镁基支架及其在动物骨缺损修复中的应用

2024年5月9日发(作者：)

镁基支架及其在动物骨缺损修复中的应用

郑健茂;毛学理;凌均棨

【摘 要】镁基是一种可降解金属材料，具有较好的生物相容性，其生物力学性能

与骨组织相匹配，可在体内逐渐降解并由新生骨质取代，可促进细胞的黏附增殖，

诱导骨生成，促进新骨生成，作为植入材料应用于医学的安全性高。镁基支架主要

有表面改性的磷酸钙涂层镁基支架和聚合物膜镁基支架以及镁合金支架和多孔状镁

基支架，其抗腐蚀性能高，可促进成骨细胞和骨髓间质干细胞的黏附和增殖，促进

血管生成和营养物质的输送，有效降低镁合金的降解速度。在动物骨缺损修复方面，

有明显的促进骨生长的作用，具有明显的诱导动物机体新骨生成的能力。综上所述，

镁基支架在骨组织工程中的应用具有广阔的前景。%Mg-

based scaffold, as a novel biodegradable metallic material that inherently off

ers suitable mechanical properties and osteoconductivity, is proven safe in m

edical science. Mg-

based scaffolds, including scaffolds with surface modification, Mg alloy scaff

olds, and porous Mg scaffolds, can reduce corrosion, enhance the proliferatio

n and adhesion of bone marrow stem cells, and promote angiogenesis. In ani

mal models, Mg-based scaffolds can improve bone healing. Thus, these Mg-

based scaffolds can potentially be applied to bone tissue engineering.

【期刊名称】《国际口腔医学杂志》

【年(卷),期】2015(000)006

【总页数】4页(P720-723)

【关键词】镁基材料;生物可降解金属材料;骨组织工程;支架

【作 者】郑健茂;毛学理;凌均棨

【作者单位】中山大学光华口腔医学院•附属口腔医院牙体牙髓病科; 广东省口腔医

学重点实验室 广州510055;中山大学光华口腔医学院•附属口腔医院牙体牙髓病科;

