《Journal of Orthopaedics》：In-vitro bio-mechanical characteristics of 1393 BAG incorporated magnesium based biodegradable load bearing implant
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镁合金生物活性玻璃复合材料植入物研究显示，添加10% 1393生物活性玻璃的Mg3Al2Zn0.6Ca15BAG复合物在机械强度（硬度提升12.7%，杨氏模量达42 GPa）、耐腐蚀性（腐蚀率降低58%）和生物相容性（细胞存活率＞95%）方面表现最优，其腐蚀防护机制涉及Mg(OH)?和羟基磷灰石层形成，且未观察到显著细胞毒性或溶血现象。
阿姆伦德拉·赖（Amrendra Rai）|普贾·赖（Pooja Rai）|拉杰·库马尔·查图尔韦迪（Raj Kumar Chaturvedi）|维奈·库马尔·辛格（Vinay Kumar Singh）
印度北方邦马图拉（Mathura）GLA大学机械工程系，邮编281406
结构化摘要
背景
目前使用的永久性承重植入物主要基于不锈钢和钛合金，但这些材料存在一些缺点，如术后感染、应力屏蔽问题以及需要二次手术。为了替代这些永久性植入物，研究人员正在探索可生物降解的植入物。基于镁的合金和复合材料显示出良好的生物降解性和有利的生物特性，但同时也存在耐腐蚀性和机械强度方面的局限性。
目标
本研究的目的是开发一种能够替代现有永久性植入物的承重骨科植入物。通过在镁基材料中添加不同比例的1393 BAG（一种被证明对人体骨细胞具有生物相容性和无害性的生物活性玻璃），制备出了这种金属植入物。
方法
为了实现这一目标，研究人员合成了含有不同比例1393 BAG（0%、10%和15%）的镁合金复合材料，并对其机械性能、耐腐蚀性和生物特性进行了评估。生物测试包括使用DL（道尔顿淋巴瘤细胞）、K562（人类永生化髓系白血病细胞）以及血液淋巴细胞和单核细胞进行生物相容性、血液相容性和细胞毒性研究。机械性能测试包括硬度、杨氏模量、压缩强度和弯曲强度的分析。
结果
实验结果表明，添加1393 BAG显著提升了镁基复合材料的整体性能。在各种组合物中，含有10% 1393 BAG的复合材料表现出最佳的机械性能和耐腐蚀性。生物测试结果显示，随着BAG含量的增加，复合材料的生物相容性和血液相容性也得到了提升。此外，增加BAG浓度并未显著影响DL细胞和K562细胞的增殖，同时对血液淋巴细胞和单核细胞的存活率和细胞毒性影响也很小。
结论
添加了1393生物活性玻璃的镁基可生物降解复合材料在机械性能、耐腐蚀性和生物特性方面都有所改善。含有10% 1393 BAG的复合材料表现最为均衡，表明其具有潜在的适用性，适用于可生物降解的假体植入物。
引言
钢铁和钛是常用的制造骨折永久性植入物的金属材料[1]、[3]。骨科植入物的形状和尺寸多种多样，具体取决于受伤情况。它们可以作为针、板、杆或棒使用，其应用方式也取决于受伤情况以及固定所需的空间[3]。永久性植入物的二次手术费用高昂，会给患者带来不必要的压力。此外，这些植入物还可能对周围组织产生负面影响，引发细菌感染和术后并发症，从而增加手术费用并给患者带来不适[4]、[5]。
由于永久性植入物的这些缺点，人们开始开发可生物降解的植入物，这类植入物可以在体内自然分解并通过代谢排出体外，而不会对人体或周围组织造成危害[6]、[7]。由于其良好的机械强度和生物降解性，镁被认定为这类植入物的理想材料[8]、[9]。尽管发现掺杂了其他材料的镁基植入物具有良好的生物相容性和细胞存活率，但这些植入物仍存在机械强度低和腐蚀速率高的问题[10]。由于镁对人体健康具有多种重要生物功能（包括促进骨生成[11]），因此镁基合金和复合材料受到了青睐。此外，镁的密度较低（1.74克/立方厘米），其机械特性与天然骨骼相似[12]、[13]、[14]、[15]。许多实验通过添加钙、铝和各种稀土元素来提高镁基复合材料的强度和降解性能[16]。
