可生物降解的Zn-Mg-Ca-Sr合金髓内钉能够促进血管化骨再生，并抑制破骨细胞的生成，从而用于骨质疏松性骨折的修复

《Acta Biomaterialia》：Biodegradable Zn-Mg-Ca-Sr alloy intramedullary nails promote vascularized bone regeneration and suppress osteoclastogenesis for osteoporotic fracture repair

骨质疏松性骨折修复需要兼具机械支撑与生物调节的植入物。本研究设计了一种Zn-Mg-Ca-Sr四元合金小直径髓内钉，通过多元合金化和热挤压工艺优化，该合金在机械性能上表现出高强度、适中延展性和骨相容性弹性模量。体内弯曲测试显示其16周后仍保留50%以上初始承载能力。生物安全性评估未发现器官病理损伤或异常离子积累。体外实验表明合金释放的Zn2?、Mg2?、Ca2?和Sr2?可促进血管生成和成骨，抑制破骨细胞分化。动物模型验证显示其促进骨痂形成和微结构重建，并通过转录组分析揭示Wnt、PI3K-Akt和AMPK信号通路激活及NF-κB信号抑制，证实其作为生物可降解内固定物的潜力。

　　

秦浩天|谢振海|张晨|王远豪|王斌斌|刘超宗|钱俊宇|曾辉

北京大学深圳医院骨与关节外科，深圳北京大学-香港科技大学医学中心，中国广东省深圳市518036

摘要

骨质疏松性骨折通常与骨再生能力下降和机械稳定性不足有关，这给承重内固定带来了重大挑战。因此，结合机械支撑和生物调控的可降解金属植入物对于骨质疏松性骨折修复非常理想。在这里，我们设计并评估了一种可降解的Zn-Mg-Ca-Sr四元合金，作为小直径髓内钉（IMNs）用于骨质疏松性承重骨折的固定。得益于多元合金化和热挤压工艺，ZnMgCaSr(0.2)表现出最佳的总体机械性能，具有高强度、中等延展性和与骨骼兼容的弹性模量。体内弯曲测试证实，植入物在16周后仍保留了超过50%的初始承重能力。ZnMgCaSr(0.2)表现出加速且均匀的降解过程，形成致密的富含磷酸盐的腐蚀层，并持续释放Zn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和Sr²⁺，而系统性生物安全性评估未发现病理器官损伤、异常离子积累或血液/生化紊乱。体外实验中，ZnMgCaSr(0.2)提取物促进了血管生成和骨形成，同时抑制了破骨细胞的生成。在去卵巢大鼠的股骨骨折模型中，ZnMgCaSr(0.2)髓内钉增强了骨痂形成、骨微结构重建和机械恢复。转录组分析进一步表明Wnt、PI3K-Akt和AMPK（腺苷一磷酸激活的蛋白激酶）通路被激活，NF-κB信号通路被抑制。总体而言，ZnMgCaSr(0.2)结合了强大的机械支撑、可控的生物降解性、良好的生物安全性以及多靶点的生物调控作用，显示出作为骨质疏松性骨折承重可降解植入物的潜力。

意义声明

可降解金属在骨折固定中具有吸引力，但由于在骨质疏松性骨骼中过早失去机械支撑，并且在易发炎症的环境中生物活性有限，许多此类材料效果不佳。我们基于Zn-Mg-Ca-Sr合金开发了小直径可降解髓内钉，以同时解决固定不稳定、血管化不良和破骨细胞活性过高的问题。优化的ZnMgCaSr(0.2)髓内钉具有足够的初始强度、更均匀且可控的降解过程，以及良好的体内生物安全性。释放的离子促进了内皮细胞血管生成和骨形成，同时抑制了破骨细胞的生成，从而在去卵巢大鼠骨折模型中增强了骨痂形成和更快愈合。转录组分析及体内验证表明PI3K-Akt和AMPK信号通路被激活，NF-κB信号通路被抑制。

