可降解镁基磷酸钙-壳聚糖复合骨植入材料的构建及修复骨缺损的实验研究

A lot of restrict factors of magnesium(Mg)-based biomedical implants application were existed，such as rapid corrosion rate, poor osteoinductive and poor bonding strength, as well as the material degradation and the degradation product influenced to bone reosteoanagenesis. Mg and its foam produced with electrodeposition technique would be chosen as matrix. Calcium phosphate-graphite/ chitosan composite films prepared through electrophoretic deposition (EPD) followed by a conversion process of immersion into a phosphate buffer solution (PBS) would be fabricated on the surfaces of microarc-oxidized Mg and its porous construction. The influence regularity would be studied in the respect of the constituent and construction of matrix material and deposit layer on the bone implant degradable behaviour and osteoinductive and mechanic property. The design principle and molecule nature would be verified that the matrix and deposit layer construction activate cell cascades gene express and regulate cell orientation differentiated. The influence rule of the degradation property and degradation product influenced to the bone tissue formation would be clarifed. A meaningful exploration would be studied in the respect of lowering the Mg implnt amount,increasing the boactivity, promoting vessels and nerves ingrowth，improving mechanic property and interface bonding strength. The instruction meaning would be in the establishment of the basic theory of new bone internal fixation and bone tissue engineering scaffold materials.

针对镁基骨植入材料降解速度快、骨诱导性差、植入材料与骨组织结合性差、材料的降解行为及降解产物对于骨组织再生的影响尚不清楚等问题，以微弧氧化后的实体镁及泡沫镁为基体，采用电泳沉积结合溶解再沉淀的方法，制备了添加不同比例石墨烯的镁及泡沫镁基钙磷-壳聚糖骨固定材料及骨组织工程支架材料。研究基体材料的结构以及陶瓷膜层的组成、结构对骨植入材料降解行为、骨诱导性及力学性能的影响规律；阐明可激活细胞级联基因表达、调控细胞定向分化的基体、涂层结构的设计原理及分子本质；明确镁基骨植入材料的生物降解行为及降解产物对于骨组织再生的影响规律和作用机制；在降低镁的植入量，增加镁合金的生物活性、促进血管神经的长入、提高材料的力学性能及界面结合能力方面提供有益的探索；奠定研发新型的骨内固定材料及骨组织工程支架材料的基础理论，具有重要的指导意义。

镁及镁合金作为骨植入材料表现出优异的生物可降解性、生物相容性和适宜的机械性能，但镁合金在人体环境中存在降解速度过快以及生物活性差等问题。因此，从骨的自然结构出发，本文采用电泳沉积结合磷酸盐缓冲溶液浸渍法制备具有合适降解速度和优良生物活性的AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖骨植入材料，探讨工艺参数对膜层与基体之间结合力的影响，研究表明AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖骨植入材料具有良好的生物活性，降解速度明显减慢；同时，研究了m-SBF中Mg2+浓度对磷灰石和类骨磷灰石生长行为的影响，当Mg2+浓度从4×CMg2+增加到8×CMg2+时，膜层中nHA生长速度大于溶解速度，过量的Mg2+对nHA和HCA的总体生长趋势起抑制作用；为赋予钙磷/壳聚糖膜层具有更好的结合力、生物活性及载药能力，在膜层中分别复合碳纳米管(CNTs)或石墨烯(GNS)，泳液中CNTs浓度为0.1 ~0.25 g/L、GNS浓度为0.005~0.03 g/L时，AZ91D镁合金基钙磷/壳聚糖/CNTs(GNS)骨植入材料在m-SBF中生物活性好，膜层中磷酸盐的矿化过程较明显，所获得钙磷/壳聚糖/ CNTs (GNS)膜层的结合力较好；CNT及GNS掺杂CaP-CS / AZ91D的浸提液，特别是在早期（16天和之前）可以显著增强人骨髓间充质干细胞（hBMSC）的碱性磷酸酶（ALP）活性，钙矿物沉积和成骨细胞相关基因表达。在长期降解过程中，主要通过ERK / MAPK通路诱导成骨分化，其中释放的CNT及GNS可能起到关键作用，而PI3K / Akt信号仅在早期显着。 此外，Mg元素可以通过ERK / MAPK通路促进成骨分化，最大浓度约为500ppm；在电泳沉积过程中加入抗菌离子——庆大霉素（GM）、Zn2+、Cu2+、Ag+，研究AZ91D镁合金基复合植入材料在模拟体液（m-SBF）中的生物活性、降解行为及抗菌性能。结果表明，材料具有良好的生物活性，GM、Zn2+、Cu2+、Ag+释放时间约为14天左右。最后，用AZ91D镁合金基复合抗菌膜层对白葡萄球菌和大肠杆菌进行抗菌测试。计算得出钙磷/壳聚糖/CNTs复合Cu2+膜层对白葡萄球菌的抗菌率为 94.18％，大肠杆菌的抗菌率为 85.96％。