一種骨科修復(fù)新型涂層材料制備及應(yīng)用效果研究

摘 要：為提高骨科修復(fù)材料的修復(fù)效果，以WE43鎂合金作為材料基體，采用微波液相法制備了一種骨修復(fù)涂層材料，并進(jìn)行臨床應(yīng)用效果觀察試驗(yàn)。結(jié)果表明，可以通過調(diào)控前處理液pH值對材料平均納米針直徑以及表面粗糙度進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)前處理液pH值為6.0時(shí)，骨修復(fù)涂層材料的細(xì)胞活力和成骨性能較優(yōu)異，7 d培養(yǎng)時(shí)間的細(xì)胞活力達(dá)到102.2%。此時(shí)，骨修復(fù)涂層材料的平均納米針直徑為95.4 nm，算術(shù)平均高度S a 為0.56 μm，平均最大高度S z 為4.30 μm，輪廓平均寬度RS m 為3.20 μm。在臨床應(yīng)用效果觀察試驗(yàn)中，骨修復(fù)涂層材料表現(xiàn)出優(yōu)異的骨形成和骨連接治療效果。

關(guān)鍵詞：骨修復(fù)；鎂合金；表面粗糙度；細(xì)胞活力；成骨性能

中圖分類號：TG174.4；TQ153 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0035-04

Preparation and application effect study of a new coatingmaterial for orthopedic repair

LI Fen 1 ，ZHANG Lisong 2

（1. Department of Orthopaedics and Traumatology，People’s Hospital，Hengshui 053000，Hebei China；

2. Hengshui Traditional Chinese Medicine Hospital，Hengshui 053000，Hebei China）

Abstract：To improve the repair effect of orthopedic repair materials，a bone repair coating material was preparedby microwave liquid phase method using WE43 magnesium alloy as the material matrix，and the clinical applicationeffect observation test was carried out. The results indicated that the average nanoneedle diameter and surfaceroughness of the material could be adjusted by adjusting the pH value of the pretreatment solution. When the cur?rent pH value of the treatment solution was 6.0，the cell viability and osteogenic performance of the bone repair coat?ing material were excellent，with a cell viability of 102.2% after 7 days of cultivation. At this point，the averagenanoneedle diameter of the bone repair coating material was 95.4 nm，and the arithmetic average height S a was 0.56μm，the average maximum height S z was 4.30 μm，the average width of the contour RS m was 3.20 μm. In the clinicalapplication effect observation experiment，the bone repair coating material showed excellent bone formation andbone connection treatment effects.

Key words：bone repair；magnesium alloy；surface roughness；cell viability；osteogenic performance

在日常生活中發(fā)生的一些運(yùn)動(dòng)意外、車禍等，會使人們的骨骼受到損傷。因此，在醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)τ诠切迯?fù)材料的需求越多越多 [1-2] 。在骨組織工程領(lǐng)域快速發(fā)展的同時(shí)，關(guān)于骨修復(fù)材料的研究成為一個(gè)科學(xué)熱點(diǎn)。對此，如通過纖維素納米晶對骨缺損修復(fù)支架進(jìn)行改性 [3] 。采用低溫3D打印的方式，研制了一種復(fù)合萬古霉素的骨修復(fù)材料 [4] 。鎂基金屬骨修復(fù)材料在骨修復(fù)領(lǐng)域中也應(yīng)用較多，因?yàn)殒V基金屬有著體內(nèi)可降解、彈性模量良好等優(yōu)良特性 [5-6] 。針對含有鈣磷涂層的鎂合金支架材料進(jìn)行了測試 [7] 。基于此，本試驗(yàn)選用WE43鎂合金作為基體材料，通過微波液相法，研制一種骨修復(fù)涂層材料，并研究其性能和應(yīng)用效果。

1 試驗(yàn)部分

1. 1 材料與設(shè)備

主要材料：WE43鎂合金（工業(yè)純，海川稀有金屬）；四水合硝酸鈣（AR，聚舜化工）；氟化鈉（AR，億淼化工）；十二水合磷酸氫二鈉（AR，魏氏化學(xué)試劑）。

主要設(shè)備：FA2204E型電子天平（根拓機(jī)電）；PH-04型pH計(jì)（萬邦環(huán)保）；WBBX-1型微波材料科學(xué)工作站（維克特銳）；KYKY-EM8000F型掃描電子顯微鏡（中科科儀）；Byes3200型粗糙度儀（邦億量儀）；HD-SY96型酶標(biāo)儀（霍爾德儀器）。

