作者：ANDREA SIX

在骨头骨折的地方，外科医生常常不得不用植入物把碎片连接起来。随着时间的推移，镁制骨科螺钉会在体内溶解，这样可以在患者痊愈后避免再次手术，降低感染的风险。不过，在这一过程中，人体内部发生了什么，在很大程度上还不得而知。为了开发具有功能化表面的优化合金和矫形螺钉，Empa研究人员正在研究镁腐蚀。

常规的由钛或钢制成的金属植入物在骨折后能将骨头碎片稳定地固定在一起。但是，它们不会溶解。需要执行另一项操作才能将其删除。图片来源：pixabay

当外科医生想在骨折后固定骨碎片时，关键的问题是要使用哪种植入物：钛或钢制成的螺钉和板在体内机械和化学上非常稳定，但随后必须将其卸下。另一个手术程序？还是由有机材料制成的植入物会随着时间的流逝而溶解，但可能还会有其他一些缺点，例如机械强度不足或降解产物不利？ Empa研究人员目前正在努力解决这一难题：微小的镁植入物和螺钉。它们起初在机械上很坚固，但随后以可控制的方式在体内溶解，不会引起组织损伤。

这种镁植入物对于骨骼快速增长的儿童的医学骨科应用特别有趣。可生物降解的螺钉不会损害孩子的骨骼生长，并且可以使小患者省去第二次手术。另外，可以使感染的风险最小化并且可以降低成本。 Empa实验室的“连接技术与腐蚀”实验室的Arie Bruinink说：“镁通常被认为是一种白色粉末，通常被当作膳食补充剂。”但是，由镁合金制成的植入物不仅具有生物相容性，而且还具有生物相容性。它们在第一个精致的愈合阶段还具有类似于骨头的机械性能，因此比钛更合适。

可吸收螺钉的祝福也可以是它的诅咒。毕竟，溶解与复杂的腐蚀过程有关，腐蚀过程改变了表面结构并产生了许多可能有害或可能有害的产品。根据镁合金的类型，由于抗腐蚀性不足，在降解过程中会产生氢气-甚至在患者皮肤下形成气垫。尽管出于外科医师的意图，镁螺丝会因腐蚀而降解，在此期间镁会氧化并产生氢气，但应避免形成气垫。如果突然形成的氢气量超出了人体的吸收能力，那么脆弱骨骼的愈合过程就会受到干扰。

Textfeld：然而，迄今为止，人们对这种生物腐蚀的确切认识还不多，因为镁螺钉暴露在这种生物腐蚀下。这是Empa腐蚀研究人员进入的地方，使用了专门开发的分析方法来描述在尽可能真实的条件下对人体的生物腐蚀。目标：镁和其他生物相容性元素的最佳合金，以及可吸收镁螺钉的新表面特性。最终，研究人员的目标是缓慢，良好地控制植入物的降解，而不会导致组织内形成气穴。

Bruin-ink解释说：“到目前为止，已经很清楚，这种反应取决于组织中酸度的高低。”。在弱酸性环境中，镁腐蚀过程中会形成大量氢气；在碱性范围内的pH值下，会产生含碳酸盐的产品等，这些产品甚至可以抑制所需的镁降解。在pH值为7.4的中性环境中，如在血液中，会形成氢氧化镁和磷酸盐产品，这至少会减缓进一步的腐蚀。血液作为一种有效的缓冲液，能够将其pH值保持在一个恒定的范围内。根据Bruinink的说法，镁植入物到目前为止都是在相对有效但非生理缓冲系统中进行分析的。他认为这个程序不现实。

“血液是一种非常特殊的果汁”—— 歌德笔下浮士德如是说。浮士德医生是否知道所谓的间质液，尚不清楚。大约10升的盐水远远超过了人体的血容量。这种被低估的“果汁”在组织和细胞之间以比蜗牛慢百倍的速度缓慢移动。如果要开发新的植入物，正是这种间质液体至关重要。骨骨折的愈合过程，是由免疫细胞控制的，目的是产生一个骨吸收和重塑的平衡结构，主要是嵌入在间质液中。

然而，组织液的酸度比血液的酸度变化大得多。根据身体部位和组织状况，各种参数都会影响螺钉的插入。为了对人体内的生物腐蚀过程提供一个真实的预测，Bruinink开发了实验分析技术和流动细胞，其中pH调节是模仿人体的。例如，在一个由10个流动电池组成的电池中，研究人员插入了镁合金的样品，这些样品是用人工间质液体清洗的，速度和人体一样慢。

除了pH测量外，目前正在对小流量电池进行详细的电化学表征。评估了电化学电位、作为腐蚀特征的界面电阻抗变化以及氢的生成。”流动电池是一个模拟生物腐蚀的微型实验室，”Bruinink说。下一步，合金样品将与微型实验室中的活细胞结合在一起，以便更详细地模拟人体内的事件。Bruinink：“一旦明确了镁合金在生物腐蚀过程中的实际情况，我们将能够生产出具有功能化表面的合适植入物，例如，促进生物环境的有益反应。”

原文链接：https://www.empa.ch/web/s604/dissolving-screw-eq66

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