颇具潜力的生物活性涂层系统-用于高性能可吸收镁质骨植入物

11/11颇具潜力的生物活性涂层系统—用于高性能可吸收镁质骨植入物镁合金被认为是最适合用于骨折固定植入物的可吸收金属。可吸收镁合金体内应用的主要挑战是它们需要控制的高腐蚀/降解速率。在这篇综述中，提出了一种生物活性涂层来减缓镁合金的腐蚀速度并加速骨折愈合过程。除了涂层之外，通过将镁与发现可促进骨再生的钙、锌、铜和锰合金化，可以使基材本身具有生物活性。

01、研究内容简介

可生物降解（可吸收）金属旨在通过金属溶解（腐蚀或降解）的电化学机制在人体内（体内）降解，然后被细胞和组织代谢或同化。这些金属用作医疗植入物，旨在受损组织（例如骨折）的愈合过程中提供临时机械支撑。因此，理想的可吸收金属植入物必须在不引起宿主任何不良反应的情况下适当降解，并且应在愈合过程完成后被吸收。如Figure1a所示，在降解时，植入物必须保持其机械完整性，直到组织恢复其强度；因此，其降解速率必须与骨愈合期相匹配，即需要3-6个月。

骨折愈合过程涉及不同细胞类型的动态相互作用，由多种生长因子和信号级联驱动，并由各种生理因子和细胞成分控制。骨折愈合分为两类：原发性（直接）愈合和继发性（间接）愈合。主要的骨愈合过程是没有愈伤组织形成的皮质重塑。它需要对骨折端进行精确的解剖复位，不形成间隙，并通过内固定手术进行固定。一旦完成所有要求，通过板层骨、哈弗斯管和血管的直接重塑来实现愈合。通常，完全恢复需要几个月到几年的时间，但骨折的原发性愈合比继发性愈合过程更快。另一方面，继发性骨愈合涉及骨膜和外部软组织愈伤组织形成的反应。大多数骨折通过非手术骨折治疗（固定）如骨科石膏或通过某些手术治疗（如髓内钉）和复杂粉碎性骨折的外固定或内固定进行二次愈合。它涉及骨折愈合序列中膜内和软骨内骨化的组合。这类骨折愈合至少发生在四个复杂阶段：炎症、软骨痂、硬骨痂和重塑阶段，如Fiugre1b所示。除此之外，骨折愈合需要血液供应，而血运重建对于成功的骨修复至关重要。

Fig.1.(a)Illustrationoftheidealcompromisebetweenmechanicalstabilityanddegradationofabsorbablemetalsforabonescrew,wherethedegradationratestayslowduringthefirst3–6monthswhilethemechanicalstabilitystayshightosupportbonehealing;(b)illustrationofbonefracturehealingprocessshowingthefourconsecutivephasesofhealing.Within1–7days,aninflammatoryresponsestartstogetherwiththeformationofhematoma,resultinginthedevelopmentofgranulationtissue.Within2–4weeks,softcartilagegrowsfromthegranulationtissuethatfurtherdevelopsintoahard-bonycallusthatsurroundsthefracturein2–4months.Withinafewmonthstoyears,ossifiedcallusregeneratestomatchtheoriginalbonemorphology.*Colorsindicatethehealingprocess.

理想的骨折愈合生物材料应具备以下特点：（1）具有一定机械强度的骨传导性，为血管形成和骨向内生长提供场所；(2)成骨诱导作用，诱导成骨蛋白表达，刺激周围干细胞分化成软骨细胞或成骨细胞，然后矿化钙化，直至形成新骨；(3)成骨诱导祖细胞、成骨细胞和骨祖细胞分化为成骨细胞或使其成熟。干细胞通过粘附、增殖和分化与生物材料表面相互作用，表明使表面具有生物活性的重要性，可以通过涂层和其他表面处理进行修饰。

在近20年的可吸收金属研究中，镁合金被认为比铁基和锌基合金更适合用于骨植入物。种类繁多的商业和实验镁及其合金可以根据它们的合金系统进行分组：纯镁、二元合金、三元合金等等。Figure2提供了由Mg及其合金制成的商业可吸收金属植入物的示例。镁及其合金是最轻的结构金属之一，其密度为1.74g/cm3（纯Mg）和1.75-1.85g/cm3（镁合金），与人类皮质骨非常相似，即1.75g/cm3。镁是构成骨骼、软组织的必需元素，是许多酶的辅助因子。镁离子(Mg2+)可促进组织愈合，而其过量会通过尿液和粪便排出而不会造成任何不良影响。镁离子在降解过程中产生，由此产生的碱性环境诱导成骨，从而增加成骨细胞矿物质沉积并抑制破骨细胞活动。

Fig.2.ExamplesofsomecommercialabsorbablemetalimplantsmadeofMganditsalloys.

