表面改性可降解镁的生物性能及其在骨修复领域的应用

施泽文 刘辰 陈先军 石林 余霄 王诚浩 陈泽铭 杨放 余盛 庞清江

20世纪初，可降解镁开始应用于骨修复领域。后因受到加工技术的限制，可降解镁性能无法保持稳定，加之以钛为代表的力学性能良好的惰性金属得到了广泛的临床应用，其逐渐淡出大众视野。然而研究者们也发现，随着惰性金属植入物的普及，其弹性模量远高于人体骨所引发的应力遮挡问题很可能增加继发骨质疏松和骨折的风险。21世纪初，随着加工技术的发展，镁在医用生物活性材料领域的应用得到了迅猛发展[1-2]，但其体内早期降解过快、生物功能不足的缺陷仍限制了其临床应用。新型设计和表面改性均可改善镁的骨修复功能，有助于推进可降解镁在骨修复领域应用。其中，表面改性最为简单有效，且可使镁的功能更具多样性，有望解决不同骨缺损情况下镁植入物的应用难题。

1 可降解镁在骨修复应用方面的优势和挑战

在骨修复领域，可降解镁扮演着重要的角色。与惰性金属相比，镁的可降解性不仅有助于避免二次手术，而且可以降低长期植入引发的潜在风险；镁离子是人体必需的元素，而体内过量的镁也可经肾脏排出体外。动物实验结果表明，即使肾脏存在一定程度的损伤，亦能维持体内的镁平衡[3]，证实镁具有良好的生物安全性；在成骨功能方面，镁离子不仅可以通过促进钙磷沉积加速矿化过程，而且可以通过磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B (PI3K/Akt)、Wnt信号转导通路激活下游蛋白促进成骨细胞增殖[4-5]；在力学性能方面，与钛合金相比，镁的弹性模量(约45 GPa)更接近人体骨(3～20 GPa)，可有效降低由应力遮挡引起的骨质疏松、假体周围骨折等并发症发生率。此外，其密度(1.74～2.00 g/cm3)也更接近人体骨(1.8～2.1 g/cm3)；在经济效益方面，我国镁储备丰富，价格仅为钛的1/4，具有极大的潜在经济价值。

但在体内富含氯离子的环境中，镁早期降解过快并可呈明显点腐。被腐蚀后镁会出现失重、氢气释放和pH值上升等问题。过早失重可削弱其力学性能，导致其无法提供足够的支撑；过量的氢气释放则会引发肌肉或皮下积气，螺钉植入骨髓的部分甚至会引发更严重的髓腔内氢气积蓄[6]；尽管一定范围内的pH值上升可促进其成骨和血管化并提升抗菌作用，但pH值过高则可抑制成骨细胞黏附和增殖，甚至会引发溶骨现象。由此可见，镁的降解微环境对其性能稳定具有重要作用。因此，通过改性获得降解速度可控、力学支撑足够的新型生物镁势在必行。

2 表面改性在可降解镁骨修复应用方面的潜能

可降解镁的改性方法主要有新型设计和表面改性，其中新型设计方法包括新型结构设计和合金元素组成设计，而表面改性方法则包括微弧氧化(MAO)、阳极氧化、化学转化、化学沉积、溶胶凝胶、浸涂、旋涂、喷涂等。表面改性不但简便易行，而且可以使镁的耐腐蚀性、力学强度、生物安全性、成骨作用、抗菌作用等多种性能更加完善。

