鎂鋁合金及其涂層的初步生物學(xué)及生物力學(xué)評(píng)價(jià).pdf

1、研究背景：
　　 目前治療骨折內(nèi)固定材料主要是傳統(tǒng)金屬。傳統(tǒng)金屬植入材料最大的弊端是需二次手術(shù)取出,另外還有應(yīng)力遮擋影響骨愈合,釋放的離子引起組織級(jí)聯(lián)炎癥反應(yīng)等。生物可降解高分子作為替代傳統(tǒng)金屬的內(nèi)固定材料,其缺點(diǎn)為體內(nèi)降解速度過(guò)快或過(guò)慢、機(jī)械強(qiáng)度不足、生物相容性不佳、導(dǎo)致組織炎癥等。進(jìn)一步研究具有良好生物力學(xué)特性、適當(dāng)?shù)慕到饴屎蜕锇踩缘墓强漆t(yī)用植入材料,已成為目前內(nèi)固定研究的一個(gè)方向。
　　 鎂及鎂基材料具有良好生

2、物相容性、骨傳導(dǎo)性、可降解性,力學(xué)特性與骨組織相似等優(yōu)點(diǎn),使之有希望成為骨科新型可降解植入金屬材料。純鎂的主要缺點(diǎn)是低耐蝕性,并此而產(chǎn)生大量的氫氣,限制了它的應(yīng)用。因此,提高抗腐蝕性能是目前鎂合金開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)方向。
　　 添加合金元素是提高鎂的力學(xué)性能和抗腐蝕性的重要措施,而保護(hù)性涂層能進(jìn)一步提高鎂的抗腐蝕性和生物相容性。研究發(fā)現(xiàn)多孔的AZ91D鎂合金支架具有適當(dāng)降解率,可刺激外周骨重建,具有較好的生物相容性。晶體LAE442鎂合

3、金具有低腐蝕率和可接受的宿主體內(nèi)反應(yīng),其MgF2涂層可進(jìn)一步降低腐蝕率。Ca-P涂層鎂合金可被轉(zhuǎn)化成羥基磷灰石HA,從而提高鎂表面細(xì)胞相容性,保護(hù)鎂合金不被快速腐蝕。
　　 作為一種新型的醫(yī)用可降解金屬材料,其生物安全性及力學(xué)特性有待實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。本研究采用中科院金屬所研制的鎂鋁合金(AZ31B,3％Al,1％Zn,其余為鎂)及其HA涂層和MgF2涂層來(lái)初步研究其生物學(xué)和界面螺釘?shù)纳锪W(xué)。
　　 目的：
　　 1.

4、評(píng)價(jià)鎂鋁合金及其涂層細(xì)胞毒性；
　　 2.評(píng)價(jià)鎂鋁合金及其涂層的溶血性；
　　 3.分析鎂鋁合金及其涂層浸提液鎂、鈉離子濃度和pH值；
　　 4.評(píng)價(jià)鎂鋁合金及其涂層的致敏性；
　　 5.評(píng)價(jià)鎂鋁合金及其涂層的全身毒性；
　　 6.觀察鎂鋁合金及其涂層的降解及血清鎂變化；
　　 7.評(píng)價(jià)鎂鋁合金及其涂層界面螺釘?shù)纳锪W(xué)。
　　 研究方法
　　 1 細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)分為8組:空

5、白對(duì)照組(N)；100％鎂鋁合金浸提液組(100％M),50％鎂鋁合金浸提液組(50％M),25％鎂鋁合金浸提液組(25％M),10％鎂鋁合金浸提液組(10％M),HA涂層鎂鋁合金浸提液組(H),MgF2涂層鎂鋁合金浸提液組(F)和陽(yáng)性對(duì)照組(P)。將L929細(xì)胞在各組的DMEM浸提液中培養(yǎng)1、3、5、7d。共培養(yǎng)192孔,每組每觀察期平行操作6孔。光學(xué)顯微鏡下觀察細(xì)胞生長(zhǎng)狀況,應(yīng)用WST-1法測(cè)量吸光度(OD)。計(jì)算細(xì)胞毒性反應(yīng)。應(yīng)用

6、Factorial ANOVA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,兩兩分析應(yīng)用S-N-K法。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。
　　 2.溶血實(shí)驗(yàn)分為兩次實(shí)驗(yàn),第一次實(shí)驗(yàn)分為5組:陰性對(duì)照組(N1),鎂鋁合金組(M),HA涂層鎂鋁合金組(H),MgF2涂層鎂鋁合金組(F),陽(yáng)性對(duì)照組(P1)。第二次實(shí)驗(yàn)分為9組:陰性對(duì)照組(N2),100％鎂鋁合金浸提液組(100％M),50％鎂鋁合金浸提液組(50％M),25％鎂鋁合金浸提液組(25％M),10％鎂鋁合金浸提

7、液組(10％M),5％鎂鋁合金浸提液組(5％M),2.5％鎂鋁合金浸提液組(2.5％M),1％鎂鋁合金浸提液組(1％M)和陽(yáng)性對(duì)照組(P2)。各組平行操作3次。按GBT 16175-2008《醫(yī)用有機(jī)硅材料生物學(xué)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法》第13部分《溶血試驗(yàn)》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)量各樣本的OD值,計(jì)算溶血率。應(yīng)用one-wayANOVA對(duì)OD值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,兩兩分析應(yīng)用S-N-K法。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。
　　 3.浸提液分析:鎂鋁合金浸提液用生

