作者：山东大学齐鲁医学院 桑德润
ONFH的发病机制
股骨头坏死是一种非感染性骨细胞和骨髓组织坏死，导致股骨头结构完整性丧失、髋关节功能障碍的常见骨科疾病。最常见病因包括创伤、皮质类固醇治疗、酗酒等。股骨头坏死的确切发病原理还未被彻底揭示，其相关机制假说包括血管阻塞学说、脂质代谢紊乱学说、骨细胞凋亡和自噬学说、微血管损伤、基因控制学说等。目前被广泛认可的是多因素多种机制共同作用的结果，使得成骨细胞和骨细胞受到影响，随之发生不可逆的坏死，而股骨头的修复能力不足以代偿骨坏死，最终导致骨结构受损。
镁合金作用于ONFH的机制
与其他骨植入材料相比，镁合金因其优异的力学性能、可生物降解性及优异的生物相容性在骨科植入物领域受到了广泛关注。镁合金的杨氏模量（41~45GPa）接近天然骨骼（10~30GPa），表现出与骨组织相似的力学性能，可以减轻应力屏蔽效应，以避免骨吸收和骨萎缩，还可以为骨组织的重建提供足够的力学支撑。在体内生理环境中，镁可与水反应生成镁离子（Mg2+）、氢气（H2）和氢氧根离子（OH-）。其中，镁离子是细胞内液中含量仅次于钾的第二丰富阳离子，在调节多种细胞和酶功能方面至关重要，如己糖激酶、丙酮酸激酶、腺苷酸环化酶等。研究表明，体内镁元素的缺乏可能加速细胞衰老及凋亡。局部富镁环境具有刺激骨生成、提高成骨细胞黏附率、抑制破骨细胞活性和调节骨源性细胞信号转导的作用。此外，镁离子通过协同抗炎与成血管作用，在早期ONFH中发挥关键作用。它能抑制促炎细胞因子的释放，同时促进血管生成因子的表达，加速ONFH坏死区的微血管再生，改善股骨头血运状况。研究表明，股骨头坏死患者体内的镁含量显著下降，而补充镁离子可以延缓大鼠ONFH进展。镁离子能够诱导巨噬细胞向M2型极化，在免疫调节调控成骨的过程中发挥关键作用。此外，氢氧根在羟基磷灰石（HA）的沉积以及碱性磷酸酶中蛋白激酶A的活性调控中起到重要促进作用。而氢气作为治疗性抗氧化剂，能够减少由缺血再灌注产生的细胞毒性氧自由基，减少细胞损伤。由此，镁合金在早期ONFH治疗中的应用潜力巨大。
镁合金的设计与改性
合金化处理 合金化处理是优化镁合金力学性能、耐腐蚀性的重要技术。各类无毒或低毒性的合金元素已经被引入镁合金中以改善其支撑和降解性能。钙（Ca）、锌（Zn）、锰（Mn）、锶（Sr）和稀土元素（RE）等都是常用的合金化元素。Liu等的研究表明，通过掺杂稀土元素钪（Sc）能够显著优化镁合金的性能。钪不仅能将镁合金的基体结构由六方密排转变为体心立方，还可通过形成稳定的腐蚀产物保护膜提升材料的耐腐蚀性。Han等采用Mg-Zn-Ca合金（Zn∶2-4wt.%,Ca∶0.5-1wt.%）为基础，结合3D打印（选择性激光熔化）与表面改性技术，研发了一种可降解镁合金基双面功能膜（Janus膜），实现了双面异质结构精准调控。
表面改性 镁合金在生物体环境中展现出高腐蚀速率和生物活性，因此其表面改性技术对于提高生物相容性和控制腐蚀速率尤为重要。目前已有化学涂层、微弧氧化（MAO）、溶胶-凝胶法、激光表面处理、多涂层技术及离子注入等多种表面改性方法。Li等研发了一种基于镁合金的金属有机框架（MOF）多功能复合涂层，该MOF搭载了银纳米颗粒，同步实现了耐腐蚀性、抗菌性和成骨活性的提高。Zhang等在镁合金AZ31上开发了装载抗菌药物的聚甲基丙烯酸