不同掺杂成分对合金的性能有不同的影响。研究表明，添加铝可以通过沉淀和固溶硬化作用提高镁基合金的机械强度[17]、[18]。分解过程中产生的微量铝是可以容忍的[19]、[20]。钙可以防止镁氧化，并有助于钙掺杂合金的适当烧结[21]、[22]。在人体内，钙和锌对多种代谢功能至关重要[23]。研究发现，钙含量高达0.6%时会对镁基复合材料产生显著影响[19]。理想的植入材料应能促进磷灰石层的形成。实验表明，当将20%的生物活性材料掺入镁基复合材料中时，可以增强其与骨组织的结合能力[24]。在Mg-Zn合金系统中，掺入生物玻璃后，浸泡在SBF溶液7天后，磷灰石层的生长得到了促进[25]、[26]。许多研究人员开发了Mg–Zn–Ca基系统，其性能与人体骨骼相当，且腐蚀速率有所改善[27]。植入物部位的细菌感染是导致植入物失效的主要原因之一，会引起不必要的并发症[7]、[28]、[29]。细菌感染通常从植入物表面开始，随着时间推移，生物膜会逐渐变厚。革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌都是导致微生物感染的罪魁祸首，其中革兰氏阳性球菌的比例最高（约65%[30]）。植入物材料需要具备足够的抗细菌感染能力。最近开发的钛、不锈钢、氧化锌、氧化镁、羟基磷灰石等植入材料仍容易受到微生物感染。研究表明，锌在植入材料中具有抗菌作用[31]、[32]、[33]。
基于以往的研究，本工作的目的是合成一种含有铝、锌、钙和1393 BAG的可生物吸收镁基植入物，并分析其性能。
材料与方法
将含有3%铝、2%锌、0.6%钙和1393 BAG（0%、10%和15%）的原材料粉末与镁混合，使用行星球磨机进行研磨。所得复合材料分别命名为Mg3Al2Zn0.6Ca、Mg3Al2Zn0.6Ca10BAG和Mg3Al2Zn0.6Ca15BAG。对比分析了这些复合材料的机械性能、耐腐蚀性、离子释放情况、细胞活力、生长抑制作用、细胞毒性及溶血效应。
微观结构与相分析
图1显示了烧结后复合材料的XRD图谱。主要存在的相为复杂的金属间化合物，如Al12Mg17，证实了材料的固态键合。复合材料中的钙成分可以防止镁氧化，并促进其正确烧结。在所有复合材料中，无论是基础合金还是添加了10%或15% 1393 BAG的复合材料，都形成了Al12Mg17和Al3Mg2相，这些相的生成有助于提高材料的性能。
结论
根据本研究结果，添加了不同比例1393 BAG的复合材料中，尤其是含有10% 1393 BAG的复合材料，具有最佳的耐腐蚀性和机械性能。Mg3Al2Zn0.6Ca10BAG在浸泡SBF溶液的第一天的腐蚀速率较高，但随着时间推移，形成的Mg(OH)2和羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2保护层起到了抑制腐蚀的作用。
伦理声明
本研究为体外实验，未在动物或人体上进行临床研究。
患者同意
由于本研究仅限于体外实验，因此无需患者同意。
作者致谢
论文标题 “含有1393 BAG的镁基可生物降解承重植入物的体外生物力学特性”
?研究构思与设计：由阿姆伦德拉·赖博士（Dr. Amrendra Rai）、普贾·赖博士（Dr. Pooja Rai）、拉杰·K·查图尔韦迪博士（Dr. R.K. Chaturvedi）和维奈·库马尔·辛格博士（Dr. Vinay Kumar Singh）共同完成。
?数据采集、分析与解释工作由阿姆伦德拉·赖博士和普贾·赖博士完成。
?论文撰写：由阿姆伦德拉·赖博士和普贾·赖博士共同完成。
资金支持
本研究未获得任何资助机构的资金支持。
利益冲突声明
我们确认本论文未在其他地方发表，也未被其他期刊接受审稿。所有作者均已批准论文，并同意将其提交至《Journal of Orthopaedics》杂志。作者们不存在需要声明的利益冲突。
致谢
作者感谢印度新德里的MHRD部门以及印度瓦拉纳西IIT（BHU）陶瓷工程系为研究工作提供的支持。同时，感谢印度瓦拉纳西BHU动物学系免疫生物学实验室的帕尔塔·普拉蒂姆·曼纳博士（Dr. Partha Pratim Manna）为实验室生物测试提供的便利。此外，作者也感谢相关部门的支持。
