研究背景镁基金属具有可降解性,接近人体骨组织的力学性能和良好的生物相容性等优势,有望成为新一代骨组织修复生物医用材料。然而镁在生理溶液中不耐腐蚀,其过快的降解速率会导致力学性能的快速衰减,同时伴随降解微环境中pH值升高,镁离子和氢气大量释放。上述因素不利于骨组织的修复,加大手术失败的风险,限制了镁基金属在临床的应用。此外,大量的动物实验已经表明镁可以有效促进周围新生骨再生,但是作为降解产物之一的镁离子和骨代谢之间的分子调控机制报道不多。镁材料能否应用于骨科领域,控制腐蚀速率和阐明生物学效应成为关键。本课题既利用表面改性技术提高镁基金属的耐蚀性能和生物相容性,又深入研究镁离子对维持骨代谢平衡的干细胞和破骨细胞命运的调控,为镁基材料在骨科的临床应用提供了实验和理论支持。研究方法1)从涂层防护效果、生物安全性和可降解性的角度出发,分别采用水热处理法原位生成内层氢氧化镁（Mg（OH）2）、浸泡硬脂酸（stearic acid,SA）作为中间层,静置蒸发涂覆外层高分子聚三亚甲基碳酸酯（poly（1,3-trimethylene carbonate）,PTMC）的方式,利用这三种被美国FDA批准的物质构建出“三明治样”的复合涂层保护镁合金AZ31。分别应用SEM、XRD、XPS等表征手段评估涂层的物理化学性质,随后进行电化学测试和体外浸泡实验检测材料的热力学稳定性和耐腐蚀性能,进行细胞粘附实验和浸提液-细胞共培养实验评价材料细胞相容性,最后将棒材植入到大鼠股骨骨髓腔中观察材料降解和生物应答情况。2)将镁离子溶液和大鼠骨髓间充质干细胞（rBMSCs）共培养,利用CCK-8、荧光染色、成骨诱导分化、细胞染色、Q-PCR、Western Blot等技术,探究镁离子对rBMSCs粘附、增殖、成骨分化和衰老的影响;3)建立体外小鼠单核巨噬细胞（BMMs）培养和破骨分化体系,利用CCK-8、破骨诱导分化及染色、骨吸收功能检测、Q-PCR、Western Blot、细胞免疫荧光等技术研究镁离子对BMMs相容性、破骨细胞分化和骨吸收功能的影响,并探讨其中的调控机制。构建钛颗粒磨损诱导的小鼠颅骨溶解模型,原位注射MgCl2或PBS溶液,利用micro-CT、组织切片和染色等技术评价镁离子对骨溶解的影响。结果1)通过三步法在AZ31表面成功制备出复合涂层（AZ31-OH&SA@PTMC）,水热法处理和SA改性增强了涂层-涂层、涂层-基体之间的附着力。相较于裸露的AZ31,AZ31-OH&SA@PTMC热力学性能更稳定,并将自腐蚀电流降低了六个数量级。在30天的体外浸泡过程中,复合涂层完整性得以保持,腐蚀体积约是对照组10.0%,这可能得益于PTMC的表面溶蚀型降解模式。体外细胞实验表明复合涂层上粘附的细胞数量最多,3天后约有90%被细胞所覆盖。植入于大鼠股骨骨髓腔12周后,AZ31-OH&SA@PTMC体积损失是对照组的14.8%,植入物周围新生骨却是对照组的1.7倍,并且对重要器官不产生毒害作用。2)镁离子在2-10mM的浓度范围内通过促进整合素蛋白Integrin-β1的表达,激活PI3K/Akt和Erk1/2通路增强rBMSCs的早期粘附和增殖能力,并呈浓度依赖性地抑制rBMSCs早期成骨碱性磷酸酶活性和晚期钙沉积矿化,高浓度（10 mM）的镁离子通过降低衰老蛋白pRb,p53和p21的表达从而缓解rBMSCs的衰老。3)镁离子在10 mM浓度以下对BMMs不产生细胞毒性作用,通过下调PI3K/Akt/NFATc1信号轴的活化,抑制破骨细胞分化和骨吸收功能,在钛颗粒磨损诱导的小鼠骨溶解模型中,镁处理组的骨密度和骨体积分数相较对照组显著提高。结论1)具有较好结合力的复合涂层有效控制了镁合金的腐蚀速率,提高了镁合金的耐蚀性能和生物相容性。2)10mM是镁离子发挥生物学活性的关键浓度,在此浓度下,镁离子促进干细胞粘附和增殖,缓解衰老,抑制成骨分化。同时镁离子通过下调PI3K/Akt/NFATc1信号轴的活化从而抑制破骨细胞分化和骨吸收,减少骨量丢失。