生物可降解医用镁合金应用于骨缺损修复中的研究展望

崔云霞 李保胜 韩春雨 付齐月 李尊泰 齐晓爽 张慧彦 孟维艳

引导骨再生（guided bone regeneration，GBR）技术是临床上解决种植体周围骨缺损的最常用且有效的方法之一[1]，其原理是使用屏障膜隔离软组织长入骨缺损区，使骨组织的再生功能达到最大程度的发挥。屏障膜在引导骨再生中起着重要的作用，是GBR技术成败的关键因素。镁合金作为一种可降解吸收的金属材料，生物相容好且物理性质接近骨皮质，能促进骨形成及骨再生[2，3]，满足了GBR中屏障膜所需具备的特性要求。作为一种新型的可降解生物植入材料，近年来被广泛研究和讨论。故本文就有关镁合金的优越性能及屏障膜的的研究现状和展望作一综述。

一、屏障膜材料的基本要求与研究进展

1.屏障膜的基本要求和分类

在GBR程序中，屏障膜的作用对于适当的骨再生至关重要。它可以防止软组织生长到骨缺损区域，并保持缺损空间骨组织再生。为了实现最大骨再生，理想的GBR膜应具有几个特点[4]。包括：①生物相容性：生物相容性是医用人体植入材料最基本的要求，除屏障膜不具有免疫排斥反应和基因及细胞毒性反应外，其降解产物不能干扰骨形成；②适当的刚度用于空间维护、细胞隔离和维持空间，具有一定的挺度，具备较强的抗塌陷能力，在愈合期创造和维持充足的骨再生空间；③预防上皮细胞迁移；④骨再生后适当的吸收时间，一个良好的屏障膜应当能稳定维持骨再生的空间至少达4～6周[5]。屏障膜一般按材料的降解程度可分为可降解吸收性膜和不可降解性膜。可降解吸收性膜通常主要包括“聚四氟乙烯膜”、“加强型聚四氟乙烯膜”、“钛膜”、“微孔滤膜”等。其机械性能好，细胞隔离和维持空间能力较佳，但存在着膜易暴露增加感染导致成骨失败的风险、塑形困难、不易与组织贴合，需要二次手术取出造成二次创伤等问题[6]。生物可吸收性膜主要包括聚酯膜和动物性胶原膜两种类型。目前胶原膜已广泛应用于临床，其具有组织亲和力好，操作简单，不需二次取出，降低患者的痛苦和并发症风险等优点。但在临床应用中，有的生物膜存在着机械性能欠佳，不能维持足够的成骨空间[7]，以及降解速率过快等问题。因此，可吸收性膜的机械性能、降解速率、隔膜作用的持续时间成为有待研究和改善的热点问题。

2.屏障膜的研究进展

随着引导骨再生膜在临床越来越广泛的应用，目前对于屏障膜的要求和研究也在不断提高、更新。①不对称结构多功能性膜近年来受到了学者的广泛关注，Tai等人制备了聚羟基丁酸酯（PHB）-双相一体化磷酸钙/壳聚糖膜应用于牙周引导骨再生工程中，在某种程度上不仅改良了屏障膜的机型性能外同时还能促进成骨细胞和成纤维细胞的增殖[8]。②缓释抑菌性生物膜是将抗菌药物载入膜中缓慢释放药物来抑制细菌生长进而降低炎症。Norowski[9]等制备了京尼平交联的纳米纤维壳聚糖膜负载米诺环素并将其应用于引导牙周骨组织再生之中，体外抑菌试验表明负载米诺环素的壳聚糖电纺膜能抑制牙龈卟啉单胞菌的生长，可显著减少GTR部位早期细菌的定值。③复合生物化功能性膜近年来的到广泛关注，将成骨相关生长因子载入到GBR膜上缓慢释放可促进细胞的活性和骨组织的生长。骨形态发生蛋白（BMPs）是一个亚类转化生长因子并通过诱导骨间充质干细胞迁移、增殖及分化形成成骨细胞和软骨细胞[10]。Shim等[11]通过特殊3D打印技术制备出负载BMP-2的PCL/PLGA/β-TCP GBR膜修复兔颅骨缺损模型，rhBMP-2可缓慢持续释放，8周后颅骨缺损基本全部被骨组织覆盖。这种负载生长因子的聚合物膜表现出良好的机械性能和促骨生成作用。

二、生物可降解镁合金的特点及研究进展

1.镁及其合金的特点

镁的密度低，与人骨密度接近，镁合金在抗压强度。材料密度和弹性模量等方面更接近天然骨[12]因此在作为医用修复材料中能最大程度的避免植入材料的“应力遮挡”作用[13]。镁作为人体内的微量元素之一，在体内广泛存在，并参与体内多种代谢途径。它的的化学性质活泼，在生理性环境下易降解吸收，镁合金的降解可促进钙的沉积，在成骨初期成骨速度快，骨引导性能优于钛[14]。此外，镁合金在术后不会干扰CT和MRI的成像检查[15]。综合镁及镁合金以上特征，镁合金符合生物屏障膜的优越的机械性能、良好的生物相容性及可吸收降解的特点，有望成为一种新型的引导骨再生术中的生物材料。

