具有抗菌性能的新型镁合金材料的制备及生物学性能研究

Magnesium alloy has good biodegradability and biocompatibility. By adding alloy elements and changing the element ratio can be assigned different biological functions, and is expected to be used in orthopedics. But as implants, implant infection of postoperative complications is inevitable, and it has become an important problem to be solved urgently in the medical field. The implant has obvious antibacterial effect, and has become an important direction of development of antibacterial materials research, by adding appropriate amount of metal elements with antibacterial effect in magnesium alloys, without damaging the original metal physicochemical properties. We have studied the modify,degradation, biocompatibility, mechanical properties and osteogenic property of magnesium alloy deeply, and have proved the potential of the application of Mg-1Ca-0.5Sr alloy in the filed of orthopedics implant material. Based on this, the project plans to add Ag, Zn or Cu in Mg-1Ca-0.5Sr, and develop the new antimicrobial magnesium alloy, then using the research methods in combining with medicine, biology and materials science, systematic study the antibacterial properties and antibacterial mechanism of new material system to typical clinical pathogens in orthopedics clinical in vitro and in vivo, evaluate its degradation, mechanical properties, biocompatibility and osteogenic properties deeply, In order to provide scientific basis for research development and clinical application for the new material of magnesium alloy.

镁合金具有可降解性及良好的生物相容性，通过添加合金元素并改变元素比例可赋予其不同的生物学功能，有望应用于骨科。但作为植入材料，以植入物感染为首的术后并发症不可避免，且已成为医疗领域亟待解决的重要问题。通过在镁合金中加入适量具有抗菌作用的金属元素，在不损害原有金属理化性能的前提下，使植入物具有明显的抗菌作用，成为抗菌材料研究的一个重要发展方向。本项目组前期针对镁合金的改性、降解性能、生物相容性、力学性能及成骨性能进行了深入的研究，证实了Mg-1Ca-0.5Sr应用于骨科植入材料的潜力，在此基础上，本项目拟在Mg-1Ca-0.5Sr中添加Ag、Zn及Cu元素而开发出新型的抗菌镁合金，采用医学、生物学与材料学相结合的研究方式，系统研究新型材料在体内外对骨科临床典型致病菌的杀灭作用及抗菌机理，深入评价其降解性、力学性能、生物安全性及促成骨性能，为抗菌镁合金新材料的研究发展与临床应用提供科学依据。

骨科手术大多依靠开放性手术切口及置入相应内植入物，因此内植入物相关感染成为影响手术预后的一大风险因素，如何采取有效措施降低骨关节感染的发病率是目前骨科临床急需解决的重要问题。镁合金具有可降解性及良好的生物相容性，在镁合金中加入适量具有抗菌作用的金属元素，如铜（Cu）、银（Ag）、锌（Zn）等，可以在不影响其金属理化性能的前提下，使合金具有明显的抗菌作用。但这些合金抗菌/促成骨的最佳组分、抗菌机理、生物安全性仍不明确，需开展系统研究进行验证。本课题在前期对镁（Mg）-钙（Ca）-锶（Sr）合金相关研究的基础上，分别制备了不同Zn含量的Mg-Ca-Sr-Zn合金以及不同Ag含量的Mg-Ag合金。系统研究了Mg-Ca-Sr-Zn合金的微观结构和相组成、降解特性、生物安全性及体外抗菌特性，同时对Mg-Ag合金的理化性能、生物安全性、体外抗菌及细菌生物膜的性能开展研究。此外，本课题针对用于骨修复的镁合金的特性，系统研究了不同含量的Sr及唑来膦酸涂层对镁合金骨形成相关性能的影响规律及其分子机制。本项目的研究为镁基金属内植入材料的临床转化提供了较为完整的理论基础和依据。本项目按期完成了项目计划的内容，从抗菌镁合金的设计和制备、安全性及成骨性能、体外抗菌/细菌生物膜的特性等进行了由浅入深的研究。通过抗菌金属元素的添加制备了一系列抗菌性能良好且具有良好的生物相容性的镁基医用金属材料。课题执行期间发表SCI论文10篇，获得国家发明专利授权一项，申请国家发明专利一项（实质审查阶段），培养骨外科硕士研究生2名。