磷酸三鈣涂層鎂合金材料的體內(nèi)降解及組織相容性研究

李榮慧

摘 要：此次研究主要是探討分析磷酸三鈣涂層鎂合金材料的體內(nèi)降解及組織相容性。將表面具有磷酸三鈣涂層的鎂合金棒料（直徑2mm、長度3mm）植入到鼠股骨骨髓腔，分別在植入周期1周、4周和8周后，對植入棒料表面鈣磷含量和微觀結(jié)構(gòu)進行分析。研究結(jié)果表明：在植入體內(nèi)4周之后，磷酸三鈣涂層表面粘附蛋白物質(zhì)，在植入8周之后材料表面磷和鈣元素含量明顯高于植入前的棒料表面含量，表明有新骨長入。

關(guān)鍵詞：磷酸三鈣涂層；鎂合金；體內(nèi)降解；組織相容性

鎂金屬在體內(nèi)生理環(huán)境條件下可降解和具有良好的力學(xué)性能，引起了國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注。但是在體外浸泡研究結(jié)果表明，裸的鎂合金降解速率快。為了解決這一問題，鎂合金表面改性顯得尤為重要。本文深入研究磷酸三鈣涂層鎂合金材料在體內(nèi)的生物活性、體內(nèi)降解及組織相容性。

1 實驗準(zhǔn)備

選擇鑄態(tài)鎂合金作為實驗材料，表1為鑄態(tài)鎂合金材料的化學(xué)成分參數(shù)。將材料制作為直徑2mm、長3mm的樣品，使用去離子水和乙醇進行超聲清洗，時間控制在10分鐘。將試驗樣品浸沒在Na2HPO4溶液和硝酸鈣混合溶液中（Na2HPO4：硝酸鈣=1：3）在70攝氏度條件下浸泡48小時，獲得磷酸三鈣涂層鎂合金試樣。取出樣品后用去離子水沖洗10分鐘，并真空干燥（0.05Pa，室溫），包裝后電子束滅菌，使樣品達到無菌狀態(tài)。

選取18只成年大鼠，平均體重為275g。將實驗大鼠進行分組，其中10只植入磷酸三鈣涂層鎂合金材料（試驗組），8只植入鎂合金材料（對照組）。在無菌條件下在距離大鼠骨踝關(guān)節(jié)面19mm處，分離表皮組織，裸露股骨，在其表面使用2mm的鉆頭縱向鉆孔，清洗孔道后，將試驗試樣植入股骨骨髓腔內(nèi)。術(shù)后1周、4周和8周取出試驗樣品，固化、包埋、切片處理，進行性能表征。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 磷酸三鈣涂層鎂合金材料表面的組織相容性

使用掃描電鏡觀察大鼠體內(nèi)植入磷酸三鈣涂層鎂合金材料表面組織生長情況。材料體內(nèi)植入1周和4周時，磷酸三鈣涂層鎂合金材料表面附著較多蛋白物質(zhì)，說明材料表面有細胞附著生長，表明其具備良好的生物組織相容性。但是在將鎂合金植入1周和4周時，表面沒有觀察到細胞粘附生長，如圖1所示。

2.2 磷酸三鈣涂層鎂合金材料表面磷和鈣元素變化

使用材料表面能譜分析磷酸三鈣涂層鎂合金材料表面的磷元素和鈣元素的變化規(guī)律。在將磷酸三鈣涂層鎂合金材料植入體內(nèi)4周之后，該材料表面鈣元素含量明顯高于鎂合金材料。鎂合金材料與磷酸三鈣涂層鎂合金材料表面磷元素變化情況與鈣元素相同。

2.3 磷酸三鈣涂層鎂合金材料體內(nèi)降解

如圖2所示，使用掃描電鏡在觀察體內(nèi)植入材料的橫截面，結(jié)果顯示，鎂合金材料表面出現(xiàn)明顯的降解腐蝕，在將材料植入體內(nèi)4周之后，降解率在30%左右。磷酸三鈣涂層會對鎂合金材料降解速度起到明顯抑制作用。在將磷酸三鈣涂層鎂合金材料植入體內(nèi)8周之后，磷酸三鈣涂層鎂合金材料僅降解了18%左右。