广东省口腔医学重点实验室 广州510055;中山大学光华口腔医学院•附属口腔医院

牙体牙髓病科; 广东省口腔医学重点实验室 广州510055

【正文语种】中 文

【中图分类】R783.1

镁基是一种可降解金属材料，具有较好的生物相容性，其生物力学性能与骨组织相

匹配，可在体内逐渐降解并由新生骨质取代，避免第二次手术，有望作为新的骨组

织工程生物替代材料应用于骨缺损的修复[1-2]。本文就镁基支架的研究现状作一

综述。

1 镁基支架的特性

1.1 镁基材料应用于医学的可行性

镁基材料自19世纪后期开始应用于骨科、心血管和普外科等医学领域的动物试验

及临床研究，但其腐蚀降解过快，降解产物无法有效及时地清除，限制了其临床应

用。近年来，随着材料表面改性处理技术的进展，镁基材料的生物降解速度得到了

有效的控制，其作为可降解医用生物材料成为研究的热点[3]。

Erbel等[4]在63例患者的心脏冠状动脉植入可吸收镁支架，经冠状动脉造影和血

管内超声检查发现，4个月后镁支架完全降解，没有出现1例心肌坏死、血栓或死

亡病例，血管狭窄率由61.5%降低到12.6%，部分狭窄血管直径增加且血供良好，

临床应用获得成功。该研究证明了可降解镁合金作为医用植入材料应用于医学的安

全性及可行性。

1.2 镁基支架的应用优势

骨组织工程修复的主要策略之一是选择具有良好生物相容性和生物力学性能的支架

材料，通过改变局部微环境调控细胞的黏附，诱导细胞成骨分化和促进新骨形成

[5-6]。镁基支架具备了以下优点。1）生物相容性和生物力学性能：镁基支架的生

物相容性良好，可以促进细胞的黏附增殖；其弹性模量和抗拉强度分别为41～45

GPa和230～250 MPa，与人骨组织接近，可有效避免应力遮挡效应[7-8]。2）

医学安全性：镁基支架具有良好的医学安全性，肾脏是镁代谢调节的中心，降解的

镁离子将通过肾脏排泄，镁离子还是骨组织的重要组成成分，对于骨组织的生长和

强度具有重要的作用[9]。3）诱导骨生成作用：镁基支架降解物氢氧化镁呈碱性，

可提高成骨细胞的成骨能力并降低破骨细胞的活性，促进新骨生成[7,10]。适当浓

度的镁离子可提高骨髓基质干细胞的黏附，促进骨髓基质干细胞向软骨分化[11]。

4）新生骨质取代镁基支架：镁基支架可诱导骨组织生成并在支架表面堆积，其降

解速度与新骨生成速度相配，可保持生物力学性能4周，完全降解后由新生骨质

取代[10]。

2 镁基支架的种类

2.1 表面改性的镁基支架

纯镁在生理环境中的降解速度较快，对镁金属支架进行表面改性是调节镁基生物支

架降解速率的主要策略[12]。

2.1.1 磷酸钙涂层镁基支架 磷酸钙涂层是镁基支架改性最常用的方法，常用的磷

酸钙涂层包括磷酸二钙、无水磷酸钙、磷酸八钙、磷酸三钙（tricalcium

phosphate，TCP）和羟磷灰石，其中磷酸二钙和磷酸八钙涂层主要是制作羟磷灰

石涂层的中间手段，羟磷灰石和TCP涂层可改善镁基支架的耐腐蚀性能和生物相

容性，促进其骨组织生成能力[13]。

Xu等[14]在镁锰锌合金表面用浸泡方法获得磷酸钙涂层发现：细胞系L929能黏

附和增殖于磷酸钙涂层形成的网孔状结构，表现出良好的细胞相容性；将其植入日

本大耳兔体内后，骨组织引导和骨生成作用明显提高。亦有研究者[15-16]在纯镁

表面利用仿生矿化法获得磷酸钙涂层，纯镁的降解速率得到控制并可促进细胞的黏

附和增殖。Zhang等[17]发现：纯镁表面获得磷酸钙涂层，其抗腐蚀性能较没有

经过处理的纯镁明显提高；通过调节涂层的厚度，可以调控镁离子释放的速度。

2.1.2 聚合物膜镁基支架 Wong等[18]以聚已酸内酯（polycaprolactone，PCL）

表面处理AZ91镁合金1 d后发现：AZ91镁合金PCL膜表面有大量成骨细胞黏

附，3 d后细胞扩散至整个合金表面，而未经处理的AZ91镁合金表面则只有极少

数的成骨细胞黏附；将其植入兔体内，含有PCL膜的AZ91镁合金的耐腐蚀性能

和诱导成骨的能力均明显高于未经表面处理的镁合金；两种合金均未引起组织炎症、

坏死以及氢气积聚。该研究证实了高分子聚合物膜可以提高镁合金的细胞相容性和

诱导骨生成作用。Ostrowski等[12,19]发现，经生物可降解PCL和聚乳酸-乙醇酸

处理其表面的镁合金，可促进成骨细胞和骨髓间质干细胞的黏附和增殖，有效降低

镁合金的降解速度。

2.2 镁合金支架

