镁离子在体内骨-Mg-10Gd植入物界面的扩散行为：原子探针层析技术揭示的纳米尺度机制

《Acta Biomaterialia》：Mg Ion Diffusion at in Vivo Bone–Mg–10Gd Implant Interface Revealed by Atom Probe Tomography

　　

除了生物相容性之外，可生物降解的镁基植入物被认为可以促进新骨形成并影响其重塑。先前的研究表明，植入螺钉中的离子会扩散到骨骼中，然而这些离子如何被整合到骨骼（超微）结构中仍然是未解之谜。在本研究中，研究人员利用电子显微镜结合X射线能谱分析（EDS），在大鼠胫骨植入Mg-10wt.%Gd螺钉18周后，研究了镁在骨组织中的纳米尺度分布。结果显示，螺钉螺纹处出现了镁耗尽层，取而代之的是含有Gd、O、Ca和P的腐蚀产物，并逐渐过渡为邻近骨骼的多孔降解腐蚀产物。跨越骨-植入物界面（距植入物20–50 μm）的原子探针层析技术（APT）分析表明，在对应于胶原蛋白的富有机质区域（位于羟基磷灰石（HA）晶体之间）中，镁含量富集高达3 at.%，而在HA晶体内部则为2–3 at.%。相比之下，距离植入物约1.68 mm处的皮质骨中镁含量约为1 at.%。研究人员的观察结果表明，在种植体周围骨骼的富有机质相和矿物相中均存在镁的共同富集，且在富有机质区域中的原子分数相等或略高。这些发现证明了镁离子的短程运输及其主要通过有机相掺入种植体周围骨骼。随后，取代反应和/或再结晶导致无机相中镁的逐步富集，从而促进了受降解控制的骨再生。

一、研究背景与科学问题

可生物降解的镁基植入物因其良好的生物相容性、可降解性、抗炎作用以及与天然骨骼接近的弹性模量和密度，被视为骨科手术中传统永久性植入材料（如Ti₆Al₄V、CoCr和不锈钢）的理想替代品，后者通常需要二次手术取出。纯镁虽然天然存在于人体内，但其腐蚀速率过快，往往在新骨结构完全承担载荷之前就丧失了机械完整性。为了调控植入物的降解和力学性能，通常会添加稀土元素（如Gd）进行合金化设计。然而，关于这些合金元素在降解过程中的分布、扩散路径以及它们是否能被整合进新生骨结构（尤其是羟基磷灰石晶格）中，学术界仍存在显著争议。此前的研究多基于间接证据，例如通过同步辐射散射推断晶格参数变化，但缺乏直接的、纳米尺度的元素确认。因此，阐明镁离子从降解植入物向周围骨组织的具体传输途径和整合机制，对于优化骨科镁合金的设计至关重要。该论文发表于《Acta Biomaterialia》。

二、主要关键技术方法

研究人员采用多种先进表征手段对植入大鼠胫骨18周后的Mg-10wt.%Gd螺钉及其周围骨组织进行分析：

1. 1.
   扫描电子显微镜（SEM） 结合背散射电子（BSE）成像和X射线能谱分析（EDS），用于观察植入物-骨界面的微观结构和元素分布。
2. 2.
   透射电子显微镜（TEM） 和扫描透射电子显微镜（STEM），特别是高角度环形暗场（HAADF）模式，用于解析骨组织、降解层和残余螺钉的超微结构。
3. 3.
   原子探针层析技术（APT），这是本研究的核心技术，能够在近原子尺度（约1-3纳米空间分辨率）提供三维元素分布图谱，灵敏度可达数十ppm级别，用于精确测量不同区域的元素组成。

三、研究结果

3.1 微观结构

通过SEM-BSE和EDS成像，研究人员观察到残余的Mg-10Gd螺钉周围形成了含Gd、O、Ca、P的脆性腐蚀产物层，骨组织中则富含Ca、P、O。STEM-HAADF图像进一步揭示了从致密的残余螺钉到多孔降解层，再到具有定向胶原纤维和矿化HA晶体的骨组织的微观结构演变。

3.2 相与化学成分

APT分析在五个关键位置（残余螺钉、降解层、界面骨、近端骨和远端骨）进行了纳米级成分测绘。

• •
  残余螺钉：显示Mg和Gd均匀分布，无明显的Gd偏聚或团簇。
• •
  降解层：检测到C、O、N、Na、P、Ca，其中N的存在表明有有机组分渗入。值得注意的是，尽管SEM-EDS在该层检测到Gd，但APT未能检出，这可能归因于Gd在纳米尺度的异质性分布以及两种技术的检测限差异。
• •
  界面骨与近端骨：在距离植入物约20-50 μm的区域，APT数据揭示了Mg在富有机质（N和CO标记的胶原）区域和富矿物质（Ca、P标记的HA）区域均有富集。定量分析显示，界面骨矿物区Mg浓度为3.06±0.47 at.%，有机区为2.71±0.15 at.%；近端骨矿物区为1.98±0.58 at.%，有机区为2.77±0.79 at.%。
• •
  远端骨：在距植入物约1.68 mm的成熟骨中，Mg浓度降至1.22±0.66 at.%，这与对照组（Ti植入物附近）的基线水平（1.39±0.13 at.%）相当，表明此处Mg主要为骨组织自身固有成分。此外，在所有骨区域均未检测到Gd信号。

四、讨论与结论

讨论总结：研究人员的讨论指出，Mg-10Gd合金释放的Mg²⁺离子通过间质液扩散和血流运输。APT结果首次提供了直接证据，表明Mg²⁺离子优先在胶原蛋白等富有机质区域富集。这归因于胶原蛋白上丰富的带电结合位点（如天冬氨酸和谷氨酸残基的羧酸基团），它们能通过静电和水合相互作用临时结合Mg²⁺，使其作为“中转站”进行扩散。随后，Mg²⁺通过动力学较慢的晶格取代反应逐步替换HA中的Ca²⁺，实现向无机相的转移。这种分布模式符合Harrison B型扩散动力学模型。Mg的这种分布可能反映了活跃的骨重塑过程，其中Mg²⁺在过渡阶段优先积累于胶原中，同时也能刺激成骨细胞活性，加速矿化和骨重塑。Gd未被检测到，可能是由于其在18周时间点的浓度极低或APT的背景噪声所致。

研究结论翻译：本研究提供了纳米尺度的证据，证明了从降解的Mg-10Gd植入物向远离植入螺钉的种植体周围骨骼中Mg²⁺离子扩散的过程，其估计空间分辨率约为1-3纳米。这揭示了元素的扩散路径及其在HA和富有机质区域中的整合方式。18周后，APT测量显示，在界面50 μm范围内镁浓度升高（单个数据集中有机相最高达4.3 at.%；跨5个数据集的平均值为2.77±0.79 at.%），并且通过富氮（有机）区域的大量运输与胶原介导的途径一致，同时伴随着向HA矿物相的整合。所观察到的镁分布突显了镁在早期骨重塑中的潜在作用，在此过程中，通过富有机质区域（很可能是胶原）的扩散可能促进了与HA的离子交换。未来的工作应探索更长时间植入周期下镁的时间分辨扩散以及Gd掺入新骨结构的可能性，以便为骨科应用优化合金设计和降解行为。