镁合金骨植入材料在葡萄糖与多因素耦合下的微环境界面降解、分子识别机理及生物相容性研究

Elevated glucose concentration leads to the inhibition of calcium uptake and bone mineralization. With the population ageing and larger number of prevalence of the patients with high blood glucose and diabetes, bone replacement implants thus face serious challenge. As a novel degradable metal implanted material, the study on corrosion or degradation mechanism of magnesium and its alloys is inadequate and stays at the macro level. Particularly, the significant influence of glucose on microstructure and corrosion behavior of medical magnesium alloys has not been found. We find that glucose lowers solution pH, enhances the degradation rate of pure Mg in saline solution; while decreases the corrosion rate of pure Mg in Hank’s solution. It is proposed that glucose becomes gluconic acid, joins the interface reaction by molecular recognition, promotes hydroxyapatite (HA) and thus leads to a change in microstructure of the interface of Mg/corrosion product layer. This hypothesis may be a new corrosion theory of biomedical magnesium alloy. We will apply thin electrolytic layer, microelectrode and micro-zone electrochemical technique as well as surface analytic techniques to probe the mechanism of interface reaction on meso-scale. The influence of glucose on interface microstructure, corrosion kinetic, mechanical property and biocompatibility will be investigated to take an insight into the interaction mechanism of magnesium material, chemical and mechanics. We strive to build an approach to adjusting microenvironment of the interface on magnesium and its alloy and the medium, to provide a theoretical guide for the clinical application of magnesium and its alloys.

高血糖抑制骨钙吸收和骨矿化。我国人口老龄化及高血糖和糖尿病患者数量庞大，骨植入材料面临挑战。作为新型可降解骨植入金属材料，镁及合金的降解机理研究还不全面且停留在宏观层次。特别是，葡萄糖对医用镁合金界面微结构、腐蚀降解行为的重要影响研究一直未被发现。我们发现，葡萄糖降低溶液pH值，提高纯镁及合金在生理盐水中的腐蚀速率，却降低合金在Hank’s溶液中的腐蚀速率，由此推断“葡萄糖酸化，并通过分子识别参与镁合金界面反应，促进羟基磷灰石的形成，改变界面微结构”。这可能是医用镁合金腐蚀的新理论。为证实这一假说，我们将利用薄液膜、微电极、微区电化学技术和现代表面分析技术，从介观层次研究界面反应机理，通过多因素耦合来研究葡萄糖对镁合金界面微结构、腐蚀动力学、力学性能、生物相容性的影响，以期深入理解葡萄糖与镁合金材料、化学、力学之间交互作用机制，建立调控镁合金界面微环境的途径，为镁合金临床应用提供理论指

随着我国人口快速老龄化，高血糖和糖尿病患者数量日益庞大。高血糖抑制骨钙吸收和骨矿化，骨植入材料需要旺盛，也面临巨大挑战。葡萄糖对医用镁合金界面微结构、腐蚀降解行为的重要影响研究一直未被发现。本项目研究了葡萄糖在多因素耦合下对镁合金界面微环境的影响及分子识别机制，拓展了氨基酸及其在多因素耦合下对镁合金界面微环境的影响及分子识别机制研究。同时利用所得研究成果，用于镁合金表面Ca-P生物涂层的构建。. 模拟体液及组成影响镁合金腐蚀行为。在0.9%NaCl溶液中，随着葡萄糖浓度的增加，Mg-1.35Ca合金的腐蚀速率加快。相反地，Mg-6Li合金的耐蚀性增强。蛋白质会先吸附抑制纯镁的腐蚀，而后促进纯镁的降解；且高浓度蛋白质聚集会促进镁合金的降解。而葡萄糖和蛋白质耦合时，葡萄糖会促进蛋白质在镁合金表面的吸附，形成腐蚀产物阻挡层。维C在短期内可以防止葡萄糖被氧化。葡萄糖与Tris耦合作用下，加速了AZ31合金的腐蚀。氨基酸能够抑制纯镁腐蚀，而葡萄糖与氨基酸的耦合作用加速镁合金的腐蚀。. 在PBS溶液中，丙氨酸、谷氨酸、赖氨酸均不同程度地抑制镁合金腐蚀。丙氨酸在浸泡后期的腐蚀速率最低，谷氨酸次之，而赖氨酸抑制作用最弱。蛋白质可以改善镁合金微弧氧化涂层的耐蚀性、细胞相容性。浸泡初期，由于静电作用涂层表面吸附的蛋白质层起到保护作用。. 在Hank’s溶液中，葡萄糖加速Mg-6Li合金腐蚀。在静压应力的作用下，镁合金试样的自腐蚀电位变得更负，电化学腐蚀倾向加剧，促进镁合金电化学腐蚀。但其腐蚀机理亟待进一步研究。. 利用葡萄糖和氨基酸分子识别作用，制备了结构致密、附着力强、耐腐蚀性、生物相容性能好的钙磷涂层。. Mg-Li-Ca合金和MAO/PLLA复合膜具有良好的生物相容性。Mg-1Li-1Ca合金、MAO膜和MAO/PLLA复合膜存在细胞粘附生长，MAO膜和MAO/PLLA复合膜表面细胞形态正常。MAO/PLLA复合膜表面多孔的PLLA膜结构有利于细胞的铺展和伪足的粘附。. 新西兰大白兔胫骨缺损在体试验发现，Mg-1Li-1Ca合金样品周围出现溶骨现象；而MAO膜周围未见明显溶骨。