骨科技术进步:可溶解的螺钉

当骨头骨折时，外科医生常常不得不用植入物将碎片连接起来。镁骨科螺钉，随着时间的推移会在体内溶解，使患者在愈合完成后免于再次手术，并减少感染的风险。然而，在这一过程中，身体内部发生了什么仍然很大程度上是未知的。为了开发具有功能化表面的优化合金和矫形螺钉，Empa的研究人员目前正在研究镁腐蚀。

当外科医生在骨折后修复骨碎片时，关键问题是使用的植入物类型的植入物：螺钉和由钛或钢制成的螺钉和板在体内机械和化学上非常稳定，但必须在以后的稍后脱落另一种外科手术？或植入物由有机材料制成，这些材料溶解随时间，但可以具有某些其他缺点，例如缺乏机械强度或不利的降解产物？EMPA研究人员目前正在努力解决这种困境：小镁植入物和螺钉。它们起初是机械稳健的，但以受控的方式溶解在身体上，这些方式不会引起组织损伤。

这种镁植入物是特别有趣的医疗矫形应用在儿童的骨骼生长迅速。生物可降解螺钉不损害儿童骨骼生长，对小患者有二次拯救作用手术。此外，可以最小化感染风险，并且可以切割成本。“镁更常见为通常被视为膳食补充剂的白色粉末，”来自Empa的“加入技术和腐蚀”的实验室，Arie Bruinink说。然而，由镁合金制成的植入物不仅是生物相容性的;在第一种精致的愈合阶段，它们还具有机械性能，因此是波动的，因此，比钛更合适。

可再吸收螺丝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，可改变表面结构并产生许多产品 - 可能或可能不会有害。根据镁合金的类型，由于耐腐蚀性不足 - 甚至在患者的皮肤下形成均匀的气垫，氢气可以在降解期间发生。虽然在外科医生的意图中，镁螺钉通过腐蚀性降解，但在产生镁氧化和氢气中，应避免形成气垫的形成。如果突然形成的氢气比体内的所有氢气除去，则脆弱骨的愈合过程可以被扰乱。

然而，到目前为止，人们对镁螺杆暴露在这种生物腐蚀中知之甚少。这就是恩帕腐蚀研究人员的切入点，他们使用特别开发的分析方法，在尽可能真实的条件下描绘人体的生物腐蚀。目标是:最佳的镁合金和其他生物相容元素，以及新的表面性能的可吸收镁螺钉。最终，研究人员的目标是缓慢、可控地降解植入物，而不会导致组织内的气穴形成。

“到目前为止，已经明确说，反应是不同的，这取决于组织中的酸度水平，”墨水解释。在微酸性环境中，在磁腐蚀期间形成大量的氢气;在碱性范围内的pH值下，含碳酸盐的产物是制备，其中甚至可以抑制所需的镁降解。在pH值为7.4的中性环境中，例如在血液中，形成氢氧化镁和磷酸产物，至少减慢进一步腐蚀。血液 - 作为有效的缓冲液 - 能够将其pH值保持在恒定范围内。根据Bruinink的说法，迄今为止的镁植入物在相当的有效但不生理缓冲系统中分析了迄今为止。他不认为这个程序是现实的。

“血液是一种非常特殊的汁液”——歌德笔下躁动不安的学者浮士德如是说。浮士德博士是否了解所谓的组织液还不清楚。大约十升的生理盐水远远超过了人体的血量。这种被低估的“汁液”在组织和细胞之间缓慢移动，速度比蜗牛慢一百倍。如果要开发新的植入物，这种组织液正是至关重要的。骨折的愈合过程是由免疫细胞控制的，旨在产生骨吸收和重塑的良好平衡结构，主要嵌在间质液中。

然而，组织液的酸度受到比血液更大的可变性。根据身体部件和组织状况，各种参数可以影响插入的螺钉。为了提供体内生物腐蚀过程的现实预后，Bruinink开发了实验分析技术和流动细胞，其中pH调节在身体上建模。例如，在10个流动细胞的电池中，研究者将通过人造间质液 - 与人体中的相同缓慢洗涤的镁合金样品插入。

除了pH测量外，目前在小流动细胞上进行详细的电化学表征。电化学电位，评价界面作为腐蚀特征的电气阻抗变化和氢的产生。“流动细胞是一个模拟生物腐蚀现实的小实验室，”布鲁诺克说。在下一步骤中，合金样品将与Minilab中的活细胞一起聚集在一起，以便更详细地模仿体内的事件。Bruinink：“一旦明确实际发生了什么镁在生物腐蚀期间的合金，我们将能够生产具有功能化表面的合适的植入物，例如，促进生物环境的有益反应。“

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