2.1 耐腐蚀性

镁的可降解性在临床应用中既是优点，也是不利因素。众所周知，骨折愈合分为炎症期、修复期(3～6个月)和重建期3阶段。在重建期前，植入物需要有较小的降解速率和足够的力学强度，以此满足支撑功能；而在重建期后，植入物则需要有较快的降解速度。通过对表面涂层改性增强耐腐蚀性即可实现使镁基的降解速率可调可控的目标，从而满足临床需求。涂层的制备方法主要有化学转化、阳极氧化、电沉积法、水热法、离子注入法、MAO等，其中MAO对镁的耐腐蚀性的改善尤为明显。研究发现，MAO处理可以提高镁合金AZ31的腐蚀电位[7]。徐亦驰等[8]通过动物实验研究发现，经MAO处理的AZ31棒在植入10周后体积分数仅下降2.9%。电压是影响MAO效果的主要因素，不同电压条件下生成的涂层耐腐蚀性不同，这与不同电压下容抗弧半径大小不同有关，容抗弧半径越大涂层耐腐蚀性能越好[9]。表面多孔结构的复合羟基磷灰石(HA)经MAO处理后形成的复合涂层耐腐蚀性较好[10]，但也会受pH值的影响，pH=6.5时其耐腐蚀性更好[11]。涂层材料也较为复杂，有机高分子不仅可以提高镁的耐腐蚀性，而且可以使其具有更好的生物相容性[12]。有学者研究发现，聚乳酸/双环戊二烯复合涂层可显著降低镁合金的腐蚀速率[13]。Diez等[1]在可降解镁表面制备了HA /左旋聚乳酸涂层，发现该方法可以增强其耐腐蚀性。由此可见，加工工艺和材料均会影响涂层性能，而将不同的加工工艺和材料联合应用制备的复合涂层较单一涂层更具明显优势[1,10-11，13-21](表1)。

表1 常见镁复合涂层制备及性能提升

2.2 力学强度

可吸收植入物不仅要具备足够的初始强度，而且要在整个成骨过程中能够弥补新生骨的力学不足。目前，镁植入物的初始强度已经可以满足临床需求，故更多的研究聚焦于其远期强度。有研究发现，钙磷涂层可维持镁基4个月的支撑强度[22]。Diekmann等[23]采用镁合金螺钉固定重建的兔子前叉韧带并观察6个月，发现植入物位置保持良好，该结果证实螺钉能提供足够的中远期力学强度。涂层可通过改善基体的耐腐蚀性提高基体的中远期力学性能，而基体的初始强度则更多地依靠镁合金的成分构成和空间结构设计。

2.3 生物安全性

生物安全性是一切临床产品的应用基础。镁离子本身可参与体内大多数生理活动，故具有较高的生物安全性。有学者提出，镁植入物不会对动物肾脏造成明显损伤，即使实验动物存在肾功能衰竭[1]。还有研究表明，镁的摄入与原发性肝癌发病率和死亡率呈负相关[24]，但镁的平衡破坏会导致肝脏病理改变[25]。涂层改性可以避免镁离子的突释，有助于提升镁的生物安全性。有研究通过3个月的观察发现，经MAO改性的镁合金并未对兔子重要脏器产生明显影响[26]。此外，化学转化法制备的镁添加钙磷涂层也不会对动物重要脏器功能产生影响[27]。然而，由于HA涂层也会有局部细胞死亡现象[18]，故涂层安全性依然受到质疑，涂层的局部细胞毒性仍有待深入研究。

2.4 成骨作用

传统惰性金属无成骨作用，故常可引发内固定松动、骨质疏松等并发症。镁能促进局部成骨，机制如下：一方面镁离子有助于激活维生素D，故可调节体内的钙磷平衡，从而促进骨骼生长[28]；另一方面镁离子还可以刺激骨膜释放神经递质，从而促进骨膜内干细胞的成骨分化[29]。经过表面改性的镁可进一步促进成骨细胞增殖、分化。研究发现，采用化学转化法将添加磷酸钙涂层的镁基植入兔下颌骨，18个月后实验组较对照组有更多新生骨形成[22]。MAO涂层也可增强成骨作用。有研究将经MAO处理的镁基植入兔股骨并观察3个月，发现与对照组植入物相比，实验组植入物周围有更多新骨形成[30]，这与MAO涂层表面的多孔结构有利于成骨细胞黏附有关。此外，Yu[31]等将添加氟涂层的AZ31镁基植入兔子股骨髁，发现其能诱导更多新骨形成。这是因为氟化镁涂层可增强骨髓基质细胞的成骨分化与附着。由此可见，镁以及经表面改性处理的镁均可具有良好的成骨性。

2.5 抗菌作用

众所周知，感染是骨科植入物常见并发症之一。细菌在植入物周围定植将直接影响植入成功与否。与钛合金相比，镁表面的菌落数目和生物膜较少[32]，这可能与镁降解后形成的碱性微环境以及渗透压升高可抑制细菌生长有关。涂层改性可进一步提高镁的抗菌作用。有研究发现，MAO涂层的复合壳聚糖不仅可以明显提高基材的抗菌活性[19]，而且可以通过在涂层中添加抗菌药物进一步提高其抗菌活性。有研究在镁基表面制备氢氧化镁膜，然后用硫酸庆大霉素和聚四苯乙烯钠逐层组装形成多层膜，发现该多层膜能有效抑制金黄色葡萄球菌的生长[20]。Zhang等[13]在镁合金表面制备聚乳酸(PLA)/双环戊二烯(DCPD)复合涂层，并在PLA层中加入药物，可避免植入初期药物的突释，由此延长抗菌作用时间。