引言

随着人口老龄化，骨质疏松症（OP）的发病率迅速上升，多中心流行病学研究预测到2050年受影响的人数将超过1.2亿，成为重大的公共卫生负担[1,2]。其最严重的后果是脆性骨折，骨量丢失和骨小梁微结构破坏显著降低了承重能力，导致高残疾率、再骨折风险增加和死亡率升高（尤其是髋部骨折后），经常出现延迟愈合或不愈合，严重影响生活质量并加剧医疗资源压力[3]。从机制上看，骨质疏松性微环境表现为骨形成受抑制、血管生成不足和破骨细胞生成过度[4,5]。与此失衡相对应的是，血管网络稀疏，血管内皮生长因子（VEGF）和血小板内皮细胞粘附分子1（PECAM1/CD31）水平降低，限制了营养和信号的传递[3]。此外，破骨细胞释放的质子使微环境酸化（pH约4），并激活了MMP-9和cathepsin K（CTSK）等基质降解酶，从而加剧了骨吸收和结构恶化[6]。因此，用于骨质疏松性骨折修复的植入物必须提供可靠的承重支持，同时通过促进血管生成和骨形成来调节微环境，抑制过度的破骨细胞活性，从而恢复骨稳态并加速愈合。

临床上，骨质疏松性骨折通常采用金属内固定方法治疗，包括螺钉、钢板、髓内钉（IMNs）和Kirschner钢丝，以实现骨折复位和早期负重[7]。传统的惰性金属（Ti6Al4V、不锈钢、钴铬合金）具有高强度和稳定的固定效果，但与骨骼的弹性模量不匹配（应力屏蔽效应），并且存在磨损和腐蚀副产品的风险[7]。这些材料还缺乏促进血管生成和骨形成的能力，通常需要二次手术移除[7]。为了解决这些问题，可降解金属（BMs）因其临时支撑和体内可降解性而受到关注。然而，基于镁（Mg）的植入物由于氢气释放和碱化作用腐蚀过快，危及早期稳定性及植入物与骨骼的界面[8]。基于铁（Fe）的材料降解过慢，会积累腐蚀产物[9]。最近报道的钼（Mo）虽然强度很高，但其弹性模量和密度远高于骨骼，存在应力屏蔽效应和长期滞留问题，尽管有解决方案，但仍需进一步验证[10,11]。相比之下，锌（Zn）用于骨质疏松性骨折固定，特别是在小直径承重髓内钉中，提供了有利的平衡[12],[13],[14],[15],[16]。锌的腐蚀主要由氧还原驱动，不产生氢气，具有中等且可控的降解速率，产生的腐蚀产物可被代谢，且是非铁磁性的，便于影像学随访[17]。重要的是，Zn²⁺是生理环境中的必需微量元素。作为数百种酶和多种转录因子（如锌指蛋白和Osterix）的辅因子，它可以促进基质矿化，并增加骨形成相关基因（如runt相关转录因子2（RUNX2）和Osterix（OSX）的表达[18]。Zn²⁺还通过VEGF和CD31促进内皮细胞血管生成[19]。它抑制了核因子κB配体（RANKL）到活化T细胞核因子（NFATc1）轴的信号通路，从而抑制了抗酒石酸磷酸酶（TRAP）和CTSK阳性的破骨细胞表型[20]。然而，纯锌由于其六方密排晶体结构，在室温下的延展性差且强度低。在生理介质中容易发生局部点蚀，单个离子无法满足骨质疏松性微环境的多重需求[21]。这些不足促使人们设计合金成分和热机械加工工艺，以实现固溶强化和沉淀强化的协同作用，改善强度-延展性平衡和腐蚀均匀性，并引入多种有益离子以协调调节局部微环境。

为了解决这些问题，研究越来越多地结合合金化和热机械加工，以优化基于锌的材料的力学性能、降解性和生物功能性[21]。固溶强化和沉淀强化结合晶粒细化提高了强度和韧性，严格控制第二相的比例、大小和分布可以减少微电偶效应，提高腐蚀均匀性和可调性。含有Mg、Ca、Sr、Cu、Li或Mn的二元和三元锌合金在强度、延展性和细胞相容性方面已经优于纯锌[21]。尽管如此，强度和延展性之间仍存在权衡，局部或点蚀风险也存在，而且添加单一离子很少能同时实现骨形成、血管生成和破骨细胞的抑制。针对骨质疏松症条件和承重髓内钉的具体证据（包括力学支撑与降解的现场匹配）令人鼓舞，但仍有限[13]。因此，我们设计了一种四元可降解Zn-Mg-Ca-Sr合金系统，将互补的强化、腐蚀调节和生物功能整合到一个髓内钉平台上。镁（Mg）作为主要强化元素，通过固溶强化和沉淀强化提高了合金的机械性能，同时也有助于骨形成[22,23]。钙（Ca）的加入促进了矿化，稳定了腐蚀产物，并提高了生物活性，这与其在骨稳态中的关键作用一致[23,24]。锶（Sr）因其促骨形成、抗破骨细胞生成和促血管生成的作用而被选中，这些作用对骨质疏松性骨折愈合尤为重要[25,26]。更重要的是，本研究不仅关注Mg、Ca和Sr的单独功能，还探讨了它们组合是否能产生一个功能匹配的合金系统用于骨质疏松性骨折固定。结合热挤压工艺，这一设计旨在平衡小直径承重植入物的机械完整性、降解均匀性和微环境调节。热挤压还有助于细化微结构并分散第二相，预计可以减少阴极对比度并促进更均匀的降解。这种微结构策略还有助于协调释放Zn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和Sr²⁺，从而在骨质疏松性微环境中促进血管生成、骨形成和抑制过度的破骨细胞活性。这种合金设计的总体目标不仅是结合多种有益元素，而是建立一个功能匹配的可降解髓内钉系统，能够在骨质疏松性骨折修复过程中提供稳定的机械支撑和可控的均匀降解。

