鎂骨科螺釘-溶解的螺釘
作者：ANDREA SIX
在骨頭骨折的地方，外科醫生常常不得不用植入物把碎片連接起來。隨著時間的推移，鎂制骨科螺釘會在體內溶解，這樣可以在患者痊愈后避免再次手術，降低感染的風險。不過，在這一過程中，人體內部發生了什么，在很大程度上還不得而知。為了開發具有功能化表面的優化合金和矯形螺釘，Empa研究人員正在研究鎂腐蝕。
常規的由鈦或鋼制成的金屬植入物在骨折后能將骨頭碎片穩定地固定在一起。但是，它們不會溶解。需要執行另一項操作才能將其刪除。圖片來源：pixabay
當外科醫生想在骨折后固定骨碎片時，關鍵的問題是要使用哪種植入物：鈦或鋼制成的螺釘和板在體內機械和化學上非常穩定，但隨后必須將其卸下。另一個手術程序？還是由有機材料制成的植入物會隨著時間的流逝而溶解，但可能還會有其他一些缺點，例如機械強度不足或降解產物不利？ Empa研究人員目前正在努力解決這一難題：微小的鎂植入物和螺釘。它們起初在機械上很堅固，但隨后以可控制的方式在體內溶解，不會引起組織損傷。
這種鎂植入物對于骨骼快速增長的兒童的醫學骨科應用特別有趣。可生物降解的螺釘不會損害孩子的骨骼生長，并且可以使小患者省去第二次手術。另外，可以使感染的風險最小化并且可以降低成本。 Empa實驗室的“連接技術與腐蝕”實驗室的Arie Bruinink說：“鎂通常被認為是一種白色粉末，通常被當作膳食補充劑。”但是，由鎂合金制成的植入物不僅具有生物相容性，而且還具有生物相容性。它們在第一個精致的愈合階段還具有類似于骨頭的機械性能，因此比鈦更合適。
可吸收螺釘的祝福也可以是它的詛咒。畢竟，溶解與復雜的腐蝕過程有關，腐蝕過程改變了表面結構并產生了許多可能有害或可能有害的產品。根據鎂合金的類型，由于抗腐蝕性不足，在降解過程中會產生氫氣-甚至在患者皮膚下形成氣墊。盡管出于外科醫師的意圖，鎂螺絲會因腐蝕而降解，在此期間鎂會氧化并產生氫氣，但應避免形成氣墊。如果突然形成的氫氣量超出了人體的吸收能力，那么脆弱骨骼的愈合過程就會受到干擾。
Textfeld：然而，迄今為止，人們對這種生物腐蝕的確切認識還不多，因為鎂螺釘暴露在這種生物腐蝕下。這是Empa腐蝕研究人員進入的地方，使用了專門開發的分析方法來描述在盡可能真實的條件下對人體的生物腐蝕。目標：鎂和其他生物相容性元素的最佳合金，以及可吸收鎂螺釘的新表面特性。最終，研究人員的目標是緩慢，良好地控制植入物的降解，而不會導致組織內形成氣穴。
Bruin-ink解釋說：“到目前為止，已經很清楚，這種反應取決于組織中酸度的高低。”。在弱酸性環境中，鎂腐蝕過程中會形成大量氫氣；在堿性范圍內的pH值下，會產生含碳酸鹽的產品等，這些產品甚至可以抑制所需的鎂降解。在pH值為7.4的中性環境中，如在血液中，會形成氫氧化鎂和磷酸鹽產品，這至少會減緩進一步的腐蝕。血液作為一種有效的緩沖液，能夠將其pH值保持在一個恒定的范圍內。根據Bruinink的說法，鎂植入物到目前為止都是在相對有效但非生理緩沖系統中進行分析的。他認為這個程序不現實。
“血液是一種非常特殊的果汁”—— 歌德筆下浮士德如是說。浮士德醫生是否知道所謂的間質液，尚不清楚。大約10升的鹽水遠遠超過了人體的血容量。這種被低估的“果汁”在組織和細胞之間以比蝸牛慢百倍的速度緩慢移動。如果要開發新的植入物，正是這種間質液體至關重要。骨骨折的愈合過程，是由免疫細胞控制的，目的是產生一個骨吸收和重塑的平衡結構，主要是嵌入在間質液中。
然而，組織液的酸度比血液的酸度變化大得多。根據身體部位和組織狀況，各種參數都會影響螺釘的插入。為了對人體內的生物腐蝕過程提供一個真實的預測，Bruinink開發了實驗分析技術和流動細胞，其中pH調節是模仿人體的。例如，在一個由10個流動電池組成的電池中，研究人員插入了鎂合金的樣品，這些樣品是用人工間質液體清洗的，速度和人體一樣慢。
除了pH測量外，目前正在對小流量電池進行詳細的電化學表征。評估了電化學電位、作為腐蝕特征的界面電阻抗變化以及氫的生成。”流動電池是一個模擬生物腐蝕的微型實驗室，”Bruinink說。下一步，合金樣品將與微型實驗室中的活細胞結合在一起，以便更詳細地模擬人體內的事件。Bruinink：“一旦明確了鎂合金在生物腐蝕過程中的實際情況，我們將能夠生產出具有功能化表面的合適植入物，例如，促進生物環境的有益反應。”
原文鏈接：https://www.empa.ch/web/s604/dissolving-screw-eq66
聲明：本文由 Newfellow 編譯，中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。
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