一种应用于骨科的新型镁合金的生物相容性和抗菌性研究

发布时间：2020-11-23 19:24

　　 目的:通过比较Mg-0.1Ga/Mg-0.1Sr/Mg-0.1Ga-0.1Sr合金/Mg/Ti在SD大鼠体内及体外的抗菌能力、抗腐蚀性及生物相容性中的差异,探究Mg-0.1Ga-0.1Sr合金作为新的人体内植物的可行性。方法:体外实验:1.各组材料在TSB培养基中培养的抗腐蚀性2.各组材料在体外对人骨髓间充质干细胞(hBMSCs)培养的细胞毒性评价3.各组材料在培养基中与大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及表皮葡萄球菌一同培养来判断抗菌能力体内实验:选取用32只Sprague Dawley(SD)大鼠进行体内实验,采用金黄色葡萄球菌(ATCC 43300)建立骨髓炎模型。将大鼠随机分为7组开孔造模,将准备好的样品插入骨髓腔,封闭并逐层缝合。1.微生物学评价,取出样品,用扩散平板法计算每个样品的活菌数。2.病理组织学评价,每组取2只股骨冠状面切片用Massons三色染色评价骨再生。3.对从股骨中回收镁合金棒在扫描电镜下观察其清洗前后的表面形貌。结果:1.pH、质量损失和离子浓度测定:Mg-0.1Ga、Mg-0.1Sr和Mg-0.1Ga-0.1Sr样品的Mg离子浓度在各时间点均低于纯Mg样品。2.细胞毒性测评:空白组hBMSCs具有良好的细胞存活状态,钛样品有少量死亡细胞,含Ga的镁合金对hBMSCs的毒性较小,存活细胞的比例高于无Ga的Mg组分。3.体外抗菌性检测:本研究中的所有镁合金具有良好的抗菌活性,这是由含Ga的镁合金通过其生物降解性质释放Ga~(3+)所引起的。4.体内检测:采用扩散板法对大鼠摘除的棒状金属材料表面细菌的存在情况进行定量分析,在培养基中,取材样品表面细菌菌落数依次为:第5组第1组第2组≥第4组第3组,说明Ga对金葡菌在金属材料表面的体内粘附有较好的抑制作用。纯Mg,Mg-0.1Ga,Mg-0.1Sr和Mg-0.1Ga-0.1Sr合金附近产生了大量纤维组织。通过扫描电镜观察金属材料的损伤程度:MgMg-0.1GaMg-0.1SrMg-0.1Ga-0.1Sr组样品。结论:本实验研究了加入Ga和Sr元素合金化的镁合金材料的生物相容性、体外和体内腐蚀及抗菌性能,加入了Ga和Sr元素合金化的镁合金材料不仅降低了腐蚀速率,而且提高了抗菌活性。同时加入了Sr元素的镁合金又在促进骨愈合的能力有一定作用。通过适当量的加Ga和Sr元素合金化Mg,使Mg具有较强的耐蚀性、抗菌活性和生物相容性,为作为骨科植入物应用于临床提供了良好的前景。
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9图 1. 从降解率和几种分解出来的离子浓度来说明合金金化的镁材料的耐腐蚀性得到了提升，(A)纯 Mg、Mg-0.1Ga、Mg-0.1Sr、Mg-0.1Ga-0.1Sr 和 Ti 各组材料所在 TSB 溶液中在第 1 天和第 3天时间点的 pH 值变化。(*p<0.0 5，*p<0.0 1，*p<0.001.0 1)。(B)在 TSB 中浸泡 3 天后，通过质量损失测量，计算得纯 Mg 和 Mg 合金的腐蚀/降解速率的变化。(C) Ga，(D) Sr 和(E) Mg 的离子浓度在第 1 天和第 3 天时间点的变化。

中国医科大学硕士学位论文10图2. 体外抗菌实验，分别对三种细菌的抗菌能力，(A-C)采用扩散板法研究了纯Mg、Mg-0.1Ga、Mg-0.1Sr、Mg-0.1Ga-0.1Sr 和 Ti 各组材料样品在第 1 天和第 3 天对表皮葡萄球菌（S.ep）、金黄色葡萄球菌（S.au）和大肠杆菌（E.coli）3 种细菌的抗菌性能。Rp 值是 TSB 中浮游细菌抗菌率的指标，Ra 代表金属表面附着细菌的抗菌率。(*p<0.0 5，*p<0.0 1 和*p<0.001.0 1)。

图 4. 体外细胞毒性实验，分别通过荧光染色和细胞抑制率检测来说明各种材料的细胞毒性，纯Mg、Mg-0.1Ga、Mg-0.1Sr、Mg-0.1Ga-0.1Sr 和 Ti 各组材料对 hMSCs 的体外细胞毒性。(A-F)在 DMEM 中对各种金属材料直接培养 24h 后细胞的活/死染色。(G) DMEM 中，在第 1 天和第3 天人骨髓间充质干细胞在金属标本表面的抑制率。(*p<0.0 5，*p<0.0 1 和*p<0.001.0 1)。
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