1. 2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)以WE43鎂合金作為基體材料，通過微波液相法在鎂合金基體表面生成一種羥基磷灰石納米針型涂層，研制一種骨修復(fù)涂層材料 [8-10] 。

1. 2. 1 鎂合金預(yù)處理

（1）將鎂合金基體材料制備為10 mm×10 mm×2 mm的試樣，按照從小到大的砂紙目數(shù)，使用研磨拋光機(jī)對鎂合金試樣進(jìn)行處理；

（2）通過2 000目數(shù)的砂紙對鎂合金試樣進(jìn)行手動(dòng)研磨處理，再清洗、吹干；

（3）配制濃度為1.5 mol/L的氫氧化鈉溶液，在恒溫80 ℃的環(huán)境下，對打磨完成的鎂合金試樣進(jìn)行浸泡處理1h。再清洗、吹干。

1. 2. 2 骨修復(fù)涂層材料的制備

（1）用電子天平分別稱取氟化鈉0.010 g、十二水合磷酸氫二鈉0.050 g、四水合硝酸鈣0.153 g；

（2）將準(zhǔn)備好的十二水合磷酸氫二鈉和四水合硝酸鈣分別與50 mL的去離子水混合，并通過磁力攪拌的方式分別獲得鈣溶液、磷溶液。將氟化鈉和100 mL 的去離子水混合，并進(jìn)行磁力攪拌，再取10 mL氟化鈉溶液與20 mL的去離子水混合，獲得氟溶液 [11] ；

（3）將步驟（2）中的鈣溶液和磷溶液混合，再滴加氟溶液，并使用硝酸進(jìn)行pH調(diào)節(jié)，并攪拌混合30 min，獲得不同pH值的前處理液；

（4）在燒杯中裝入適量的前處理液，再將預(yù)處理好的鎂合金試樣浸沒其中。之后，通過微波材料學(xué)工作站進(jìn)行2 kW微波功率的加熱處理，直到前處理液沸騰后，繼續(xù)維持10 min；

（5）取出鎂合金試樣，清洗、吹干，獲得不同pH值前處理液的骨修復(fù)涂層材料。

1. 3 性能測試

1. 3. 1 納米針直徑

使用掃描電鏡和粒度分析軟件，對骨修復(fù)涂層材料進(jìn)行測試，分析其納米針直徑情況。

1. 3. 2 表面粗糙度

使用粗糙度儀和三維表面分析軟件，對骨修復(fù)涂層材料進(jìn)行測試，分析其表面的算術(shù)平均高度S a 、平均最大高度S z 以及輪廓平均寬度RS m 。

1. 3. 3 細(xì)胞活力

準(zhǔn)備好添加有10%胎牛血清的培養(yǎng)基，將小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞放入其中，在5%CO 2 、飽和濕度以及恒溫37 ℃的環(huán)境下進(jìn)行培養(yǎng)一定時(shí)間。培養(yǎng)期間，每隔2 d更換一次培養(yǎng)基。以添加有骨修復(fù)涂層材料的培養(yǎng)基作為實(shí)驗(yàn)組，以不含骨修復(fù)涂層材料的空白培養(yǎng)基作為對照組。在小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)一定時(shí)間時(shí)，通過CCK-8溶液，在恒溫37 ℃的避光環(huán)境下對其繼續(xù)進(jìn)行孵育1 h。然后通過酶標(biāo)儀測試在450 nm波長處的吸光度情況，進(jìn)而分析不同培養(yǎng)時(shí)間小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的細(xì)胞活力 [12-13] 。

2 結(jié)果與分析

2. 1 納米針直徑分析

圖1為在不同前處理液pH值條件下，各骨修復(fù)涂層材料的平均納米針直徑情況。

由圖1可知，隨著前處理液pH值從5.8逐級增大至6.4，骨修復(fù)涂層材料的平均納米針直徑呈現(xiàn)逐漸減小的變化。當(dāng)前處理液pH值為5.8時(shí)，平均納米針直徑最大，為 106.6 nm。當(dāng)前處理液 pH 值增大到6.0時(shí)，平均納米針直徑減小到95.4 nm。另外，當(dāng)前處理液pH值為6.2、6.4時(shí)，骨修復(fù)涂層材料的平均納米針直徑分別減小到83.1 nm、74.8 nm。這些測試結(jié)果說明，在前處理液pH值一定范圍內(nèi)，可以通過改變前處理液pH值對骨修復(fù)涂層材料的平均納米針直徑進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)前處理液pH值在5.8～6.4時(shí)，平均納米針直徑可調(diào)控范圍為74.8～106.6 nm。由此可見，前處理液pH值會對骨修復(fù)涂層材料表面的納米針形成有一定影響。因此，可以通過控制前處理液pH值對骨修復(fù)涂層材料的成骨性能進(jìn)行一定調(diào)控。

