镁合金椎间融合器的可控多孔化结构探讨及其解剖型设计的生物力学优势研究

Absorbable porous magnesium interbody cage has an ideal application prospect because of its good osteogenic induction and good biomechanical strength, furthermore, the results of pre-experiments also indicated that anatomical morphology of magnesium cage could improve interbody fusion through optimizing histological distribution of magnesium ion at the intervertebral space. However, there are two issues needs further researches currently. 1) The internal structure of porous magnesium is difficulty to be well controlled due to technical limitation, therefore, the ideal porous structure which can well balance the three of reasonable degradation speed, sufficient biomechanical strength and significant osteogenic induction effect remains unclear; 2) Anatomical cage which meets cervical endplate of Chinese is still under exploring, thus biomechanical benefit of anatomical porous magnesium cage which is believed to have both advantages of material and morphology requires further studies. Recently，porous 3D structure of magnesium scaffolds can be well-controlled with the development of technology, so the current project is designed to find an ideal porous structure of magnesium cage through in vivo and in vitro experiments, in addition, anatomical porous magnesium cage which meets the characteristics of Chinese cervical endplate will be fabricated and its biomechanical benefit will be tested. This study will provide methodological and theoretical basis for magnesium cage improvement.

理想的可吸收多孔镁椎间融合器具有成骨诱导性好、力学强度佳、降解抗性足等优势因而拥有较好的应用前景，课题组前期实验结果也提示镁融合器的解剖学外形设计可通过优化椎间隙镁离子浓聚这一机制进一步提高椎间骨性融合效果，然而：1）由于制作工艺的限制，镁材料的多孔结构难以精确控制，故能同时实现合理降解速率、足够力学强度、优秀成骨诱导作用的镁融合器的理想多孔结构尚未明确；2）目前符合国人终板解剖学特征的融合器形态尚不清晰，因而具有材料学、形态学双方面先进的解剖型多孔镁融合器的生物力学优势也有待进一步论证。近年来随着科技的发展,镁材料的多孔三维结构已精确可控，故本项目拟通过体内外实验探讨镁融合器的理想的多孔结构，并同时结合前期研究基础和实验方法制作出符合国人颈椎终板普遍凹陷特点的解剖型多孔镁融合器以评估其生物力学优势。本项目为镁融合器的改进提供了方法学基础及理论依据。

本课题通过对生物可降解镁合金颈椎融合器进行多方面研究，深入探索其在颈椎前路手术中运用的可行性，发现潜在问题并进行优化解决，拟研制符合临床需求的可降解镁合金颈椎融合器。课题进展至今，已基本完成预期任务，发表SCI论文5篇，培养八年制本硕博生1人、三年制博士生6人、硕博连读生1人。其中具体实验情况如下：.制备楔形解剖型Mg-Zn合金融合器，通过微弧氧化对其进行Ca/P-Si活性涂层表面改性，该融合器生物力学性能好、降解可控性优、生物相容性佳。初期体内实验发现，由于椎间隙特殊的微环境结构，导致椎间隙内镁离子浓聚，造成骨生成效率下降，椎间融合效果有待进一步改进。.课题组进一步利用降解更加缓慢的高纯镁材料（99.98%）制备的高纯镁融合器实现了椎间隙的融合。在动物实验24周组的随访中，高纯镁融合器仍保持86.27%的材料剩余率。影像学显示材料植骨区内骨小梁生长状况良好，在与自体髂骨的对照中，椎间隙总体融合评分稍低，融合面积约占椎间隙30%。在问题分析中发现材料界面生物活性及体内实验周期是需要进一步改进的两个因素。 .在后续的探索中，与上海交通大学合作，研制DCPD涂层JDBM镁合金融合器，既往体外生物学实验证明，该材料具有更加优异的骨诱导性。在山羊颈椎术后6个月的影像学结果中，材料周围已经实现理想的骨性融合，其材料的生物相容性及力学稳定性也非常优异，因此DCPD-JDBM可能是实现镁合金颈椎融合器体内应用的理想解决方案。.综上所述，通过本项目的不断改进和探索，我们初步验证了镁合金颈椎融合器体内应用的可行性，确定了具有应用前景的材料设计，阐述了椎间隙特殊的微环境下镁离子浓度与椎间融合相关性。我们认为，本项目研究结果为可降解镁合金材料作为脊柱外科植入物的研发提供了坚实的理论基础，也为后续研究提供了明确的方向。