3 討論

近年來關(guān)于鎂合金的生物相容性研究已經(jīng)成為當(dāng)前生物醫(yī)學(xué)材料行業(yè)所研究的重要問題。鎂合金是一種生物可降解植入材料，降解速度比較快，可以釋放出大量氣體，因此對臨床應(yīng)用產(chǎn)生極大影響[1]。針對減緩降解速度有效方法來說，則需要使用鎂合金表面涂層進行處理。由于在天然骨組織無機物中磷和鈣屬于重要成分，因此磷酸三鈣涂層可以有效處理降解速度過快問題，并且最大限度改善表面生物活性。

醫(yī)學(xué)植入材料最重要的就是良好的生物相容性，在對生物材料組織相容性可靠效果進行評價時需要進行動植物體內(nèi)植入實驗。按照此次研究結(jié)果，在植入早期，磷酸三鈣涂層鎂合金材料能夠?qū)w鎂合金材料進行有效隔離，這樣能夠減緩鎂合金降解產(chǎn)物的釋放速度，進一步降低材料的降解速度。磷酸三鈣涂層表面顯微結(jié)構(gòu)屬于多孔表層，可以為植入體內(nèi)骨長入提供物理學(xué)因素。此種疏松多孔結(jié)構(gòu)能夠給予骨長入良好的生存條件，使類骨質(zhì)生物膜粘附。植入材料的降解可控性能夠確?？山到獠牧显谂R床上的安全應(yīng)用。從國外某些學(xué)者的研究文獻能夠看出，氟化鎂涂層可以在早期降低鎂合金的降解速率，在將材料置入體內(nèi)8周之后，沒有涂層的鎂合金降解速度在10%左右，但是氟化鎂涂層鎂合金的降解速率在4%左右[2]。按照此次研究結(jié)果顯示，磷酸三鈣涂層鎂合金材料能夠?qū)︽V合金降解效果起到控制作用，在早期植入之后，磷酸三鈣涂層鎂合金材料可以在一定程度上減慢鎂合金材料的降解速度。

鎂合金材料的降解產(chǎn)物和力學(xué)強度均比較良好，并且在生物活性方面具有顯著優(yōu)勢。聯(lián)合能譜分析能夠顯示出涂層表面的鈣、磷、鎂元素，所以涂層能夠為骨再生提供化學(xué)元素條件[3]。從本次研究結(jié)果來看，磷酸三鈣涂層鎂合金材料的化學(xué)成分與生物骨組織中的磷酸鈣比較相似，磷酸三鈣涂層鎂合金材料在體內(nèi)植入早期，材料表面存在大量的粘附蛋白物質(zhì)，這就說明材料表面存在細胞粘附生長跡象，因此生物相容性和生物活性均比較高。骨基質(zhì)微觀研究實驗表明，磷酸三鈣涂層鎂合金材料溶解之后，能夠釋放大量鈣離子和亞磷酸離子，在沉積之后與鈣化骨基質(zhì)形成骨性結(jié)合。在此次實驗當(dāng)中，植入到體內(nèi)的磷酸三鈣涂層鎂合金材料表面的鈣元素和磷元素含量明顯多于鎂合金。在釋放大量鈣離子和亞磷酸離子之后能夠?qū)μ妓狒钙鸬郊せ钭饔?，增加局部細胞的生物活性。在鎂合金表面設(shè)計和制作理想化的磷酸三鈣涂層，深入揭示出涂層鎂合金材料對局部組織的生物學(xué)效應(yīng)和作用機制。

4 結(jié)論

磷酸三鈣涂層可以在較大程度上延緩鎂合金材料的體內(nèi)降解，有效增加鎂合金材料表面磷元素和鈣元素含量，并且確保鎂合金材料表面的生物活性優(yōu)勢。

參考文獻

[1]張春艷，張世雨，柳歆鵬，等.pH值對鎂合金表面水熱沉積磷酸鈣涂層微觀形貌和腐蝕性能的影響（英文）[J].稀有金屬材料與工程，2018，47（10）：2993-2999.

[2]屈一鳴，桂錢歡，王群波，等.介孔二氧化硅、β-磷酸三鈣、明膠復(fù)合支架載異煙肼的體外釋藥觀察[J].吉林醫(yī)學(xué)，2017，38（10）：1806-1808.

[3]曹亞洲，程偉，胡勤剛.鈦表面RGD/仿生磷酸鈣復(fù)合涂層對MC3T3-E1細胞黏附、增殖、分化的影響[J].口腔醫(yī)學(xué)研究，2017，33（07）：693-697.