新型可降解抗菌镁合金材料

01 研究背景

针对传统骨科植入材料需要二次手术取出，植入时易受到感染等问题，人们对骨科植入材料的设计提出了更高要求，尤其要求材料具有良好的可降解性、抗菌性等。镁由于其具有生物可降解特性和较好的生物安全性广受关注。但是，普通镁合金由于降解过快、析氢过多等问题，限制了其在医学领域的运用。因此，通过对镁进行合金化，探索一种兼具良好生物安全性和抗菌性能的骨科材料意义重大，这将有利于镁合金在生物医学领域的应用。

近日，来自重庆大学王敬丰教授与重庆医科大学蒋电明教授等人对镁进行合金化以改善其力学性能、降解性能与抗菌性能。通过加入高固溶元素Sn与Zn提高镁合金的力学性能，使Mg-1Zn-0.5Sn的抗拉强度达到239±10 MPa，更接近于皮质骨。同时，Sn元素通过参与合成合金表面的外膜以及减少体内植入材料后的氢聚集等作用，显著降低基体的腐蚀速率与析氢速率。镁合金不仅在降解过程中释放出相当量的Mg，Zn和Sn离子，具有一定抑制和破坏细菌的作用，而且能形成对抗菌有利的碱性微环境。实验结果表明Mg-1Zn-0.5Sn对金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性菌）与大肠杆菌（革兰氏阴性菌）均表现出明显抑制效果，同时Mg-1Zn-0.5Sn合金表面的骨髓间充质干细胞(BMSCs)具有较好的粘附性、增殖能力和较低的死亡率，表明Mg-1Zn-0.5Sn合金有利于促进细胞的初始黏附和增殖。随后将该镁合金材料植入动物体内进行实验，动物健康且其肝、脾、肾没有急性或慢性毒性，证实该合金具备良好的体内生物安全性。结果表明，Mg-1Zn-0.5Sn对生物系统是安全的，可以有效地应用于生物医学领域。

图1 植入后24 h或7天或14天时大鼠血浆中的(a) ASAT,   (b) ALAT值，(c)肌酐水平，(d) IL-6浓度，以及(e)大鼠体重；(f)为体内材料降解后Mg-1Zn-0.5Sn的3D结构；(g)为各组Sprague–Dawley大鼠肝脏，脾脏和肾脏主要器官的H＆E染色图像

02 文章发表

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2020年第八卷第2期：

[1] W. Zhao, J. Wang, J. Weiyang, B. Qiao, Y. Wang, Y. Li, D. Jiang, A novel biodegradable Mg-1Zn-0.5Sn alloy: Mechanical properties, corrosion behavior, biocompatibility, and antibacterial activity, Journal of Magnesium and Alloys 8(2) (2020) 374-386.

03中文摘要

为了满足骨科材料的抗菌性能要求，同时避免取出材料时二次手术带来的创伤，本实验构建了具有pH响应的可降解抗菌镁合金材料。在Mg-1Zn合金中加入少量的Sn元素后，发现Sn能在镁合金表面参与合成致密的外膜来降低其腐蚀速率与析氢速率。通常细菌增殖产生的酸性环境会加快镁合金腐蚀。Mg-1Zn-0.5Sn合金在降解过程中释放出的Mg，Zn和Sn离子具有一定抗菌作用，同时合金降解生成的腐蚀产物和碱性环境也有利于抑制细菌。体外实验表明Mg-1Zn-0.5Sn合金有利于促进细胞在早期的黏附与增殖。通过镁合金植入动物实验，在肝脾肾切片中没有发现任何急性或慢性毒性表现，验证了其在动物体内的生物安全性。结果表明Mg-1Zn-0.5Sn有较好的生物相容性和生物安全性，在生物医学领域有较大应用潜力。

04 Abstract

To meet the growing demand for antibacterial implants for bone-implant-associated infection therapy and avoid the adverse effects of secondary surgery, a degradable platform with pH responsiveness and ion-associated antibacterial properties was constructed. A small amount of Sn added to Mg-1Zn alloy reduces the biocorrosion rate, which can be attributed to Sn participation in outer-layer film formation, significantly reducing the biocorrosion rate and hydrogen evolution rate after implantation in vivo . These Mg alloys, which are susceptible to degradation in the acidic bacterial microenvironment, degrade by releasing Mg, Zn and Sn, producing favorably alkaline and antibacterial conditions. Samples with the composition of Mg-1Zn-0.5Sn were found to be beneficial for promoting initial cell adhesion and proliferation, resulting in improved biocompatibility and biosafety. The biocompatibility of this alloy was confirmed by the healthy behavior of animals and the absence of acute or chronic toxicity in the liver, spleen, and kidneys. Our results demonstrate that Mg-1Zn-0.5Sn is safe for biological systems, enabling its efficacious use in biomedical applications.

来源：  JMACCMg