可吸收金属镁锌合金的降解与生物相容性

摘要

目的：⑴探讨镁锌合金在模拟体液中的降解特性。⑵探讨镁锌合金对小鼠成骨细胞MC3T3-E1的生物相容性。⑶探讨金属镁锌合金在动物体内的降解特点、成骨特性以及材料降解后其产物对体内心、肝、肾、脾、骨以及血镁、肝肾功能等影响。 方法：①以镁锌合金与纯镁作为研究对象，通过电化学腐蚀实验、静态浸泡实验、动力腐蚀实验，扫描电镜、元素分析和X线衍射等方法分析这些材料在模拟体液的降解情况。②通过镁锌合金对小鼠成骨细胞MC3T3-E1的毒性实验、溶血实验探讨材料对细胞的安全性；应用碱性磷酸酶染色和钙结节四环素染色鉴定MC3T3-E1细胞成骨功能；将细胞MC3T3-E1分别种植在镁锌合金和聚乳酸表面后通过吖啶橙染色计数，分析细胞黏附结果，应用四环素染色法测定细胞在材料表面共培养后的矿化能力；运用RT-PCR方法测定细胞共培养后第3d、6d、9d、12d、15d与18d成骨细胞骨相关基因I型胶原αl、ALP和OC mRNA表达，在分子水平探讨材料对成骨细胞骨相关基因mRNA表达影响。③实验分成镁锌合金组、聚乳酸组和阴性对照组。将镁锌合金植入新西兰兔股骨远端髓腔，分别与仅建立骨隧道组和聚乳酸组比较。通过X光片、扫描电子显微镜、荧光显微镜和元素分析镁锌合金在体内的降解，运用硬组织苦味酸染色在光学显微镜和扫描电镜下观察材料与骨组织界面；测定外周血镁、肝肾功能和血尿酸含量，将心、肝、肾、脾和骨组织制成病理切片，在组织学上分析材料对动物重要器官的影响。 结果：⑴电化学腐蚀实验结果揭示镁锌合金在模拟体液中的腐蚀电位较纯镁高，其腐蚀速率低于纯镁；镁锌合金在模拟体液的点蚀电位高于纯镁；静态浸泡实验结果提示镁锌合金在模拟体液浸泡3d的腐蚀速率明显低于纯镁，是后者降解速度的一半，其值分别为0.15mm/yr和0.425mm/yr，两者存在显著性统计学差异(P<0.05)。材料浸泡30d的腐蚀速率均显著下降，分别为0.05mm/yr和0.1mm/yr，各自与第3d的相比存在显著性差别(P<0.05)。纯镁在模拟体液中腐蚀严重，出现裂纹，表面有较大腐蚀坑，镁锌合金腐蚀相对均匀，未出现明显腐蚀坑。元素分析表明镁锌合金表面腐蚀产物有大量Ca、P沉积，且腐蚀产物与材料的结合比纯镁的更加紧密。X衍射分析在纯镁和镁锌合金表面存在羟基磷灰石、氢氧化镁等沉积物。动力腐蚀实验结果也提示镁锌合金具有更强的耐腐蚀性能。纯镁和镁锌合金在模拟体液浸泡后的溶液pH值变化类似，浸泡初期pH值快速上升，20h左右从7.44上升到8.80以上，之后稳定在9.00左右。⑵镁锌合金对小鼠成骨细胞MC3T3-E1无毒性，溶血实验阴性；细胞在浸提液培养后能表达ALP和钙结节；在1h、2h和4h检测的镁锌合金表面粘附细胞比聚乳酸表面的多，两者存在统计学差异(P<0.05)；镁锌合金表面细胞的矿化结节面积比聚乳酸的大，两者存在统计学差别(P<0.05)；细胞与材料相互作用后，镁锌合金表面细胞骨相关基因I型胶原α1、ALP和OC mRNA呈时序表达，与PLLA表面细胞的骨相关基因mRNA表达呈相同趋势。镁锌合金表面细胞骨相关基因mRNA表达量比聚乳酸的多，但两者无统计学差别(P>0.05)。⑶镁锌合金在股骨髓腔内能降解，术后14周约降解87％；镁锌合金降解后血镁、肝肾功能和血尿酸等与术前相比无统计学差异(P>0.05)，心、肝、肾、脾和骨在组织学上细胞结构无改变；种植材料与骨组织一起经塑料包埋后在光学显微镜和扫描电镜下观察种植体与骨组织交界面，发现其界面无炎性细胞浸润，无界膜样物质形成；镁锌合金能促进骨组织形成，在形态上其降解速率比聚乳酸快；聚乳酸对成骨作用不明显，与骨组织交界处存在纤维样界膜。 结论：①添加元素锌能有效提高镁基材料在模拟体液的抗腐蚀性能；镁锌合金与纯镁在模拟体液降解后存在羟基磷灰石沉积；镁锌合金与纯镁在模拟体液中降解会引起pH值升高。②镁锌合金能促进小鼠成骨细胞MC3T3-E1的增殖、粘附与细胞成骨功能，对细胞I型胶原αl、ALP和OC mRNA的时序表达无影响，对细胞MC3T3-E1具有良好的生物相容性，其安全性不亚于PLLA。③镁锌合金在新西兰兔股骨髓腔能降解，术后14周约降解87％；镁锌合金降解后能促进新骨形成，在体内对骨组织具有良好的生物相容性，对机体重要器官具有良好的生物安全性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号和单位说明

声明

前言

第一部分 镁锌合金在模拟体液中的降解

1.1实验器材与材料

1.2实验方法

1.3实验结果

1.4讨论

1.5结论

第二部分 镁锌合金体外与成骨细胞的分子生物相容性

2.1实验器材与材料

2.2实验方法

2.3实验结果

2.4讨论

2.5结论

第三部分 镁锌合金体内对兔的生物相容性

3.1实验器材与材料

3.2实验方法

3.3实验结果

3.4讨论

3.5结论

全文总结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文与论著