Hort等[20]发现，通过调节钆的质量分数可控制镁合金的降解率，当钆的质量分

数达到镁钆合金质量分数的10%以上时，镁合金的降解速率可得到较好的控制。

Kraus等[10]利用锰、锌、钙合成的镁合金WZ21可引导骨组织在支架表面堆积，

促进骨组织的生成，其降解速度与新骨生成速度相匹配。另有研究[21]显示，无论

是铝、锌元素合成的镁合金AZ3l和AZ91，还是稀土元素钕、铈、镝、镧合成镁

合金WE43和LAE442，都具有明显的诱导骨生成的作用，材料表面直接与新生

骨接触并吸引无定型磷酸钙沉积。虽然合金元素可明显提高镁基材料的耐腐蚀性能

并诱导骨生成，但其亦会提高镁基材料的弹性模量，如镁钆合金的弹性模量随着钆

质量分数的增加而变大[20]。弹性模量增大过量将可能造成应力遮挡效应，因此合

金的制作要统筹设计，使镁合金的弹性模量保持在合理范围内。

2.3 多孔状镁基支架

骨组织工程支架的多孔状结构具有促进骨组织修复的作用，适当的孔隙率以及内部

相互贯通的三维结构有利于细胞的黏附和增殖，促进血管的生成和营养物质的输送

[22-23]。Wei等[24]发现：当多孔状支架的孔隙率达到52%～78%且伴有微孔结

构时，MG63细胞系在体外试验中能够更好地黏附和增殖；将多孔支架植入新西

兰腿骨缺损部位后，矿化骨组织的生成增加。他们认为，多孔状支架结构可促进骨

组织生成。Geng等[25]发现：当多孔状纯镁支架孔隙率约51%时，其拥有良好的

生物力学性能，其弹性模量和抗压强度与人骨相似，尤其与人的骨松质相近；但是，

疏松状支架增加了与体液的接触面积，支架降解的速度加快。他们发现，通过在疏

松状支架表面进行β-TCP涂层可以弥补这一缺陷，而且人骨肉瘤细胞能更好地黏

附和增殖，支架的耐腐蚀性能和生物相容性得到提高。

3 镁基支架在动物骨缺损修复中的应用

3.1 动物股骨缺损修复

Witte等[21]在将4种直径1.5 mm，长20 mm的AZ3l、AZ91、WE43和

LAE442镁合金支架植入豚鼠的股骨内后发现，镁合金支架有明显地促进骨生长的

作用；X线衍射分析显示支架表面有新骨质生成和无定型的磷酸钙沉积，支架在

18周时完全降解。Xu等[14]将直径2 mm，长10 mm，经磷酸钙涂层的镁锰锌

合金支架植入日本大耳兔股骨干缺损处，4周后组织切片显示，支架表面覆盖新生

类骨质和大量骨小梁且有成熟骨细胞着床；免疫组织化学显示，支架促进成骨相关

因子骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）-2、血小板衍生

生长因子、转化生长因子-β1表达。研究[26-27]显示，这些因子的表达升高有利

于新骨的生成。Wong等[18]将直径3 mm、长9 mm经PCL膜表面处理的铝锌

镁合金支架植入新西兰兔股骨缺损处2个月，组织切片显示，支架周围有成骨细

胞及新生骨形成，而且没有组织炎症、坏死以及氢气积聚。有研究[10]显示，将

WZ21镁合金支架植入大鼠股骨缺损处后，骨组织在支架表面堆积，骨组织生成

加快，支架降解后由新生骨质替代，满足了骨组织缺损修复的基本要求。

3.2 动物颌骨缺损修复

张广道[28]应用AZ31B镁合金内固定植入系统，以修复日本大耳兔下颌骨骨折模

型和骨缺损模型，结果与目前临床使用的Ti-6A1-4V钛合金相比较，AZ31B镁合

金具有明显的诱导动物机体新骨生成的能力。在诱导过程中，小体积的镁合金在修

复小范围骨缺损时表现出良好的骨诱导作用；但是却在修复大面积缺损的时候出现

了局部溶骨的现象。研究者发现，原因在于镁合金降解过快，镁离子浓度和pH值

过高，引起过量的BMP-2分泌，激活破骨细胞导致溶骨现象。研究者进而采用低

温化学沉积方法制备出β-TCP表面涂层的AZ31B镁合金，将其植入日本大耳兔

下颌骨后，其降解速率得到明显的控制。

4 小结

镁基支架具有良好的生物相容性和生物力学性能，可生物降解且医学安全性高。近

年来随着科技的发展，镁基支架的耐腐蚀性能得到提高，将其植入动物体内后能够

保持生物力学性能4周，其降解速度与新骨生成速度相匹配，满足骨组织缺损修

复的基本要求。诸多研究证实，镁基支架可促进骨细胞、成骨细胞的活性，拥有引

导骨组织再生的能力，支架降解后可被新生骨质替代；因此，镁基支架在骨组织工

程中的应用具有广阔的前景。

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