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目的:目前不锈钢、钛合金和钴基合金由于其高机械强度及抗断裂性,在骨科植入器械中得到广泛的应用。但是其弹性模量均远远高于人体骨骼,易产生“应力遮挡效应”,影响骨组织改建。同时,由于其不可降解,常需二次手术将其取出,增加了患者的痛苦及经济负担。镁及镁合金因其具有良好的生物相容性、可降解性、成骨活性、安全性以及价格低廉等因素,受到越来越多的学者关注。中国科学院金属研究所通过铸造和热挤压制备了两种新型镁合金:Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd 和 Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y 合金。本研究对 Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd 和 Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y合金的材料学性能、生物相容性、抗菌性和体内安全性进行全面的研究分析和评价。研究方法:本文通过材料性能评价、体外细胞实验、体外抗菌实验和体内植入实验四方面进行研究。材料性能评价:本研究通过ICP-OES检测合金中实际化学成分,并将材料用苦味酸蚀刻后观察其金相结构。通过拉伸试验和敲击共振实验对合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率和弹性模量进行检测,观察断口形貌。根据国际标准(ASTM G31-72)按照20 mL/cm2的浸泡比例将灭菌后的纯镁、Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd和Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y合金浸泡于含10%胎牛血清的α-MEM培养基中在37℃含5%CO2的细胞培养箱中3天和10天,测量溶液中离子浓度,观察去腐蚀产物后样品表面形貌,计算腐蚀速率,用XRD和EDS分析表面成分。将纯镁、Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd 和 Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y 合金浸泡于 37℃含10%胎牛血清的 α-MEM 培养基中进行电化学实验,测试电化学阻抗曲线和动电位极化曲线。通过电子万能试验机将Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金以15 Hz加载正弦波负载,测量S-N曲线并观察断口形貌。将Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金在Hank’s液中分别浸泡7、30、60、90天后,通过电子万能试验机以2 Hz加载正弦波负载,记录断裂圈数并观察断口形貌。体外细胞实验:将灭菌后的纯镁、Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd和Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y合金与小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1细胞)共培养4小时和24小时,用扫描电镜观察细胞在不同材料表面的黏附情况。根据国际标准(ISO 10993 Part 12)按照1.25cm2/mL的浸泡比例制备浸提液,将浸提液稀释6倍后应用于细胞实验。传代培养 MC3T3-E1 细胞,用纯镁、Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd 和 Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y合金浸提液继续培养24、48、72小时后,通过CCK8实验检测细胞毒性和增殖能力。通过纯镁和Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金浸提液培养4小时和24小时的细胞用罗丹明标记的鬼笔环肽-DAPI荧光染色,观察MC3T3-E1细胞骨架。用纯镁、Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd 和 Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y 合金浸提液培养 MC3T3-E1 细胞7天和14天后,对ALP染色观察其表达。用纯镁和Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金浸提液培养MC3T3-E1细胞3天和7天,通过q-PCR检测Col-I、OCN和TRPM7的表达。体外抗菌实验:分别将金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠埃希菌(E.coli)与灭菌后纯镁、Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金和对照组316不锈钢在LB培养基中共培养1天和3天(37℃恒温培养箱),通过平板法计数黏附于材料表面和游离于周围培养基中的活菌。用pH计测量培养基的pH值,用ICP-MS测量培养基中离子浓度。通过扫描电镜观察共培养1天和3天后纯镁和Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金表面S.aureus黏附情况,用EDS分析1天后材料表面成分。体内植入实验:局麻下在雄性新西兰大白兔下颌骨制备直径10 mm深2 mm的缺损,将与缺损同等尺寸的纯镁和Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金植入其中。12周后,通过大体标本和Micro-CT观察。结果:材料性能评价:Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd中合金实际成分为Zn 1.67 wt%,Zr 0.52 wt%,Nd 0.34 wt%;Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y 为 Zn 1.62 wt%,Zr 0.55 wt%,Y 0.38 wt%;两种合金晶粒尺寸约为4-5μm。拉伸试验中两种合金的屈服强度、抗拉强度、延伸率和弹性模量均高于纯镁,且有统计学差异(p<0.05),断口形貌符合韧性断裂。浸泡试验中,浸泡3天和10天后腐蚀速率为Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y>Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd>纯镁,3 天 Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y 与纯镁有统计学差异,10天Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y与Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd和纯镁都有统计学差异。离子浓度测量结果与腐蚀速率趋势一致。纯镁和Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd均可见腐蚀坑,Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y可见深点蚀坑。EDS结果可见合金表面有Zn和Zr,XRD结果可见浸泡10天后合金表面有Mg3(PO4)2和Ca3(PO4)2。电化学实验中,阻抗曲线显示纯镁耐蚀性比合金强,动电位极化曲线中合金自腐蚀电位比纯镁高(p<0.05),合金自腐蚀电流比纯镁大(p<0.05)。疲劳试验中,Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金的疲劳强度为107.5 MPa,随浸泡时间延长,疲劳断裂圈数逐渐减少。体外细胞实验:黏附实验中,4小时后三种材料表面均有细胞黏附,纯镁表面细胞呈球形,Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd表面可见大量细胞伸展;24小时后细胞均伸展良好。CCK8实验中,Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd和纯镁浸提液促进细胞增殖,三种浸提液均无毒性,72小时Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd增值率显著高于其他组(p<0.05)。鬼笔环肽荧光染色中,4小时后细胞均未伸展,24小时后Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd浸提液中肌动蛋白表达比纯镁中明显。ALP染色中,Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd组7天和14天ALP表达显著高于其他组。q-PCR中,Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金浸提液3天和7天时均上调了 OCN和Col-I的mRNA水平(p<0.05),TRPM7在纯镁与Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金的表达无统计学差异(p>0.05)体外抗菌实验:与对照组316不锈钢相比,纯镁和Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金对S.aureus和E.coli在黏附菌和游离菌中均表现出抗菌作用,两组间无统计学差异(p>0.05)。扫描电镜观察共培养1天后仍可见细菌黏附于材料表面,纯镁表面黏附细菌大部分形态完整,而Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd表面细菌干瘪皱缩;3天后两种材料表面细菌均干瘪皱缩。体内植入实验:动物体内植入实验表明,植入新西兰白兔下颌骨12周后,Micro-CT结果显示Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金与骨结合良好,纯镁组出现溶骨现象。结论:1.热挤压态Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd和Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y合金与纯镁相比力学性能显著提高,且耐蚀性在较长时间浸泡后于纯镁无明显差异。2.Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金浸提液促进MC3T3-E1细胞增殖且对细胞无毒性,Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Y合金浸提液对细胞无毒性。MC3T3-E1细胞可在Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金表面黏附,且生长良好。Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金浸提液促进MC3T3-E1细胞早期黏附和肌动蛋白的表达。Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金浸提液对MC3T3-E1细胞具有良好的成骨性。3.Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金在体外对于金黄色葡萄球菌和大肠埃希菌有抗菌作用。4.Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金植入新西兰大白兔下颌骨12周后显示出良好的生物安全性和成骨性。综合以上研究结果,Mg-2Zn-0.5Zr-0.5Nd合金有望成为新一代可降解金属植入材料。