目的:本课题以可降解金属Mg-Nd-Zn-Zr合金为研究对象,探讨Mg-Nd-Zn-Zr合金在模拟体液中的降解行为;在此基础上,探讨Mg-Nd-Zn-Zr合金对成骨细胞功能的影响及体内成骨作用;最后,对Mg-Nd-Zn-Zr合金进行钙磷涂层表面处理,探讨其对镁合金降解行为及生物相容性的影响,旨在为Mg-Nd-Zn-Zr合金的临床应用提供实验依据。
方法:(1)镁合金降解行为的测试:采用静态浸泡实验和电化学腐蚀实验测定Mg-Nd-Zn-Zr合金体外降解速率及腐蚀电位;通过扫描电镜及能谱分析方法分析Mg-Nd-Zn-Zr合金腐蚀形貌及腐蚀产物,研究Mg-Nd-Zn-Zr合金在模拟体液中的降解行为。(2)镁合金对成骨细胞功能的影响:首先通过细胞毒性实验及细胞凋亡实验,分析Mg-Nd-Zn-Zr合金的生物安全性;然后将MC3T3-E1细胞与Mg-Nd-Zn-Zr合金共同培养,观察其对MC3T3-E1细胞黏附(吖啶橙染色计数及扫描电镜分析)、增殖(MTT实验)、矿化(钙结节四环素染色)及骨相关基因mRNA表达(RT-PCR方法)的影响,分析其对成骨细胞的生物功能性。(3)镁合金体内成骨作用的研究:将Mg-Nd-Zn-Zr合金与钛合金(对照组)接骨板植入新西兰兔胫骨,通过血液生化检测、X摄线片及重要脏器病理学检查,研究Mg-Nd-Zn-Zr合金体内生物安全性;然后,通过分析局部骨痂的形成及免疫组化检测,研究Mg-Nd-Zn-Zr合金体内成骨作用。(4)钙磷涂层对镁合金降解行为及生物相容性的影响:采用静态浸泡实验测定钙磷涂层Mg-Nd-Zn-Zr合金体外降解速率;采用细胞毒性实验、溶血实验及动物体内植入实验分析钙磷涂层Mg-Nd-Zn-Zr合金体内、体外的生物相容性。
结果:(1)镁合金降解行为的测试:静态浸泡实验显示Mg-Nd-Zn-Zr合金在各时间点的降解速率均比纯镁慢;电化学腐蚀实验显示Mg-Nd-Zn-Zr合金腐蚀电位比纯镁高,腐蚀电流比纯镁低,表明Mg-Nd-Zn-Zr合金比纯镁更耐腐蚀;模拟体液中浸泡30天后Mg-Nd-Zn-Zr合金表面腐蚀坑比纯镁表面腐蚀坑的体积更小,分布更均匀。(2)镁合金对成骨细胞功能的影响:Mg-Nd-Zn-Zr合金无细胞毒性。MC3T3-E1细胞与Mg-Nd-Zn-Zr合金共同培养12和24小时后,黏附于Mg-Nd-Zn-Zr合金表面的细胞数量比黏附于纯镁表面的细胞数量显著增加(P<0.05);培养第4和7天后,Mg-Nd-Zn-Zr合金表面的细胞数量(OD值)明显高于纯镁(P<0.05);培养21天后,Mg-Nd-Zn-Zr合金表面矿化结节数量及面积均明显大于纯镁(P<0.05)。Mg-Nd-Zn-Zr合金表面MC3T3-E1细胞骨相关基因Cbfa1、OPN和Col-ⅠmRNA呈时序性表达,且Mg-Nd-Zn-Zr合金表面MC3T3-E1细胞骨相关基因Cbfa1、OPN和Col-ⅠmRNA表达量比纯镁明显增加(P<0.05)。(3)镁合金体内成骨作用的研究:Mg-Nd-Zn-Zr合金在新西兰兔体内降解后对血液生化无明显影响,心、肝及肾组织学上无异常改变;X射线片显示Mg-Nd-Zn-Zr合金组比钛合金组骨痂形成更明显;免疫组化结果显示Mg-Nd-Zn-Zr合金组局部骨痂中BMP-2的表达比钛合金组更为明显。(4)钙磷涂层对镁合金降解行为及生物相容性的影响:体外降解实验结果显示钙磷涂层Mg-Nd-Zn-Zr合金在各时间点的降解速率均比Mg-Nd-Zn-Zr合金慢。钙磷涂层Mg-Nd-Zn-Zr合金无细胞毒性;溶血率为4.8%。钙磷涂层Mg-Nd-Zn-Zr合金在新西兰兔体内降解后对血液生化无明显影响,心、肝及肾组织学上无异常改变。
结论:(1)添加合金元素钕、锌和锆,提高了镁合金的腐蚀电位,降低了镁合金的降解速率,改善了镁合金的耐腐蚀性能。(2)Mg-Nd-Zn-Zr合金无细胞毒性,具有良好的生物安全性;能促进成骨细胞的黏附、增殖、矿化及骨相关基因Cbfa1、OPN和Col-ⅠmRNA的表达,具有良好的生物功能性。(3)Mg-Nd-Zn-Zr合金在新西兰兔体内具有良好的生物安全性;降解过程中可促进周围骨痂形成。(4)钙磷涂层可明显提高Mg-Nd-Zn-Zr合金的耐腐蚀性能及体内、体外生物相容性。