香港理工大学团队研发新型接骨螺钉

香港理工大学的研究团队开发了一种可编程的骨螺钉，该骨螺钉能够满足骨骼修复过程中对刚性，生物活性和固定的要求。骨螺钉是一种常见的固定装置，适用于固定骨折部位。传统的骨螺钉大多是金属材料，例如不锈钢，但它们可能引起炎症并显示出不良的骨整合。形状记忆聚合物（SMP）为骨骼愈合开辟了新领域。这些聚合物材料可以在变形后被固定，并通过外部条件的刺激而恢复其原始形状。过去已经开发了一些低成本的SMP，但是这些材料的弹性模量低（易于变形），不适合骨骼再生。为此，香港理工大学的研究团队开发了一种可编程的骨螺钉，可以满足骨修复过程中的刚性，生物活性和固定要求。

该结果最近在线发表在Acta Biomaterialia（影响因子：6.638）上。据报道，这种新的形状记忆聚合物复合材料（SMPC）由形状记忆聚氨酯（SMPU），羟基磷灰石（HA）和精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽组成。固定和成骨特征。选择HA的原因是它在结构上与天然骨骼相似，并且具有骨诱导和骨传导特性。 RGD肽可用于修饰复合材料的表面特性，以促进细胞粘附。 SMPC螺钉的组成和工作原理如图1所示：螺钉在高温下压缩，然后在低温下固定。通过微创手术将编程的螺钉植入骨缺损部位。由于形状记忆效应，螺钉返回其原始状态并为周围的组织提供支撑。图1. SMPC螺钉的组件和过程工作原理设计SMPC螺钉后，研究人员确定了复合材料的机械性能和记忆性能。 SMP / HA / RGD的模量（〜250 MPa）比未改性的SMP（〜118 MPa）高得多，这表明这种类型的螺杆不易变形。同时，在相同的力载荷下，SMPC螺丝的位移小于金属螺丝的位移，这表明SMPC螺丝的固定效果要优于金属螺丝。他们还测量了SMP / HA / RGD的形状固定率（Rf）约为90％，形状恢复率（Rr）约为96％，表明该复合材料具有良好的形状恢复功能。 

Rf对于微创治疗非常重要。当Rf高时，可以将此存储螺钉压缩到非常小的尺寸以进行植入。在模拟生物学条件下，SMPC螺钉的形状固定率约为80％，形状恢复率约为82％。体外测试结果表明，螺钉可在20秒内迅速恢复其原始形状，从而轻松实现骨折的内固定。之后，研究人员通过细胞实验分析了SMP和复合物对细胞活力和增殖的影响。他们用各种材料培养了兔间充质干细胞（rMSCs），并检查了细胞活力和增殖。结果表明，SMP / HA / RGD组可以很好地支持间充质干细胞的存活和增殖（图2）。同样，这种复合材料也有利于rMSC的成骨分化，为体外条件下的细胞生长提供了理想的物质。赛野公司提供了兔间充质干细胞和成骨分化培养基。图2. SMP和复合材料对细胞行为的影响。细胞实验完成后，研究人员随后以新西兰白兔为研究对象，研究SMPC螺钉对体内骨组织生长的影响。 12只白兔子膝盖有缺陷，因此总共有24个缺陷。将这些缺陷随机分为两组：实验组用SMPC螺钉治疗，对照组用市售金属螺钉治疗。植入4周后，在金属螺钉周围几乎未发现组织，并且在8周或12周时没有明显改善。相反，植入后4周，在SMPC螺钉周围清楚地观察到组织生长。更重要的是，随着时间的流逝，SMPC螺钉与组织之间的融合程度也得到了改善。为了进一步研究组织相容性，研究人员在植入两个螺钉后准备了组织切片，并进行了HE和Masson染色。

显示了炎性细胞的数量。尽管这两个区域的炎症细胞都随着时间的推移而减少，但是在手术后第4、8和12周，SMPC螺钉修复部位的炎症细胞明显少于金属螺钉。这些结果表明SMPC螺钉有助于减少体内的炎症反应。图3.螺钉植入后的组织学观察：（A）HE染色； （B）马森染色。更重要的是，由于形状记忆效应，SMPC螺钉可以促进骨骼组织的生长并增强动物实验中的缺陷。骨骼的生物力学特性。有限元分析（FEA）表明，SMPC螺钉具有恢复形状的能力，因此它们具有快速固定，拧紧和组装且机械兼容的能力。研究人员认为，这种复合材料为长期存在的骨修复问题提供了解决方案，并为新一代骨螺钉的设计和开发奠定了坚实的基础。