2.镁合金作为医用植入材料的研究进展

镁合金作为骨科固定材料被广泛研究，传统的骨科固定材料的机械强度与天然骨的弹性模量差异性较大易发生应力折断，造成骨的愈合迟缓。材料磨损和降解的过程中可能会释放有毒离子或物质对周围组织造成伤害，且固定后常需要二次手术取出为患者造成精神上的痛苦和经济上的负担，固需要寻找一种新型具有类似天然骨机械强度且有降解能力并对人体组织细胞无伤害的材料替代传统的骨科固定材料，鉴于镁合金良好的生物学特性及机械性能，近年来国内外许多学者将其应用于医用植入材料对其生物相容性和细胞毒性以及降解能力进行了广泛的研究，更有许多学者将其应用于临床中。

（1）镁合金及不同涂层表面成骨性能

潘峰[16]等人提取新西兰大耳白兔的BMSCs诱导为成骨细胞后将其与Mg-Mn-Zn合金联合培养证实了镁合金良好的生物相容性及较好的骨诱导生成作用.杨婷婷[17]等人将镁合金与大鼠的前体成骨细胞共培养，均表现出良好的增殖特性和生物相容性。镁离子是其主要的降解产物之一，Mg2+能够有效促进基质细胞向成骨细胞的分化[18]，并且具一定的促进钙盐沉积作用。国外学者发现镁离子浓度的升高有促进骨髓间质细胞的增殖且增强成骨基因的表达，细胞基质生成和矿物质沉积的作用[19]。

由于镁合金的降解速度较快，近年来，为了更好的改善其性能，减缓其降解速度，研究人员进行了一系列的表面改性研究，在其表面形成的不同的涂层来促进其成骨性能和改善其降解速率。weilin Yu[20]等进行的体外研究，建立兔子骨踝缺损模型，植入氟涂层的AZ31镁合金多孔支架评估该支架的降解情况和骨体积的变化，发现FA31支架增强了镁合金的抗腐蚀性且具有更好的生物相容性，能诱导更多的新骨形成。MgF2涂层的镁合金支架可增强大鼠骨髓基质细胞（rBMSCs）的成骨分化与附着。张涛[21]等将钙磷涂层和氟涂层的镁合金与成骨细胞，骨骼肌细胞及人骨髓间充质干细胞共培养，钙磷涂层镁合金组中上述细胞的粘附率和增殖率均高于纯镁合金组，钙磷涂层镁合金对于COLI，ALP，及OC基因表达有促进作用，而无涂层镁合金抑制ALP的表达且促进基因OPN的表达。随后的体内实验证实，8周后钙磷涂层的镁合金金属与骨组织界面可见较多的新骨形成，骨小梁排列紧密且规则，并且在涂层的镁合金边缘未见明显的降解痕迹，钙磷涂层有延缓镁合金降解和促进成骨的作用。由此表明钙磷涂层处理后提高了镁合金的生物学性能和成骨能力。国外也有学者认为钙磷涂层的镁合金相对纯镁合金而言具有更高的生物相容性[22]，能够延缓镁合金的降解时间[23]，并能促进新骨的形成从而有利于植入物的固定和损伤骨的愈合[24]。

羟基磷灰石与人体骨相相容性较好，于是将其应用于镁合金涂层适用于改善Mg合金的细胞相容性和骨形成能力[25]，Li等[26]采用电泳沉积法制备镁合金AZ31B表面的羟基磷灰石（HA）涂层，很大程度上改善了材料的耐腐蚀性能和生物相容性并证实HA涂层的镁合金可促进植入物周围钙盐的沉积，具有诱导骨样磷灰石的优越性能。W学者[27]通过微弧氧化的方法将氧化物涂层处理后的镁合金支架植入预备的兔股骨髁骨缺损中，植入3个月后的MAO包被的镁合金周围可观察到新骨的形成，并与新骨直接接触，与对照组相比，有更多的骨形成，体外实验证实MAO涂层处理后可使镁合金植入后保持一段时间的机械强度，为骨的愈合提供了合适的时间。Dolly等[28]制备Col-I涂层的Mg-Zr-Sr合金在体外和体内都能显著改善其骨诱导活性，表现出更快的新骨形成和较高的矿物质沉积量。这些不同的表面涂层方法不仅改善了其生物相容性，更提高了镁合金耐腐蚀性能，降低了降解速率。