3 高性能涂层加载模式

3.1 自愈涂层模式

自愈涂层的愈合机制可分为自主和非自主愈合。非自主愈合需要光、热等外部条件引发，而自主愈合可通过自身愈合剂或缓蚀剂引发而不受外部条件限制。对骨科植入物而言，涂层自主愈合具有一定优势。利用自身愈合剂的自主愈合机制为在涂层破裂后，分布在涂层中的微胶囊也随之破裂，储存在其中的愈合剂随之释放并聚合成膜，从而修复涂层。为提高修复效率，要求愈合剂均匀足量分布在涂层中，但这可能会影响涂层与金属基体的结合强度。另一种自主愈合机制则是利用缓蚀剂。缓蚀剂有不同的分类方法：根据成分不同，可分为无机缓蚀剂(磷酸盐、亚硝酸盐、钼酸盐、钨酸盐、硼酸盐等)和有机缓蚀剂(苯并三唑、巯基苯并噻唑、咪唑啉和脂肪胺等)；根据对电化学腐蚀的控制部位不同，可分为阳极型缓蚀剂、阴极型缓蚀剂和混合型缓蚀剂。在水、pH值等内部条件激发下，缓蚀剂可渗入涂层破损部位，诱导产生氧化物和氢氧化物保护膜，从而抑制化学反应。Jia等[21]在镁基表面制备了MAO/(壳聚糖-铈)复合涂层，在镁代谢碱性环境下生成氢氧化铈修复涂层，提高了镁基的耐腐蚀性。为延长自愈性能的时效，固体纳米颗粒、纳米管等纳米颗粒可被用作愈合剂和缓蚀剂的载体。

3.2 疏水涂层模式

疏水涂层可通过降低表面能和微纳米级表面粗糙度来降低金属基体表面与水之间的黏附力，从而减少电化学腐蚀。直接采用低表面能材料制成涂层，或将低表面能材料附着于纳米结构制备纳米涂层均可降低表面能。后者因结合了材料的低表面能和纳米级粗糙度，具有较好的应用前景。Yuan[33]等采用水热法在镁基表面镀Ni-P超疏水层并将其再浸入到硬脂酸(SA)，可明显提高镁的耐腐蚀性。还有学者采用浸泡法在镁基有机涂层下制备了疏水性SA涂层，与不含SA涂层的有机涂层相比，其损坏部位更少[34]。尽管疏水涂层可明显提高镁基的耐腐蚀性，但同时也可阻碍细胞黏附，故疏水涂层设计必须结合生物相容性考虑。

4 可降解镁及其涂层改性在骨科临床的应用

近年来，随着相关的细胞或动物实验研究的逐步展开，镁的临床应用也得到进一步发展。韩国纯镁螺钉应用于人股骨头坏死自体带血管蒂骨移植固定，表现出良好的力学和生物性能[35]。除了股骨，Lee等[36]将镁合金螺钉用于桡骨骨折固定并随访1年，发现镁合金降解过程中可以促进新骨形成，并在1年内实现植入物完全降解和骨折愈合。德国Syntellix公司生产的MAGNEZIX镁合金加压螺钉取得欧洲CE认证，并且临床随访中得到了满意的疗效[37-38]。虽然镁在骨科临床应用取得了可喜的成果，但相关产品仍局限于有限功能的无机物涂层，如HA涂层生物功能局限于促成骨，其抗感染、促血管、抗肿瘤等性能仍有待进一步开发。复合涂层是未来涂层发展的一大方向，其覆盖模式是保障涂层性能的有效途径。

5 结语

可降解镁在骨修复领域扮演着重要的角色，但尚存在一系列问题。它的力学强度和降解行为可控性、降解产物代谢远期安全性等问题有待深入研究，如何进一步延长抗菌作用和促血管生成作用的时效性也有待细化研究。在追求涂层耐腐蚀性的同时，更要兼顾涂层与镁基的结合强度。相信经过不断努力，可降解镁有望成为应用于骨修复领域的新型金属生物材料。