镁合金纳米复合骨支架的体外生物降解性能研究及其在骨科应用中的潜力

《International Journal of Biomaterials》：Nanocomposite Bone Scaffolds Based on Magnesium Alloy: A Detailed Investigation of Their In-Vitro Biodegradation Performance

本文系统研究了基于镁合金（Mg）的纳米复合骨支架的体外生物降解性能。通过粉末冶金技术成功制备了具有30%、45%和60%孔隙率的多孔支架，并引入钙（Ca）、锌（Zn）、锶（Sr）等成骨性合金元素及纳米氟硅钙石（n-FC）生物活性玻璃陶瓷。研究证实，合金元素的添加可形成Mg2Ca、MgZn2等稳定金属间化合物，有效调控降解速率并降低氢气体释放。该支架在模拟生理环境中展现出可控的降解行为和良好的生物相容性，为可降解骨科植入物提供了新材料策略。

　　

引言

随着全球人口老龄化加剧，骨骼疾病、创伤和骨折已成为重大健康问题。骨移植是治疗骨缺损的常规方法，但存在供体有限、免疫排斥等限制。骨组织工程（BTE）通过构建具有三维结构的多孔支架，为骨修复提供了新思路。理想骨支架需具备良好的生物相容性、可控降解性和适宜的力学性能。金属生物材料因其优异的机械强度在承重环境中具有优势，但传统金属植入物存在应力屏蔽和金属离子释放等问题。镁（Mg）作为一种可降解金属，其弹性模量和密度与天然骨接近，能有效减少应力屏蔽，同时具备生物相容性和可降解性，是临时骨科植入物的理想候选材料。

材料与方法

研究采用高纯度镁粉（≥99.5%）、钙粉（≥98.5%）、锌粉（≥99.5%）、锶粉（≥99.0%）及自主合成的纳米氟硅钙石（n-FC）作为原料。通过粉末冶金技术制备了不同孔隙率（30%、45%、60%）的镁合金纳米复合支架。其中，控制组为纯镁支架（C30、C45、C60），实验组包括两种合金成分：X系列（Mg-1Ca-2.5Zn-0.5Sr-2.5n-FC）和Y系列（Mg-3Ca-2.5Zn-0.5Sr-2.5n-FC）。采用尿素作为造孔剂，通过双步烧结工艺（先250°C保温24小时去除尿素，再500°C烧结3小时）获得具有互通孔结构的三维圆柱状支架。

体外降解行为研究

依据ASTM-G31-72标准，将支架样品浸泡在磷酸盐缓冲液（PBS，pH=7.4）中，于37°C下分别观察24、48、72、168和360小时的降解情况。通过重量变化法计算降解速率，并监测溶液pH值和氢气释放量。降解速率公式为：降解速率 = ΔW / (CSA × T)，其中ΔW为质量损失，CSA为样品暴露表面积，T为浸泡时间。

结果与讨论

扫描电镜显示，支架具有均匀分布的互通孔结构，孔隙率升高导致孔网络连通性增强。降解实验表明，纯镁对照组（C系列）在PBS中降解迅速，72小时后完全崩解，pH值升至11.5，氢气释放量显著。而合金组（X和Y系列）降解速率明显减缓，其中X30（1% Ca）表现最优，其降解速率和pH值变化均低于Y系列（3% Ca）。分析认为，适量Ca（1 wt%）可形成Mg₂Ca相，与Zn协同生成Mg₂CaZn₆等稳定金属间化合物，增强耐蚀性；过量Ca（3 wt%）则会促进点蚀。Zn的加入形成Zn(OH)₂保护层，优于Mg(OH)₂的防护效果；Sr（0.5 wt%）可诱导骨传导性，n-FC则赋予支架生物活性。氢气释放实验结果与降解行为一致，合金组氢气产量显著低于对照组。

结论

通过调控合金成分（Ca、Zn、Sr）和孔隙结构，成功制备出降解行为可控的镁合金纳米复合骨支架。适量合金元素可形成稳定金属间相，有效延缓降解并减少氢气释放。该支架模拟天然骨孔隙特征（30%-60%孔隙率），兼具力学强度与生物活性，在骨科植入物领域展现出应用潜力。未来需进一步开展体内研究验证其成骨性能和长期生物安全性。