文献信息

宁波大学附属李惠利医院等单位的研究成果“Hard−Soft Dual-State Coatings Regulate Degradation Rate and Biocompatibility of Orthopedic Magnesium Implants”（硬-软双态涂层调节骨科镁植入物降解速率和生物相容性）在《ACS Biomaterials Science & Engineering》杂志上发表。平生公司的离体CT（VENUS）在论文中提供股骨标本图像和定量分析。

该研究的通讯作者为彭兆祥主任。第一作者为郝明明。

文献摘要

镁与皮质骨的生物力学相似性，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，快速退化损害了结构的完整性和固定，导致失效。为了解决这个问题，作者开发了一种硬-软双态涂层来调节降解并提高性能。氢氧化钠处理形成致密的氢氧化镁硬涂层，冷冻干燥形成的水凝胶软涂层厚度为44.5 μm。双涂层显著提高了合金的耐蚀性和力学性能。Mg−OH−Hy植入物的腐蚀速率降低了0.61 mm/年（±0.02），极限断裂力为750 N（±10），拔出力为350 N（±10）。电化学测试显示Ecorr为−1.08 V， Icorr为10^−3.8 mA/cm²。这种双涂层方法提高了机械稳定性，控制了降解，促进了骨整合，为不同的临床应用提供了个性化的解决方案。

实验方法

体内植入内固定材料

动物手术

8周龄雄性斯普拉格-道利大鼠随机分为三组，每组6只。腹腔注射戊巴比妥钠（40 mg/kg）用于麻醉。取大鼠下肢毛后，充分暴露股骨内侧髁，用克氏法在股骨髁处造出直径2 mm的股骨缺损。将本实验各组的针、镁螺钉样品适当放置于股骨缺损内用严密的缝合线缝合不同的组织层。为预防术后感染，肌肉注射苄星青霉素22,000 U/kg。术后所有大鼠均可自由活动。每组随机取3只大鼠，于植入镁钉后4周和8周处死，进一步分析。

Micro-CT分析

将获得的股骨标本置于4%多聚甲醛溶液中固定48小时。然后使用微型CT设备（VENUS平生医疗科技有限公司）扫描股骨标本，并在Avatar软件（平生医疗科技有限公司）中使用FDK方法重建扫描数据，以获得股骨标本的3D重建图像。在重建图像中选择Φ3.0 × 6.0 mm的感兴趣区域，向螺钉种植方向延伸，并定义一个标准化阈值（>861）作为骨组织和种植体。分析计算靶区新骨体积（BV）和新骨体积分数（BV/TV）。

实验结果

体内植入内固定材料。为了动态评价镁种植体在体内的降解行为和骨整合能力，作者将制备好的镁种植体组分别植入大鼠股骨髁缺损部位，并于术后4周和8周处死动物，观察镁种植体在体内的降解程度和周围骨组织的修复情况。作者发现Mg组在植入4周后降解更加明显，导致植入体定位形成明显的空腔（图9a）。我们推测这种空腔的形成与降解过程中大量氢气的释放有关。气泡的释放使成骨细胞难以在种植体表面正常粘附和增殖，从而对骨整合性能产生不利影响。与Mg组相比，Mg−OH（图9b）和Mg−OH−Hy（图9c）组的体积相对较小。由于涂层的存在，延缓了腐蚀过程的空洞形成，这也使得更多的成骨细胞附着在种植体周围，导致更多矿化骨组织的形成。但在植入4周后，各组间BV/TV （BV分数代表骨组织体积与组织体积之比，可以直接反映骨量的变化）无明显差异。

随着镁螺钉体内降解的继续，Mg组在8周时间点由于缺乏涂层保护和总BV进一步降低，观察到更明显的气腔（图9d）。Mg金属降解可能进一步对骨组织产生持续的不良影响，甚至导致溶骨病变的发展，这与我们的实验结果一致。Mg−OH组在8周时间点也有更明显的空腔，虽然产氢没有引起明显的骨溶解，但它也不能促进骨组织的显著生长，骨整合能力仍然不足（图9e）。作者推测这与所形成的氧化镁涂层的耐腐蚀性减弱有关后期进行碱热处理，因为碱热处理涂层的耐磨性较弱，当种植体受到机械应力时，涂层的磨损会使其在体内对镁螺钉的耐腐蚀性逐渐失效。值得注意的是，Mg-OH-Hy组8周时表现出更出色的骨整合，这可以通过横向CT观察到。骨与镁螺钉产生了更优秀的结合，并且大量矿化骨已经沉积在镁螺钉的螺纹中（图9f）。BV/TV分析也反映了这一点，其中Mg−OH−Hy组的骨体积和骨体积分数优于其他组，这不仅归因于水凝胶涂层本身具有优异的耐腐蚀性，而且归因于水凝胶制备的软涂层增强了对碱热处理涂层的保护作用，提高了涂层在机械损伤后的完整性增强整体耐蚀性。（图9g.h）。

图9（a-c）4周后植入大鼠股骨髁缺损部位的Mg、Mg-OH和Mg-OH-Hy的显微CT图像；（d−f）8周后植入大鼠股骨髁缺损部位的Mg、Mg-OH和Mg-OH-Hy的显微CT图像；（g） BV/TV（骨体积/组织体积）；以及（h）BV。

使用结论

采用碱性热法制备硬涂层和单向冷冻融软涂层的分层工艺，成功地在镁螺钉表面制备了由氧化镁和水凝胶组成的复合硬-软双态涂层，提高了镁螺钉的耐腐蚀性和生物相容性。氢氧化钠处理形成致密的氢氧化镁硬涂层，冷冻干燥形成的水凝胶软涂层厚度为44.5 μm。随后，通过冷冻干燥应用的水凝胶软涂层进一步使表面光滑到50 nm。这种双重涂层显著地改善了两者耐腐蚀性能和机械性能。例如，Mg - OH - Hy植入物的腐蚀速率降低了0.61 mm/y（±0.02），这是最终的断裂力达到750n（±10），拔出力达到350n（±10）。电化学测试结果表明，腐蚀电位（Ecorr）为−1.08 V，腐蚀电流（Icorr）为10−3.8 mA/cm2。总体而言，与纯镁和氧化镁硬包镁螺杆相比，双态涂层的抗腐蚀性能显著提高，同时具有更好的机械稳定性和可控降解性能，实现了镁螺杆复杂表面结构和质量的低损失。提高了可降解镁植入物在体内对宿主骨组织的生物适应性。

使用设备

                                            Micro CT（型号：VENUS）（平生医疗科技）

                                                    影像软件：Avatar（平生医疗科技）