8、理鹽水稀釋成100％、50％、5％的鎂鋁合金浸提液,計(jì)算各稀釋度溶液的鈉、鎂離子濃度。鎂鋁合金浸提液稀釋成100％、50％、25％、10％、5％、2.5％、1.0％的鎂鋁合金浸提液,計(jì)算pH值。應(yīng)用one-wayANOVA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,兩兩分析應(yīng)用S-N-K法。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。
　　 4.豚鼠最大劑量致敏實(shí)驗(yàn):分為5組,實(shí)驗(yàn)組:鎂鋁合金組(M),HA涂層鎂鋁合金組(H),MgF2涂層鎂鋁合金組(F)；陰性對(duì)照組(N),陽(yáng)

9、性對(duì)照組(P)。對(duì)照組分別為8只豚鼠,實(shí)驗(yàn)組為14只豚鼠。按照GB-T 16886.10-2005《醫(yī)療器械生物學(xué)評(píng)價(jià)》第10部分《刺激與遲發(fā)型超敏反應(yīng)試驗(yàn)》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。觀察激發(fā)階段去除貼附片后6h、24 h、48 h、72 h豚鼠皮膚致敏情況,計(jì)算致敏率和平均反應(yīng)值；去除貼附片后72 h活檢皮膚觀察顯微結(jié)構(gòu)。
　　 5.全身毒性試驗(yàn):分為4組:鎂鋁合金組(M),HA涂層鎂鋁合金組(H),MgF2涂層鎂鋁合金組(F),陰性對(duì)照組(

10、N)。每組5只小白鼠。按GBT 16175-2008《醫(yī)用有機(jī)硅材料生物學(xué)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)方法》第8部分《急性全身毒性試驗(yàn)》進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。觀察注射后小白鼠一般情況,測(cè)量小白鼠實(shí)驗(yàn)前后體重,應(yīng)用one-wayANOVA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。
　　 6.植入實(shí)驗(yàn):將24只兔子隨機(jī)分為4組:鎂鋁合金組(M),HA涂層鎂鋁合金組(H),MgF2涂層鎂鋁合金組(F)和聚乳酸組(PLA)。在兔子股骨髁外側(cè)植入直徑3mm,長(zhǎng)10mm的圓銷(xiāo)

11、。術(shù)后觀察兔子的活動(dòng)、進(jìn)食、睡眠、創(chuàng)口及皮下氣腫。術(shù)后4 w、12 w各處死12只,每組3只。將處死兔子的對(duì)側(cè)股骨髁外側(cè)植入4種材料的圓銷(xiāo),每組3個(gè)樣本,作為術(shù)后當(dāng)天觀察期。植入的股骨遠(yuǎn)端進(jìn)行X線拍片、CT掃描。術(shù)前1d、術(shù)后1d、3d、1w、2w、4w、8w、12w對(duì)M組進(jìn)行抽血化驗(yàn),測(cè)量血清鎂離子濃度,應(yīng)用one-way ANOVA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,兩兩分析應(yīng)用S-N-K法。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。
　　 7.界面螺釘生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)

12、:分為5組:鎂鋁合金界面螺釘組(M),HA涂層鎂鋁合金界面螺釘組(H),MgF2涂層鎂鋁合金界面螺釘組(F),鈦合金界面螺釘組(T)和聚乳酸界面螺釘組(PLA)。每組10個(gè)界面螺釘在豬的脛骨上重建前叉韌帶,進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試。計(jì)算伸長(zhǎng)度、抗拉剛度及最大負(fù)載(失效力),應(yīng)用one-way ANOVE進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,兩兩比較用S-N-K法分析。失效方式應(yīng)用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行分析。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。
　　 結(jié)論
　　 1、體外實(shí)驗(yàn)

13、可見(jiàn)未稀釋鎂鋁合金浸提液有細(xì)胞毒性和溶血率,考慮到鎂合金本身的特性和體內(nèi)的情況,體外實(shí)驗(yàn)不能說(shuō)明鎂合金的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　 2、鎂鋁合金HA涂層和MgF2涂層鎂鋁合金無(wú)細(xì)胞毒性和溶血率。
　　 3、鎂鋁合金、HA涂層鎂鋁合金和MgF2涂層鎂鋁合金無(wú)致敏性和急性全身毒性反應(yīng)。
　　 4、鎂鋁合金植入后3個(gè)月僅有少量降解,MgF2涂層鎂鋁合金的涂層在3個(gè)月時(shí)已完全降解,HA涂層鎂鋁合金的涂層在3個(gè)月時(shí)仍對(duì)鎂鋁合金起

14、保護(hù)作用。鎂鋁合金植入體內(nèi)鎂離子濃度無(wú)明顯變化。植入后4種材料均無(wú)皮下氣腫和纖維囊形成。
　　 5、鎂鋁合金及其HA涂層和MgF2涂層界面螺釘重建前叉韌帶的力學(xué)達(dá)到臨床要求的初始固定力量。
　　 6、鎂鋁合金及其MgF2涂層和HA涂層可有效減緩鎂鋁合金的腐蝕率,其涂層具有良好的生物相容性。
　　 7、對(duì)高腐蝕率的鎂合金金屬材料,應(yīng)修訂新的體外生物學(xué)評(píng)價(jià)方法。
　　 8、本研究為鎂鋁合金及其涂層作為骨科植入