在临床试验中，镁植入物已在德国、中国、韩国、新加坡和奥地利进行了测试以修复骨折病例。2013年，德国第一个报告在拇外翻畸形手术中使用Mg-Y-RE-Zr合金(MAGNEZIX®)螺钉进行骨科临床治疗结果。而后许多国家进行了临床试验。Figure3a为接受由Mg-Y-RE-Zr(MAGNEZIX®)合金制成的MAGNEZIX压缩螺钉的患者左脚的X射线图像。结果发现，该螺钉与使用钛合金螺钉治疗拇外翻异常的效果相当。2016年，韩国进行了一项使用Mg-Ca-Zn螺钉固定桡骨骨折的临床试验（Figure3b）。手术后六个月后，骨折完全愈合，没有疼痛并且没有报告范围运动减少，表明患者的愈合率正常。总体而言，结果表明镁合金组和钛合金组之间没有显着差异，正常愈合仅发生在镁组中。在对照组和镁组中都发现了轻微的并发症。这些临床数据显示了镁种植体未来使用的良好前景。然而，对于随机对照试验，未来需要有更多患者数量和更长观察时间的多中心临床研究。

Fig.3.(a)X-raysimagesofapatient’sleftfootwhoreceivedtheMAGNEZIXcompressionscrewsmadeofMg–Y-RE-Zr(MAGNEZIX®)alloy.Resultswerefoundthatthescrewswerecomparablewiththetreatmentofhalluxvalgusabnormalitiesusingtitaniumalloyscrews[128](b)X-rayimagesofthedistalradiusfractureandthescaphoidnon-unionbeforethesurgicalintervention(pre-op),implantationsiteimmediatelytakenafterthesurgicalprocedurestofixthedistalradiusfracturewithMgalloyimplant(Mg-5wt%Ca-1wt%Zn),6-monthfollow-up,and12-monthpost-operationwhereitshowsthedegradationofMgalloyimplant[115].AdaptedwithpermissionfromElsevier.

对于镁合金来说，各种类型的生物活性无机和有机材料可通过不同的技术应用于其表面涂层：(i)转化涂层，如化学转化涂层、仿生涂层、微弧氧化(MAO)、碱热处理涂层和水热，以及(ii)沉积涂层，例如物理气相沉积(PVD)、电沉积、浸渍和溶胶-凝胶。Figure4说明了每种涂层方法的原理。

Fig.4.SchematicillustrationofcoatingmethodspotentiallysuitableforMgalloys.

HA、CaP和氟化物等无机材料因其与天然骨相似的化学成分而被公认为骨替代材料。它们有利于骨-植入物界面处的骨组织生长。Fiugre5a-b展示了应用Sr掺杂CaP涂层的ZK60合金与未涂层合金相比，可促进MC3T3-E1细胞的成骨标志物的粘附、增殖和表达，并在植入后4周增强兔模型中的骨形成和骨整合。众所周知，Ca2+离子有利于细胞活性，而锶的添加促进了细胞和蛋白质通过不同的表面细胞受体结合，并形成了促进细胞生长的活跃环境。而后其他研究进行的Si掺杂的CaP涂层和Zn掺杂HA涂层试验，分别通过影响成骨细胞在骨形成过程中的生物代谢和促进BMSCs成骨分化的作用实现了促进成骨。

壳聚糖、聚多巴胺和骨形态发生蛋白-2(BMP-2)等有机材料是应用于镁表面涂层的生物活性材料。如图Figure5c所示，多巴胺/明胶/rhBMP-2包被的β-TCP/Mg-Zn复合物提取物促进细胞增殖并显着增强BMSC的体外成骨分化。而在兔股骨干的体内实验中，涂层复合材料改善了早期骨诱导性，强烈促进新骨形成，使复合材料降解与骨再生率相匹配，并完全吸收氢气。

Fig.5.InvivostudyofSr-dopedCaPcoatedZK60alloyspecimeninrabbits,showing(a)photographsofimplantationandhistologicalsectioningofuncoatedandSrdopedCaPcoatedZK60alloyspecimeninrabbits,and(b)histologicalmicrographafter2and4weeksofimplantation[187];(c)invivostudyofdopamine/gelatin/rhBMP-2–coatedβ-TCPMg–Znalloyshowingradiographsoftheimplantationsiteoftherabbit’sfemuratanteroposteriorviewfor1,2and3monthspost-implantation[202].AdaptedwithpermissionfromElsevier.

在增强镁骨植入物的生物活性方面同样具有吸引力的方法是表面负载骨诱导药物，例如辛伐他汀（SIM）和唑来膦酸（ZA）。药物可以装载到表面涂层上，放置在空心管中，或封装到支架中。辛伐他汀是临床上常用的降脂药物之一。然而近年来，这种药物已被用于探索其对成骨的影响。研究发现辛伐他汀可促进新骨的形成、成骨细胞的分化和MC3T3-E1细胞外基质的矿化。局部给药可以避免全身使用这种药物的严重副作用，例如在涂层系统中。如Figure6a所示，电泳沉积制备的WE43合金上负载辛伐他汀的明胶纳米球/壳聚糖复合涂层，通过上调成骨基因和相关基因的表达，维持其药理活性来诱导MC3T3-E1细胞成骨分化的潜力。COL-1，OCN促进碱性磷酸酶活性和增强细胞外基质矿化。Figure6b中可观察到ZA将Mg-Sr合金作为骨替代物用于有效治疗以减少骨溶解的潜力。Figure6c总结的研究表明，Sr2+导致骨与种植体接触、种植体周围骨量和推出力量的增加。

Fig.6.StudiesoncoatingofMgalloyswithsimvastatin(SIM),zoledronicacid(ZA),andstrontium(Sr):(a)ARSstainingshowsmatrixmineralizationforMC3T3-E1cellsafter18dayswithSIM-loadedsampleshowedthehighestmineralizationnodules[208],(b)stainingofmigratedpre-osteoclastsfordifferentZAcoatings,CaPcoatingandblanksample,showingZAcoatingeffectivelydecreasedthepre-osteoclastmigration[240],(c)ALPstainingofprimaryfetalmousecalvariacellsprovedbonenodulesformationforthecellstreatedwithSr.

镁植入体上开发良好的生物活性涂层可作为生物功能层，提供改进的生物相容性和抗降解性。因此，Fi