骨移植材料与镁合金的联合用应用可增强其成骨效果，矿化胶原蛋白是口腔常用的一种骨移植材料之一，Qing等制备一种矿化胶原/Mg-Ca合金复合支架材料以改善胶原的机械性能。研究者将此复合支架材料植入到犬拔牙窝内评估其成骨能力和效果。CT、X线等检测表明镁合金组合支架材料较单独的矿化胶原可明显促进骨再生，有效减少了牙槽嵴的吸收，保存了拔牙位点的骨量[29]。此外，镁合金不仅有着优越的成骨性能，对于软组织的愈合也表现出良好的积极作用。Ⅰ型胶原蛋白和Ⅲ型胶原蛋白的比例在某种程度上决定了结缔组织的强度和机械稳定性，被认为与创口吻合并发症的发生相关。创口吻合后胶原蛋白的降解常与基质金属蛋白酶（MMP-1，MMP-13）相关。（因为MMP-1和MMP-13是切割胶原蛋白Ⅰ和Ⅲ型的主要胶原酶，有助于三螺旋结构的裂解，从而引发胶原的降解。）酶的活性直接决定了Ⅰ和Ⅲ型胶原的合成和沉积率。Wang等[30]研究了镁合金对软组织及胶原蛋白形成方面的影响，实验建立大鼠腹部内盲肠切口模型，植入镁合金钉和钛合金钉嵌入修复切口，实验证实镁合金可增强Ⅰ和Ⅲ型胶原的表达，抑制基质金属蛋白酶MMP-1和MMP-13的表达，表明Mg-6Zn合金在相同条件下可以刺激细胞基质（ECM）的合成和积累，促进伤口吻合愈合。

（2）镁合金的抗菌性能

感染是植入术后常见的并发症之一，植入物一旦感染，其表面周围及植入材料和骨之间界面就会有细菌的粘附和定植，而细菌的定植就会引发感染的持续存在[31]。关于镁合金在抗菌性能方面的研究进来也成为学者们的研究热点，有研究表明，植入物的抗菌性能在决定植入结果成功与否的过程中起着重要的作用[32]。锌离子具有极好的抗菌能力，研究人员设计出一种新型的四元镁钙锶锌合金材料发现其具有明显的抗菌性能并且这种性能的高低与锌含量呈正相关，为其成为新型的可降解抗菌植入材料奠定了基础[33]。在AZ31镁合金基体上制备氢氧化镁膜以及由硫酸庆大霉素（GS）和聚四苯乙烯钠（PSS）通过逐层组装形成的多层膜，表现出优越的抗菌性能，层层组装的多层膜能有效抑制体外金黄色葡萄球菌的生长[34]。镁合金口腔内植入后降解产物会在一定程度上使局部PH值升高，减少植入局部菌斑内Pg、Fn、Pi、Aa的数量，达到抑菌效果[9]，为镁合金应用于预防种植体周围炎及牙周炎奠定了基础。Brooks[35]等进行的体外实验发现与商业纯钛相比，镁合金AZ91表面细菌菌落数目与生物膜大小均明显减少，证实镁合金在某种程度上可降低鲍氏不动杆菌的附着。但在体内实验中，纯镁植入物表现出不能足以抑制细菌的定植，甚至延长可细菌生物膜的存在时间[36]。因此，镁及其合金的抗菌性能有待通过一系列技术继续改进并且要明确在体内的抗菌作用。

由于镁合金在优越物理性能和生物相容性方面表现出的优势，因此，我们设想，镁合金是否可作为这样一种屏障膜材料，同时具备了维持空间和有一定挺度的性质，又能可吸收降解促进骨组织和软组织再生。13年曾有学者将镁合金作为引导骨组织再生膜，联合组织工程进行骨垂直增量修复严重吸收的犬下颌牙槽骨，观察其成骨效果。结果表明镁合金膜组在初期的成骨速度明显优于钛合金膜组合未盖膜组。镁合金材料周围成骨活跃，其周围骨密度、骨小梁体积分析与钛合金膜无明显差异[14]。但镁合金组由于降解产气，使成骨体积少于钛合金组，且表面高度不规则。因此，如何控制镁合金降解产气的问题成为我们需要攻克的难点，还有待进一步研究实践，从而为其未来作为引导骨再生膜的临床应用提供理论基础。

三、问题与展望

镁合金膜具有优越的物理性能和良好的骨引导性和骨诱导性，但由于降解产气形成占位，使成骨体积受到影响。镁合金材料的研究需在减缓降解速率和如何使得镁合金的降解速度与骨形成的速度相匹配，从而提供一个稳定的成骨空间仍需要进一步探究。不同涂层改性的方法的应用来增强镁合金屏障膜的生物相容性的同时是否保持其良好的机械支持作用、如何进一步促进软组织愈合和提高抗菌能力方面值得进一步研究，从而提高镁合金在引导骨再生屏障膜中的应用潜力。