2. 2 表面粗糙度分析

圖2為在不同前處理液pH值條件下，各骨修復(fù)涂層材料的算術(shù)平均高度S a 、平均最大高度S z 以及輪廓平均寬度RS m 。

從圖2可以看到，當(dāng)前處理液pH值為5.8時(shí)，骨修復(fù)涂層材料的各表面粗糙度數(shù)據(jù)均最小。其中，算術(shù)平均高度 S a 為 0.48 μm，平均最大高度 S z 為 3.95μm，輪廓平均寬度為2.91 μm。當(dāng)前處理液pH值為6.0時(shí)，骨修復(fù)涂層材料的各表面粗糙度數(shù)據(jù)均有所增大，但增大幅度較小。其中，算術(shù)平均高度為0.56μm，平均最大高度為4.30 μm，輪廓平均寬度為3.20μm。但是，當(dāng)前處理液pH值繼續(xù)增大，達(dá)到6.2或6.4時(shí)，骨修復(fù)涂層材料的各表面粗糙度數(shù)據(jù)均變化較明顯。特別是當(dāng)前處理液pH值為6.2時(shí)，骨修復(fù)涂層材料的算術(shù)平均高度和平均最大高度分別增大到0.97、8.06 μm。這與前處理液pH值為6.0時(shí)相比，增幅分別為73.2%、87.4%。另外，輪廓平均寬度增大至4.62μm，對比前處理液pH值為6.0時(shí)增幅達(dá)到44.4%。

綜合來看，在前處理液pH值為5.8～6.4，骨修復(fù)涂層材料的算術(shù)平均高度在0.48～1.21 μm，平均最大高度在3.95～10.95 μm，輪廓平均寬度在2.91～4.62 μm。由此可見，前處理液pH值的變化對骨修復(fù)涂層材料表面納米針的平均最大高度作用效果最大。

因此，在不同的前處理液pH值條件下，骨修復(fù)涂層材料可能會形成單層或多層納米針的現(xiàn)象。所以，表面粗糙度各不相同 [14-16] ?？傮w來看，對于在不同前處理液pH值條件下制備的骨修復(fù)涂層材料，其表面粗糙度均屬于微米級。以上這些試驗(yàn)結(jié)果也表明，可以通過調(diào)節(jié)前處理液pH值，對骨修復(fù)涂層材料表面粗糙度進(jìn)行調(diào)控。

2. 3 細(xì)胞活力分析

進(jìn)行細(xì)胞活力試驗(yàn)，并以不含骨修復(fù)涂層材料的空白培養(yǎng)基作為對照組。具體試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可知，對于不含骨修復(fù)涂層材料的空白培養(yǎng)基，在不同培養(yǎng)時(shí)間下，其中的細(xì)胞活力均為100%。當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為1 d時(shí)，培養(yǎng)基中添加有骨修復(fù)涂層材料的細(xì)胞活力均低于空白培養(yǎng)基。其中，前處理液pH值為5.8或6.0的骨修復(fù)涂層材料培養(yǎng)基細(xì)胞活力較大，分別為96.2%、94.6%。而前處理液pH值為6.2或6.4的骨修復(fù)涂層材料培養(yǎng)基細(xì)胞活力則較小，分別是68.5%、69.4%。隨著培養(yǎng)時(shí)間的繼續(xù)增多，骨修復(fù)涂層材料培養(yǎng)基細(xì)胞活力提高?？梢杂^察到，當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為7 d時(shí)，前處理液pH值為6.0的骨修復(fù)涂層材料培養(yǎng)基細(xì)胞活力已經(jīng)超過空白對照組，達(dá)到102.2%。同時(shí)，前處理液pH值為6.2或6.4的骨修復(fù)涂層材料培養(yǎng)基細(xì)胞活力分別提高到 86.3%、88.5%，相對于培養(yǎng)時(shí)間為 1 d 時(shí)，增幅分別達(dá)到22.4%、23.9%。由此可見，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增多，各骨修復(fù)涂層材料培養(yǎng)基細(xì)胞活力均有所提高。在培養(yǎng)時(shí)間為1 d和7 d時(shí)，各骨修復(fù)涂層材料培養(yǎng)基細(xì)胞活力均超過 70%。且當(dāng)前處理液 pH 值為 6.2 和6.4時(shí)，這種細(xì)胞活力隨培養(yǎng)時(shí)間增多的變化效果更為明顯。這些變化說明，對于不同前處理液pH值條件下制備的骨修復(fù)涂層材料，均無較明顯的細(xì)胞毒性，生物相容性較好 [17-20] 。總體來看，當(dāng)前處理液pH值為6.0時(shí)，骨修復(fù)涂層材料培養(yǎng)基的細(xì)胞活力較佳。

