量分析材料降解后的表面性能，及X射线衍射分析降解产物。结果显示：Mg-4Zn-3HA合金的内部疏松多孔，并且它的机械性能与其它植入材料相比更接近于天然骨，使得Mg-4Zn-3HA合金相较于其他金属更加的适合做植入材料。pH值在28天的降解时间内先升高后降低，最后稳定在8.3左右。其腐蚀率在开始的时候最高，随后降低，最后小幅度升高后稳定。降解产物X射线衍射结果分析显示较强的Mg(OH)2衍射峰，还有一定数量其它峰值，例如：HA和Mg-Zn化合物。材料降解后扫描电镜及能谱分析显示材料表面出现大量的裂痕和沉淀，降解产物表面粗糙多孔。能谱分析的结果显示材料的表面腐蚀产物中Mg、Ca、P和O含量丰富。根据ISO10993-5，制备材料的浸提液，与MC3T3-E1细胞共培养1d、2d、3d，通过CCK-8实验、流式细胞周期实验和碱性磷酸酶（ALP）实验检测细胞毒性、增殖、以及成骨分化能力，通过扫描电镜观察细胞与材料共培养，检测早期细胞的黏附能力。结果显示：三种不同温度处理制备的镁合金都是无毒性的，处理温度为300℃的镁合金与另外两组相比较，有着更好的生物相容性。不同浓度浸提液（100%、50%、10%）对MC3T3-E1细胞的增殖结果表明浓度为50%浸提液组的增殖能力更明显。流式细胞周期的检测结果也证实了镁合金对细胞增殖的促进作用。通过扫描电镜观察，细胞在材料表面没有明显的细胞形态的改变，细胞伸展良好，还可以看到细胞的丝状伪足有的已经伸展到周围的细胞上。通过碱性磷酸酶实验可看出镁合金材料良好的促成骨能力，其中250℃和300℃镁合金组细胞内ALP活力显著高于对照组，300℃处理组差异最明显。在分子生物学实验中，Real time PCR实验结果显示：BSP的相对表达量在第3天和第7天显著高于对照组，第14天低于对照组；OC的相对表达量在检测时间点低于对照组，但是呈现增长趋势；OPN的相对表达量在第3天显著高于对照组，在第7天和第14天与对照组无显著性差异。Western Blot实验结果显示：RUNX2蛋白的相对表达量在第3天和第14天高于对照组，其中第14天有显著性差异，在第7天，略低于对照组；FAK蛋白的相对表达量在第3天低于对照组，但是在第7天和第14天显著高于对照组；p-FAK蛋白的相对表达量在第3天和第7天显著高于对照组，第14天，略低于对照组；整合素蛋白的相对表达量在三个检测时间点均低于对照组，但是在第7天并无显著性差异。综上所述，Mg-4Zn-3HA合金的抗腐蚀性能有所提高，在促进细胞增殖和早期成骨分化方面表现良好，并具有良好的生物相容性。本实验为日后镁合金的临床应用提供了理论基础，我们有理由相信Mg-4Zn-3HA合金可以成为理想的医用生物可降解植入材料。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R783.1

【参考文献】