骨科用可降解Mg-Zn-Sr合金在体降解行为及免疫成骨调节机制研究

With comparable mechanical property with natural bones, superior osteogenesis property and biodegradability in body fluid environment, magnesium (Mg) and its alloys had become hotspots in the development of orthopedic implants. However, after implantation in the body, the Mg implants and the degradation products may cause immune reaction as foreign body. By sharing a number of cytokines, receptors and signaling molecules with skeletal system, immune system plays a vital role in bone metabolism and remodeling via osteoimmunomodulatory effect. However, there are few investigations about the relationships between osteoimmunomodulatory effect and osteogenesis effect of Mg alloys implants and degradation products. According to our previous work, Zn and Sr possess superior biocompatibility and osteogenesis property, and they were selected as alloying elements to fabricate Mg-Zn-Sr ternary alloys. In our present project, both in vitro and in vivo assays were conducted, the in vivo degradation behavior were studied. The potential mechanism for osteoimmunomodulatory effect caused by Mg implants and its degradation products improved the osteogenesis property were also evaluated.

由于具有与人骨可比拟的力学性能、良好的成骨活性以及体液可降解特性，镁及其合金已经成为了新一代骨科植入物的研究热点。其作为骨科植入材料植入人体后，镁合金植入物及其降解产物会引起机体的免疫反应。免疫系统与骨骼系统共用多种细胞因子、受体以及信号分子，其能通过骨免疫调节作用调控新骨的生成，促进骨组织的愈合。但是，目前骨免疫调节作用在可降解镁合金中的研究并不多，镁合金植入物及其降解产物的成骨功能与骨免疫调节之间的相互关系也不是很清楚。本项目将在前期工作基础上采用具有较好生物相容性和成骨活性的锌(Zn)、锶(Sr)作为合金元素，通过体内和体外实验，评价Mg-Zn-Sr三元可降解镁合金在体腐蚀降解行为，探究植入物及其降解产物引起的骨免疫调节作用促进成骨的作用机制。

镁及其合金具有与人骨可比拟的力学强度、良好的生物相容性、成骨活性和体液可降解特性，是一种非常有潜力的可降解骨科植入材料。镁及其合金植入物作为异物植入人体后会引起基体一系列的免疫反应。免疫系统与骨骼系统拥有很多相同的细胞因子、受体以及信号分子，其能通过骨免疫调节作用调控新骨的生成，促进骨组织的愈合。根据前期的研究工作基础，我们从材料学和生物安全性的角度出发，选择了具有良好生物相容和成骨活性的Sr和Zn作为合金元素，制备了Mg-Sr-Zn系列三元合金。我们评价了Mg-Zn-Sr系列三元合金的力学性能，体外腐蚀降解行为，体外生物相容性能、成骨活性以及在体腐蚀降解行为、在体成骨功能以及在体对免疫相关炎性因子分泌的影响。研究发现，较高的Zn含量会降低合金的断裂伸长率，同时也会加速合金材料的体外析氢速率。Mg-2Zn-Sr系列合金具有良好的细胞相容性，能够促进BMSCs细胞的增殖。与阴性对照相比，Mg-2Zn-Sr系列合金还能够提高BMSCs细胞的ALP活性以及体外成骨矿化能力。在体植入实验证实，Mg-2Zn-1Sr合金植入物在植入3天能够促进促炎性因子TNF-α的表达，同时抑制抑炎因子IL10以及VEGF的表达。随着植入时间延长到7天，植入物周围的炎性细胞明显减少，炎性反应组织厚度也降低。Micro-CT检测发现，在植入4周之后植入物周围出现了由于H2聚集形成的孔穴，随着植入时间增加到12周，植入物周围孔穴逐渐被新骨取代。在植入12周之后植入物还有(43.05±2.89)%体积剩余。我们的研究结果表明，Mg-2Zn-1Sr合金植入物在植入早期能够调控相关炎性因子的表达。在植入期间，能够促进植入物周围新骨生成，具有良好的成骨活性和生物安全性，是一种比较有潜力的可降解骨科植入物材料。