2. 4 應(yīng)用效果觀察驗(yàn)證

2. 4. 1 一般資料

在2022年1月～2023年6月，選取在本院骨科接受骨損傷修復(fù)治療的患者70例作為觀察對象，分析骨修復(fù)涂層材料的臨床應(yīng)用效果。

2. 4. 2 應(yīng)用驗(yàn)證方法

將70例接受骨損傷修復(fù)治療的患者進(jìn)行隨機(jī)分配，對照組和試驗(yàn)組各35組。各組在年齡、性別等方面均無差異，且均接受基礎(chǔ)治療。對照組采用普通骨修復(fù)材料進(jìn)行骨損傷修復(fù)手術(shù)，而試驗(yàn)組采用前處理液pH值為6.0的骨修復(fù)涂層材料進(jìn)行骨損傷修復(fù)手術(shù)。在手術(shù)后，各組均進(jìn)行常規(guī)的術(shù)后抗感染處理等，并根據(jù)各患者在手術(shù)后的骨損傷修復(fù)情況進(jìn)行適當(dāng)康復(fù)鍛煉。

2. 4. 3 應(yīng)用觀察指標(biāo)

骨形成：通過X射線成像，對治療一定時(shí)間后的骨形成情況進(jìn)行評價(jià)。評分系統(tǒng)設(shè)定為：當(dāng)骨形成占缺損100%、75%、50%、25%時(shí)，骨形成評分分別為4分、3分、2分和1分，當(dāng)無骨形成時(shí)，骨形成評分分別為0分 [20] 。

骨連接：通過X射線成像，對治療一定時(shí)間后的骨連接情況進(jìn)行評價(jià)。評分系統(tǒng)設(shè)定為：骨折線消失為2分、骨折線部分存在為1分、骨折線完全存在為0分。

2. 4. 4 應(yīng)用驗(yàn)證效果對各組患者的骨形成和骨連接情況進(jìn)行評分，結(jié)果比較見表1、表2。

由表1可知，在接受骨修復(fù)手術(shù)治療后，隨著術(shù)后時(shí)間的增多，各組患者的骨形成評分均增大。當(dāng)術(shù)后時(shí)間3月時(shí)，對照組和試驗(yàn)組的骨形成評分分別是2.51±0.48、3.25±0.24，此時(shí)，2組骨形成評分結(jié)果組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。另外，從表2還可以看到，在接受骨修復(fù)手術(shù)治療3月時(shí)，對照組和試驗(yàn)組患者的骨連接評分分別為1.92±0.23、1.98±0.18，二者骨連接評分結(jié)果相差不大，且2組骨形成評分結(jié)果組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

3 結(jié)語

（1）可以通過控制前處理液pH值對骨修復(fù)涂層材料的平均納米針直徑以及表面粗糙度進(jìn)行調(diào)控。

在前處理液pH值為5.8～6.4時(shí)，平均納米針直徑可調(diào)控范圍為74.8～106.6 nm，算術(shù)平均高度為0.48～1.21 μm，平均最大高度為3.95～10.95 μm，輪廓平均寬度為2.91～4.62 μm；

（2）前處理液pH值為6.0的骨修復(fù)涂層材料性能優(yōu)異，其平均納米針直徑為95.4 nm，算術(shù)平均高度為0.56 μm，平均最大高度為4.30 μm，輪廓平均寬度為3.20 μm，7 d培養(yǎng)時(shí)間的細(xì)胞活力達(dá)到102.2%；

（3）當(dāng)前處理液pH值為6.0的骨修復(fù)涂層材料進(jìn)行骨修復(fù)手術(shù)時(shí)，骨形成情況遠(yuǎn)優(yōu)于對照組，且骨連接情況良好。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 黃藝聰，周盟，姚森，等. 可降解生物醫(yī)用金屬在骨折內(nèi)固定修復(fù)應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 中華骨與關(guān)節(jié)外科雜志，2021，14（9）：811-816.

