Sr-HA涂层/镁钙合金材料的腐蚀降解调控及力学行为研究

Whether the magnesium alloy degradation and mechanical properties degeneration could match the bone healing is a crucial problem for their clinical application. Calcium phosphate based coating, which can reduce the degradation rate of magnesium alloy and promote bone formation, is one of the ideal coatings for orthopedic magnesium alloys. However, the coatings fail before the fracture healing. Furthermore, there is a lack of the study on the change of the in vivo mechanical properties of coating/magnesium alloys system and healed bone, which cannot provide effective information for their clinical use. The degradation of Sr-HA is influenced by the amount of Sr. Sr releasing from Sr-HA benefits in bone formation, inhibits bone resorption and improves the bone strength. Therefore, this program will produce Sr-HA degradable coating on Mg-Ca alloy. The degradation of coating will be controlled by the adjustment of Sr content, and thus the degradation of Sr-HA/Mg-Ca alloy system can be easily controlled. To establish the relationship between Sr distribution and bone formation as well as bone-implant contact around the implant, the Sr releasing and influence of Sr concentration on osteoblasts proliferation and osteogenesis related gene expression will be studied. In addition, the change of in vivo mechanical properties of Sr-HA/Mg-Ca alloy system and healed bone will be investigated, aiming at establishing the bone-mateirals mechanical properties relationship. This program will provide data for clinical treatment.

镁合金的腐蚀降解和力学衰减与骨愈合的适配性是限制镁合金临床应用的瓶颈问题。已有研究表明磷酸钙基涂层减缓镁合金腐蚀降解，诱导骨组织生成，是较为理想的骨科镁合金涂层材料之一。但是其涂层失效早于临床骨折愈合，并且缺少磷酸钙基涂层/镁合金材料的体内力学性能和骨力学性能变化规律和适配关系的研究，缺乏对其临床应用的指导性。Sr-HA的Sr含量影响其降解，且Sr释放促进骨生长，抑制骨吸收，提高骨强度。因此本课题拟在镁钙合金表面构建Sr-HA涂层，通过调节Sr含量调控Sr-HA涂层降解，并实现Sr-HA/Mg-Ca合金的可控降解。考察Sr-HA/Mg-Ca合金的Sr释放规律，揭示Sr浓度对于细胞增殖和成骨相关基因表达的影响，建立Sr浓度和分布与植入体周围新骨生成、骨结合率的关系。研究Sr-HA/Mg-Ca合金的体内力学性能和骨组织力学性能变化，建立骨-材料的力学适配关系，为临床治疗提供依据。

镁合金作为可降解吸收的新型医用金属材料，兼具“强度”和“降解”的特点，可以从根本上克服传统永久性医疗器械的缺陷，避免应力遮挡和二次手术取出，在硬组织修复等领域具有良好的应用前景。然而，镁合金降解过快及局部腐蚀等问题，成为限制其临床应用的瓶颈问题。. 本课题针对这一问题，在镁合金表面通过电化学沉积法构建掺锶羟基磷灰石（Sr-HA）涂层，采用SEM、EDS、XRD等分析测试手段，系统研究掺锶量和制备参数等对涂层微观组织结构的影响；利用模拟体液及动物实验，研究Sr-HA涂层/镁合金材料的体内外降解行为，及Sr-HA涂层的形貌、成分、结晶度等对材料降解的影响，揭示其降解产物对细胞及骨响应的影响规律。研究发现，掺锶量和烧结温度显著影响涂层形貌、显微组织结构。当掺锶量<50%时，随着涂层掺锶量增加，涂层结晶度下降，晶体结构由层片状变为球状，但是涂层显微裂纹减少，使得材料腐蚀速率下降。当HA涂层中的钙全部由锶替代时，结晶度再次增加，晶体结构变为花型，涂层厚度降低，但是涂层形貌均匀、致密，使得100%Sr-HA涂层表面改性镁合金腐蚀速率最低。采用低温烧结对涂层进行进一步处理发现，由于烧结温度较低，羟基磷灰石晶体结构和尺寸并未发生改变，但烧结处理改善了涂层致密度，提高涂层与基体结合力。烧结温度为300°C时，涂层球状结晶熔融彼此相接触，涂层平整度提高，截面未观察到显微裂纹及气孔。细胞结果显示，Sr-HA/镁合金材料对MC3T3-E1细胞具有良好的细胞相容性，50%Sr-HA涂层组涂层降解快导致锶释放量高，其成骨细胞活性高于掺100%锶组。动物实验结果表明，掺锶羟基磷灰石涂层表面改性镁合金成骨作用高于对照组，心、肝、脾和肾病理学检查未见异常，血清镁、锶和钙含量与对照组无显著性差异。. 本课题主要揭示了Sr-HA涂层/镁合金材料的腐蚀降解规律及降解机制，通过掺锶量及制备参数等优化涂层显微组织结构、材料腐蚀降解特性和生物相容性。本课题的研究成果可为表面改性医用可降解镁合金在硬组织修复领域的临床应用提供理论指导和实验依据。