Acta Biomaterialia | TOMID王佳力课题组在骨科器械生物学评估和临床前应用转化领域发表论文

生物可降解镁（Mg）具有优异的促新骨特质，其在骨重塑阶段发挥双相模式的生物效应（同时调节成骨和破骨）。镁或其合金植入物作为心血管支架、肠道吻合钉或骨科内固定器械，已成功在中国、德国、韩国和美国等地获批应用于临床治疗。值得关注的是，在骨微环境，镁金属较快的降解速度会诱发颗粒性炎症且导致力学完整性破坏，故仍然是临床应用的顾虑。

应力承载是影响镁金属降解行为的关键因素之一，而器械结构设计优化能有效改变其承力状态下的应力分布。基于此，中山大学王佳力课题组近日借助有限元分析、体外（非应力）降解、动物体内（均匀应力）植入模型以及动物体内（非均匀应力）骨折固定模型等实验，系统性探索了镁基骨科器械结构设计特征与降解行为的关系，为开发适用于承力部位的镁骨科螺钉提供数据佐证（图1）。相关工作以“A magnesium screw with optimized geometry exhibits improved corrosion resistance and favors bone fracture healing”为题发表于Acta Biomaterialia。

图1 研究思路总结图：相比优化前，优化后的镁螺钉展现出更低的应力集中，且动物模型证实结构优化能有效减少镁螺钉应力诱发的腐蚀速率。

在这项工作中，作者首先借助有限元仿真，研究螺纹类型、螺距和螺牙宽度对承力状态下镁螺钉应力分布的影响，并根据最低应力集中原则优选出镁螺钉的外观设计特征，即三角形螺纹形状、 2.25 mm螺距和 0.3 mm螺纹宽度。随后，将优化前（应力集中最高）和优化后（应力集中最低）的镁螺钉以及临床用聚乳酸螺钉植入兔股骨远端骨折中。跟预测结果一致的是，相比于优化前镁螺钉，优化后镁螺钉的骨折线段（应力集中区域）降解速率呈显著降低（图2）。有趣的是，优化前后的两组在非骨折区域（即无应力），对应螺纹段的降解率没有显著差异，这与体外浸泡实验结果相一致。此外，在背部皮下植入模型中（整颗螺钉均匀受力），相比优化前组，优化后的镁螺钉整段均显示出显著下降的降解速率。上述结果预示着：外观设计优化是通过改变应力腐蚀行为发挥作用。

图2 应力集中是影响镁螺钉降解速率的关键因素。

图3 优化后镁螺钉更有利于新骨向种植体周围生长。

更为关键的是，因镁金属降解中间产物会诱发颗粒炎症，激活破骨吸收行为；而镁离子则会促进诱骨生成效应（图3）。借助外观结构设计，减少如应力造成的过快降解速率，避免降解中间产物过多脱落，或许是推动镁降解正向调控骨微环境重构的关键思考方向。

本文由中山大学博士生罗颖和东莞宜安科技有限公司刘芳菲为论文共同第一作者，中山大学王佳力副教授为论文独立通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金(32271381)、广东省重点领域研究与发展计划(No. 2020B090924004)、东莞市创新科研团队计划(No. 2020607134012)、深圳市自然科学基金(No. JCYJ20220530145601004)的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.03.002

供稿：罗颖

终审：王佳力