一种由镁丝/聚乳酸核心制成的部分可生物降解混合骨板在模拟生理环境下的弯曲疲劳机械行为

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Mechanical behavior of a partially biodegradable hybrid bone plate made of magnesium wire/polylactic acid core under bending fatigue in a simulated physiological environment

　　

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  开发了一种新型混合骨板，其外层为3D打印的CF/Nylon皮层，内部为Mg丝/PLA芯层。
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  采用植酸处理和MEA粘合剂增强了界面粘附性能。
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  封闭式混合骨板在PBS条件下经过42天疲劳测试后仍保持结构完整性。
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  超过28天的长时间降解在循环载荷作用下导致Mg丝中产生微裂纹。

引言

骨发生骨折后，邻近血管破裂导致出血，形成骨折血肿。该血肿逐渐被纤维组织和软骨取代，随后演变为软骨痂。尽管软骨痂作为连接骨折段的生物桥接结构，但其力学性能不达标，在外部载荷作用下极易发生变形。因此，需要内固定或外固定装置来稳定骨折部位。随着钙等矿物质沉积于软骨痂内，其转变为硬骨痂，为骨愈合提供足够的结构支撑。硬骨痂形成后，通过破骨细胞（骨吸收细胞）和成骨细胞（骨形成细胞）的协同活动启动骨重塑。在骨愈合过程中，用于骨折治疗的骨科固定装置在稳定骨折骨和再生过程中提供必要承载支持方面发挥着关键作用。然而，不锈钢和钛合金等传统金属材料的力学性能显著高于天然骨。这种差异会产生应力遮挡效应，阻碍骨组织获得正常愈合过程所需的力学刺激，进而导致骨密度降低并引发局部骨质疏松等继发性并发症[1]，[2]。此外，这些金属长期暴露于生理环境中可能引发不良生物反应，包括由腐蚀产物诱导的慢性炎症[3]，[4]。为解决这些局限性，大量研究探索了将聚乳酸（PLA）[5]，[6]、镁（Mg）[7]，[8]，[9]和生物活性玻璃纤维[10]，[11]，[12]等材料整合以开发高性能生物相容性植入物。由生物可降解复合材料构成的骨科植入物能够积极促进骨再生；随着其降解，力学性能逐渐降低，逐步将生理载荷传递给正在愈合的骨组织[13]，[14]。镁（Mg）因其类骨力学性能而成为首选的可生物降解候选材料。在腐蚀过程中，$\text{Mg}{\left(\text{OH}\right)}_2$层的形成以及随后周围环境的碱化为羟基磷灰石（HA）成核提供了有利条件[15]，[16]。该过程通过消耗周围离子加速HA的自发生长，从而促进骨生成[17]，[18]，[19]。尽管Mg降解产生的初始碱性爆发可能引发短暂的炎症反应，但研究表明其最终能抑制炎性细胞因子，从而提供长期的抗炎益处[20]。相比之下，PLA降解缓慢但对pH波动高度敏感[21]，[22]。其酸性副产物乳酸的积累可导致局部酸化，常引发细胞毒性和炎症反应[23]，[24]。关键的是，Mg腐蚀引起的碱化可中和这种酸化，产生协同效应，相互减轻每种材料相关的不良反应[25]，[26]。为利用这些互补优势并克服单一材料降解的局限性，我们开发了Mg丝/PLA复合芯层[27]，[28]，[29]，[30]。此外，骨板中心区域和螺钉孔持续承受生理载荷，常因机械应力和扩散过程中局部流体密度增加而加速降解[31]，[32]。这种现象常在骨完全愈合前引发过早的结构失效。为应对这些关键挑战，本研究引入了采用碳纤维（CF）/尼龙复合皮层的混合设计，该材料具有优异的生物相容性和化学稳定性。这些组成材料通过3D打印制造，便于加工复杂几何形状[33]。使用医用级甲氧基乙基丙烯酸酯（MEA）粘合剂实现皮层与芯层之间的界面结合。MEA基聚合物是ISO 10993认证的生物惰性材料，广泛用于临床植入物和医疗器械，其独特的表面层可防止蛋白质变性并减轻炎症反应，确保高度生物安全性[34]，[35]，[36]。在本研究前期工作[37]的基础上，本研究的主要目标是评估CF/Nylon和Mg/PLA混合骨板在模拟生理条件下的力学降解行为，从而评估其作为可生物降解骨科植入物的可行性，并具有适合人体环境的定制降解速率。虽然前期研究在简化的干燥或蒸馏水环境中评估了基线疲劳响应[37]，但本研究引入了高度真实的生理模拟，采用先进的测试方法重现体内动力学过程。具体而言，在磷酸盐缓冲液（PBS）中评估了混合结构的腐蚀和疲劳抗力，PBS是一种加速Mg丝腐蚀的降解诱导介质，因为其缓冲能力低于完全模拟体液。鉴于降解动力学对温度和机械载荷的高度敏感性，进行了全面的逐步分析。为模拟实际骨板承受的复杂载荷条件，混合试样进行了偏心弯曲疲劳试验。通过显微截面分析系统监测降解过程，以深入了解随时间的材料降解行为，重点关注内部微裂纹萌生和截面积损失。此外，对预降解试样施加模拟人体步态周期的循环疲劳载荷，以建立生理暴露时间与后续性能退化之间的明确相关性。这些关于力学转变的全面数据为设计、验证和优化高效下一代骨折固定装置奠定了重要基础。

章节摘要

混合结构芯层的可生物降解材料

在骨愈合阶段，为促进灵活愈合，受伤骨首先通过外骨痂的形成得以稳定。在生物和力学刺激的耦合作用下，骨痂内的细胞逐渐分化并成熟为功能性骨组织；在此过程中，假体力学性能的逐渐降低对于向骨折部位的愈合组织提供适当的力学刺激至关重要（图1）。

偏心弯曲疲劳试验

本研究中，设计的混合骨板的载荷条件基于以下假设建立：在初始愈合阶段，骨折骨不直接承受体重，而是承受由周围肌肉收缩和松弛引起的载荷。

根据Wehner等人[41]的研究，他们使用三维肌骨模型计算了胫骨上的内部载荷和力矩，胫骨在...

讨论与结论

本研究设计并评估了一种新型无缝皮层混合复合骨板，旨在减轻传统金属植入物相关的应力遮挡效应，同时为早期骨愈合提供稳定的力学性能。为实现骨板刚度的逐渐降低，引入可生物降解的Mg丝/PLA复合材料作为混合骨板的芯层材料。通过在PBS环境中的体外降解评估以及...

CRediT作者贡献声明

Ho Seok Lee： 写作—原稿、可视化、验证、调查、正式分析、数据管理。Seung-Hwan Chang： 写作—审阅与编辑、监督、资源、项目管理、方法学、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本论文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）项目的支持（RS-2023-00208286）。

Ho Seok Lee | Seung-Hwan Chang