鎂鋁合金及其涂層的初步生物學及生物力學評價.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,其缺點為體內(nèi)降解速度過快或過慢、機械強度不足、生物相容性不佳、導致組織炎癥等。進一步研究具有良好生物力學特性、適當?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)固定研究的一個方向。
　　 鎂及鎂基材料具有良好生

2、物相容性、骨傳導性、可降解性,力學特性與骨組織相似等優(yōu)點,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發(fā)的熱點方向。
　　 添加合金元素是提高鎂的力學性能和抗腐蝕性的重要措施,而保護性涂層能進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,從而提高鎂表面細胞相容性,保護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特性有待實驗評價。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涂層來初步研究其生物學和界面螺釘?shù)纳锪W。
　　 目的：
　　 1.

4、評價鎂鋁合金及其涂層細胞毒性；
　　 2.評價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.評價鎂鋁合金及其涂層的致敏性；
　　 5.評價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.評價鎂鋁合金及其涂層界面螺釘?shù)纳锪W。
　　 研究方法
　　 1 細胞毒性實驗分為8組:空

5、白對照組(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)和陽性對照組(P)。將L929細胞在各組的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。光學顯微鏡下觀察細胞生長狀況,應(yīng)用WST-1法測量吸光度(OD)。計算細胞毒性反應(yīng)。應(yīng)用

6、Factorial ANOVA進行統(tǒng)計學分析,兩兩分析應(yīng)用S-N-K法。檢驗水準α=0.05。
　　 2.溶血實驗分為兩次實驗,第一次實驗分為5組:陰性對照組(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),陽性對照組(P1)。第二次實驗分為9組:陰性對照組(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)和陽性對照組(P2)。各組平行操作3次。按GBT 16175-2008《醫(yī)用有機硅材料生物學評價實驗方法》第13部分《溶血試驗》進行實驗。測量各樣本的OD值,計算溶血率。應(yīng)用one-wayANOVA對OD值進行統(tǒng)計學分析,兩兩分析應(yīng)用S-N-K法。檢驗水準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,計算pH值。應(yīng)用one-wayANOVA進行統(tǒng)計學分析,兩兩分析應(yīng)用S-N-K法。檢驗水準α=0.05。
　　 4.豚鼠最大劑量致敏實驗:分為5組,實驗組:鎂鋁合金組(M),HA涂層鎂鋁合金組(H),MgF2涂層鎂鋁合金組(F)；陰性對照組(N),陽

9、性對照組(P)。對照組分別為8只豚鼠,實驗組為14只豚鼠。按照GB-T 16886.10-2005《醫(yī)療器械生物學評價》第10部分《刺激與遲發(fā)型超敏反應(yīng)試驗》進行實驗。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: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),陰性對照組(

10、N)。每組5只小白鼠。按GBT 16175-2008《醫(yī)用有機硅材料生物學評價實驗方法》第8部分《急性全身毒性試驗》進行實驗。觀察注射后小白鼠一般情況,測量小白鼠實驗前后體重,應(yīng)用one-wayANOVA進行統(tǒng)計學分析。檢驗水準α=0.05。
　　 6.植入實驗:將24只兔子隨機分為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10mm的圓銷

11、。術(shù)后觀察兔子的活動、進食、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。將處死兔子的對側(cè)股骨髁外側(cè)植入4種材料的圓銷,每組3個樣本,作為術(shù)后當天觀察期。植入的股骨遠端進行X線拍片、CT掃描。術(shù)前1d、術(shù)后1d、3d、1w、2w、4w、8w、12w對M組進行抽血化驗,測量血清鎂離子濃度,應(yīng)用one-way ANOVA進行統(tǒng)計分析,兩兩分析應(yīng)用S-N-K法。檢驗水準α=0.05。
　　 7.界面螺釘生物力學實驗

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個界面螺釘在豬的脛骨上重建前叉韌帶,進行生物力學測試。計算伸長度、抗拉剛度及最大負載(失效力),應(yīng)用one-way ANOVE進行統(tǒng)計學分析,兩兩比較用S-N-K法分析。失效方式應(yīng)用卡方檢驗進行分析。檢驗水準α=0.05。
　　 結(jié)論
　　 1、體外實驗

13、可見未稀釋鎂鋁合金浸提液有細胞毒性和溶血率,考慮到鎂合金本身的特性和體內(nèi)的情況,體外實驗不能說明鎂合金的體內(nèi)實驗結(jié)果。
　　 2、鎂鋁合金HA涂層和MgF2涂層鎂鋁合金無細胞毒性和溶血率。
　　 3、鎂鋁合金、HA涂層鎂鋁合金和MgF2涂層鎂鋁合金無致敏性和急性全身毒性反應(yīng)。
　　 4、鎂鋁合金植入后3個月僅有少量降解,MgF2涂層鎂鋁合金的涂層在3個月時已完全降解,HA涂層鎂鋁合金的涂層在3個月時仍對鎂鋁合金起

14、保護作用。鎂鋁合金植入體內(nèi)鎂離子濃度無明顯變化。植入后4種材料均無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達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、對高腐蝕率的鎂合金金屬材料,應(yīng)修訂新的體外生物學評價方法。
　　 8、本研究為鎂鋁合金及其涂層作為骨科植入