[2] 劉穎，楊春山，鄭佳，等. 一種醛類交聯(lián)的膠原膜材料及在周骨修復(fù)中的應(yīng)用[J]. 粘接，2023，50（5）：143-146.

[3] 聶景怡，廖健飛，劉馨茗，等. 纖維素納米晶增強(qiáng)的殼聚糖-明膠-羥基磷灰石骨缺損修復(fù)支架[J]. 中國造紙學(xué)報(bào)，2023，38（3）：39-48.

[4] 許剛，何純青，張飛，等. 低溫 3D 打印復(fù)合萬古霉素/PLGA/TCP骨修復(fù)材料的制備與性能評估[J]. 中國美容醫(yī)學(xué)，2021，30（5）：59-62.

[5] 洪嘉穎，張濤. 可降解鎂基金屬骨感染修復(fù)材料的研究進(jìn)展[J]. 實(shí)用醫(yī)學(xué)雜志，2022，38（12）：1449-1455.

[6] 姜洪豐，陳民芳，劉德寶. 可降解鎂基合金骨折固定及骨修復(fù)材料的研究進(jìn)展[J].天津醫(yī)藥，2020，48（7）：682-688.

[7] 王青，王偉，姜達(dá)君，等. 鈣磷涂層的JDBM鎂合金多孔支架促進(jìn)血管新生及骨缺損修復(fù)的效果評估[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版），2021，41（6）：732-740.

[8] 王銀川，肖桂勇，徐偉莉，等. 初始鈣-磷物質(zhì)的量比值對超長羥基磷灰石納米纖維微觀結(jié)構(gòu)的影響[J]. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2022，38（4）：620-628.

[9] 楊可晴，朱玉，趙一陽，等. 表面改性納米纖維素/羥基磷灰石納米復(fù)合材料的制備與性能研究[J]. 表面技術(shù)，2021，50（7）：179-186.

[10] 王海瑞，聶平，薛向欣，等.碳/碳復(fù)合材料表面陰極等離子體電解沉積硅摻雜羥基磷灰石涂層及其結(jié)構(gòu)性能研究[J].吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，41 （4）：22-28.

[11] 趙秀英. 仿生氟摻雜羥基磷灰石涂層的制備及成骨性能研究[D]. 石家莊：河北科技師范學(xué)院，2023.

[12] 陳巧鳳，施建輝，羅昌林. 萊菔硫烷降低尿酸鈉誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的炎癥和氧化應(yīng)激反應(yīng)[J]. 中國骨質(zhì)疏松雜志，2023，29（11）：1598-1602.

[13] 孫雪飛，李靜頤，陳媛，等. 不同個(gè)體來源和低氧條件對人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞生物學(xué)特性的影響[J]. 中國醫(yī)藥生物技術(shù)，2023，18（5）：393-401.

[14] 谷敏婧，趙飛翔，范蘇娜，等. 絲素/細(xì)菌纖維素/羥基磷灰石骨仿生支架的制備及性能研究[J]. 功能材料，2021，52（6）：6110-6115.

[15] 孫婷，張秀華，邵華榮，等. 含重組人骨形態(tài)發(fā)生蛋白2復(fù)合材料的制備及體內(nèi)外成骨實(shí)驗(yàn)研究[J]. 藥物生物技術(shù)，2021，28（3）：221-226.

[16] 陳仲春，苗變梁，謝幸巧，等. 三維多孔絲素蛋白羥基磷灰石支架細(xì)胞相容性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國眼耳鼻喉科雜志，2023，23（5）：406-410.

[17] 萬鈺茜，諶強(qiáng)國，顏廷亭. 二氧化硅/羥基磷灰石晶須多孔陶瓷支架的制備與性能研究[J]. 中國修復(fù)重建外科雜志，2023，37（9）：1142-1148.

[18] 王健. 牙種植再生口腔修復(fù)膜與鈦膜引導(dǎo)骨修復(fù)成功率及安全性[J]. 粘接，2022，49（8）：63-66.

[19] 李磊，褚俊霞，孫義高，等.不同磷源和鈣源在納米羥基磷灰石制備中的應(yīng)用[J].化工新型材料，2022，50 （S1）：470-473.

[20] 傅立. 使用臨界尺寸骨缺損模型對兩種骨修復(fù)材料修復(fù)效果的評價(jià)[D]. 長春：吉林大學(xué)，2023.