在此研究中，根据骨质疏松症承重固定的需求，开发并制备了Zn-Mg-Ca-Sr四元合金作为小直径髓内钉（IMNs）。本研究旨在确定这种多组分锌合金是否能够在骨质疏松性骨折环境中提供功能匹配的承重支撑、可控降解和多谱系调节。为此，使用了Zn、Zn-Mg和Zn-Mg-Ca作为对照，并系统地评估了其微结构、机械性能、腐蚀行为和体外生物活性。通过转录组测序、Western blotting、RT-qPCR和免疫荧光染色明确了潜在机制。其治疗效果还在去卵巢（OVX）大鼠骨折模型中通过影像学、组织学、免疫组化、生物安全性评估、器官离子分布和体内降解分析得到了验证。结果表明，该四元合金能够实现稳定的承重和更均匀可控的降解，同时Zn²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和Sr²⁺的协调释放促进了血管生成和骨形成，抑制了过度的破骨细胞生成，显示出其在骨质疏松性骨折固定中的潜力（图1）。

部分摘要

合金制备和样品制备

采用高纯度锌锭（99.99 wt%）和镁锭（99.99 wt%）制备了Zn-0.8Mg-1Ca-xSr系列（x = 0.1、0.2、0.4 wt%）及对照组（纯锌、Zn-0.8Mg和Zn-0.8Mg-1Ca）。通过Zn-30Ca和Zn-10Sr母合金引入钙（Ca）和锶（Sr），以确保快速溶解和成分控制。选择0.8 wt%的镁和1 wt%的钙是基于先前的研究，这些浓度被认为是实现机械强度和耐腐蚀性平衡的最佳值。

锌合金的微观结构和机械性能

图2显示了热挤压锌基合金的微观结构、元素分布和拉伸性能。在扫描电子显微镜（SEM）图像中，纯锌显示出粗大的带状晶粒，特征较少。ZnMg表现出明显的晶粒细化和离散的第二相。添加钙后，颗粒状第二相的数量和均匀性增加。引入锶后，获得了最细小且最均匀的分布，尤其是ZnMgCaSr(0.2)和ZnMgCaSr(0.4)

ZnMgCaSr髓内钉的材料设计和机械行为

尽管已经开发出多种具有改进机械性能和腐蚀行为的可降解锌基合金，但大多数报道的系统仍适用于有限载荷或非承重应用，而专门针对骨质疏松性骨折的小直径承重髓内钉的研究仍然较少[15,17,22,[34],[35],[36],[37],[38],[39],[40],[41],[42]。在此背景下，本研究开发的Zn-Mg-Ca-Sr四元系统

结论

在这项工作中，开发了一种新的可降解Zn-Mg-Ca-Sr合金系统，并将其系统地评估为用于骨质疏松性骨折的小直径髓内钉。主要结论如下：

• (1)
  在所有组分中，ZnMgCaSr(0.2)表现出最佳的强度、延展性和模量平衡。热挤压和多元合金化细化了α-Zn基体，产生了细分散的Mg₂Zn₁₁和(Ca/Sr)Zn₁₃型相，赋予了高强度、中等延展性和与骨骼兼容的

数据可用性声明

本研究生成或分析的所有数据均包含在本文中。

作者贡献声明

秦浩天：撰写初稿、正式分析、数据管理、概念构思。谢振海：撰写初稿、数据管理、概念构思。张晨：验证、软件使用、资源准备、方法学设计、实验实施、正式分析。王远豪：可视化处理、验证、资源准备、方法学设计、实验实施、正式分析、数据管理、概念构思。王斌斌：验证、软件使用、实验实施、正式分析、数据管理、概念构思。刘超宗：