磷酸三钙涂层镁合金材料的体内降解及组织相容性研究

李荣慧

摘 要：此次研究主要是探讨分析磷酸三钙涂层镁合金材料的体内降解及组织相容性。将表面具有磷酸三钙涂层的镁合金棒料（直径2mm、长度3mm）植入到鼠股骨骨髓腔，分别在植入周期1周、4周和8周后，对植入棒料表面钙磷含量和微观结构进行分析。研究结果表明：在植入体内4周之后，磷酸三钙涂层表面粘附蛋白物质，在植入8周之后材料表面磷和钙元素含量明显高于植入前的棒料表面含量，表明有新骨长入。

关键词：磷酸三钙涂层；镁合金；体内降解；组织相容性

镁金属在体内生理环境条件下可降解和具有良好的力学性能，引起了国内外研究学者的广泛关注。但是在体外浸泡研究结果表明，裸的镁合金降解速率快。为了解決这一问题，镁合金表面改性显得尤为重要。本文深入研究磷酸三钙涂层镁合金材料在体内的生物活性、体内降解及组织相容性。

1 实验准备

选择铸态镁合金作为实验材料，表1为铸态镁合金材料的化学成分参数。将材料制作为直径2mm、长3mm的样品，使用去离子水和乙醇进行超声清洗，时间控制在10分钟。将试验样品浸没在Na2HPO4溶液和硝酸钙混合溶液中（Na2HPO4：硝酸钙=1：3）在70摄氏度条件下浸泡48小时，获得磷酸三钙涂层镁合金试样。取出样品后用去离子水冲洗10分钟，并真空干燥（0.05Pa，室温），包装后电子束灭菌，使样品达到无菌状态。

选取18只成年大鼠，平均体重为275g。将实验大鼠进行分组，其中10只植入磷酸三钙涂层镁合金材料（试验组），8只植入镁合金材料（对照组）。在无菌条件下在距离大鼠骨踝关节面19mm处，分离表皮组织，裸露股骨，在其表面使用2mm的钻头纵向钻孔，清洗孔道后，将试验试样植入股骨骨髓腔内。术后1周、4周和8周取出试验样品，固化、包埋、切片处理，进行性能表征。

2 实验结果分析

2.1 磷酸三钙涂层镁合金材料表面的组织相容性

使用扫描电镜观察大鼠体内植入磷酸三钙涂层镁合金材料表面组织生长情况。材料体内植入1周和4周时，磷酸三钙涂层镁合金材料表面附着较多蛋白物质，说明材料表面有细胞附着生长，表明其具备良好的生物组织相容性。但是在将镁合金植入1周和4周时，表面没有观察到细胞粘附生长，如图1所示。

2.2 磷酸三钙涂层镁合金材料表面磷和钙元素变化

使用材料表面能谱分析磷酸三钙涂层镁合金材料表面的磷元素和钙元素的变化规律。在将磷酸三钙涂层镁合金材料植入体内4周之后，该材料表面钙元素含量明显高于镁合金材料。镁合金材料与磷酸三钙涂层镁合金材料表面磷元素变化情况与钙元素相同。

2.3 磷酸三钙涂层镁合金材料体内降解

如图2所示，使用扫描电镜在观察体内植入材料的横截面，结果显示，镁合金材料表面出现明显的降解腐蚀，在将材料植入体内4周之后，降解率在30%左右。磷酸三钙涂层会对镁合金材料降解速度起到明显抑制作用。在将磷酸三钙涂层镁合金材料植入体内8周之后，磷酸三钙涂层镁合金材料仅降解了18%左右。

3 讨论

近年来关于镁合金的生物相容性研究已经成为当前生物医学材料行业所研究的重要问题。镁合金是一种生物可降解植入材料，降解速度比较快，可以释放出大量气体，因此对临床应用产生极大影响[1]。针对减缓降解速度有效方法来说，则需要使用镁合金表面涂层进行处理。由于在天然骨组织无机物中磷和钙属于重要成分，因此磷酸三钙涂层可以有效处理降解速度过快问题，并且最大限度改善表面生物活性。

医学植入材料最重要的就是良好的生物相容性，在对生物材料组织相容性可靠效果进行评价时需要进行动植物体内植入实验。按照此次研究结果，在植入早期，磷酸三钙涂层镁合金材料能够对基体镁合金材料进行有效隔离，这样能够减缓镁合金降解产物的释放速度，进一步降低材料的降解速度。磷酸三钙涂层表面显微结构属于多孔表层，可以为植入体内骨长入提供物理学因素。此种疏松多孔结构能够给予骨长入良好的生存条件，使类骨质生物膜粘附。植入材料的降解可控性能够确保可降解材料在临床上的安全应用。从国外某些学者的研究文献能够看出，氟化镁涂层可以在早期降低镁合金的降解速率，在将材料置入体内8周之后，没有涂层的镁合金降解速度在10%左右，但是氟化镁涂层镁合金的降解速率在4%左右[2]。按照此次研究结果显示，磷酸三钙涂层镁合金材料能够对镁合金降解效果起到控制作用，在早期植入之后，磷酸三钙涂层镁合金材料可以在一定程度上减慢镁合金材料的降解速度。

镁合金材料的降解产物和力学强度均比较良好，并且在生物活性方面具有显著优势。联合能谱分析能够显示出涂层表面的钙、磷、镁元素，所以涂层能够为骨再生提供化学元素条件[3]。从本次研究结果来看，磷酸三钙涂层镁合金材料的化学成分与生物骨组织中的磷酸钙比较相似，磷酸三钙涂层镁合金材料在体内植入早期，材料表面存在大量的粘附蛋白物质，这就说明材料表面存在细胞粘附生长迹象，因此生物相容性和生物活性均比较高。骨基质微观研究实验表明，磷酸三钙涂层镁合金材料溶解之后，能够释放大量钙离子和亚磷酸离子，在沉积之后与钙化骨基质形成骨性结合。在此次实验当中，植入到体内的磷酸三钙涂层镁合金材料表面的钙元素和磷元素含量明显多于镁合金。在释放大量钙离子和亚磷酸离子之后能够对碳酸酐酶起到激活作用，增加局部细胞的生物活性。在镁合金表面设计和制作理想化的磷酸三钙涂层，深入揭示出涂层镁合金材料对局部组织的生物学效应和作用机制。

4 结论

磷酸三钙涂层可以在较大程度上延缓镁合金材料的体内降解，有效增加镁合金材料表面磷元素和钙元素含量，并且确保镁合金材料表面的生物活性优势。

参考文献

[1]张春艳，张世雨，柳歆鹏，等.pH值对镁合金表面水热沉积磷酸钙涂层微观形貌和腐蚀性能的影响（英文）[J].稀有金属材料与工程，2018，47（10）：2993-2999.

[2]屈一鸣，桂钱欢，王群波，等.介孔二氧化硅、β-磷酸三钙、明胶复合支架载异烟肼的体外释药观察[J].吉林医学，2017，38（10）：1806-1808.

[3]曹亚洲，程伟，胡勤刚.钛表面RGD/仿生磷酸钙复合涂层对MC3T3-E1细胞黏附、增殖、分化的影响[J].口腔医学研究，2017，33（07）：693-697.