增材制造工艺 为满足ONFH植入物定制化外形和周期性多孔内部空间的需求，基于离散-堆积原理的增材制造技术吸引了广泛研究者的关注。以激光粉末床熔融（LPBF）、基于挤压的增材制造（EB-AM）及粘合剂喷射成形技术（BJ）为代表的增材制造工艺更是成为当下骨科植入物领域的研究热点。其具有较高的成形精度和设计自由度，可以更适合于模拟亚毫米尺度的骨环境，促进骨生长与物质运输，缩短修复的治疗周期。Liu等采用LPBF方法制备了抗压强度（4.37~23.49MPa）和弹性模量（154.40~873.02MPa）与松质骨相当的WE43多孔支架，且其骨架密度提升至99.5%以上。
药物负载 可降解材料是常用的载药平台，在材料降解的同时释放所负载的药物。近年来的研究热点主要聚焦于抗菌、促成骨及抗凝方面。Pan等以镁合金为载体，通过负载比伐卢定（Bivalirudin，直接
镁合金在早期ONFH中的应用
迄今为止，已有欧洲CE认证的镁合金螺钉临床上正式用于治疗股骨头坏死。Zhao等使用纯度为99.99%的镁螺钉来固定ARCOⅠ期和Ⅲ期股骨头坏死患者的血管化骨瓣，与未固定植骨组相比，镁螺钉组的Harris髋关节评分显著提高，在螺钉和骨瓣的结合区域形成了较多的骨量。Sun等分别用可降解镁螺钉及钛螺钉固定带血管蒂髂骨骨瓣，发现可降解镁螺钉固定可靠，较钛螺钉可更明显促进血管生成，改善股骨头的血供。对镁合金进行功能化表面改性可进一步提高股骨头坏死的治疗效果。Katiella等通过将BMP-2转染的间充质干细胞黏附在镁合金棒上，制备了组织工程化镁合金棒治疗家兔ONFH。HE染色和免疫组化结果显示，镁合金棒/BMSCs组新生骨形成明显增加，促进了股骨头骨坏死的修复。与此同时，随着组织工程技术的不断发展，将镁合金与其他材料复合实现性能优化也是一大研发趋势。Zu等设计了一种新型的镁金属树状混合柱，该柱体结合了中空镁棒和可注射的含镁骨水泥，作为电化学惰性材料，骨水泥的添加可抑制镁电化学腐蚀的发生，此外，浸泡实验表明，该复合材料存在更频繁的可溶性磷酸钙释放和磷灰石沉积之间的转变，这有助于提高镁的腐蚀抗力并赋予其更均匀的腐蚀模式。在类似球形股骨头内的应力传递分布显著优于传统的单纯镁棒支撑方式，并有效地将主要负重从软骨下骨小梁转移到股骨干皮质。
镁合金用于早期ONFH治疗面临的挑战
降解速率的调控及力学性能的优化 作为与髓芯减压术联用的骨修复材料，镁合金面临在承重较高的股骨头中发挥机械支撑与生物学作用双重目标的重大挑战。作为可降解金属，如何通过调控镁合金的降解速度以匹配骨修复速度，为ONFH修复提供足够的支撑力仍是目前的研究难点。Fang等的研究表明，Mg-Zn-Ca合金表面涂覆丝素蛋白和海藻酸钠涂层后其腐蚀速率明显降低，表明该涂层可有效保护基体，延缓腐蚀时间。
降解产物的生物安全性评估 镁具有良好的生物相容性，但是在对镁进行合金化设计时，应重点关注合金元素的生物安全性。此外，部分研究表明，个别稀土元素的加入会造成其在主要脏器中聚集，为避免潜在毒性作用，其添加量应严格控制。镁合金的生物相容性评价及毒性测试尤为必要。从细胞层面上，通常采用间接接触法测试细胞毒性，即用镁合金的浸提液进行细胞培养和毒性测试。从动物层面上，还需重点关注镁及其合金化元素的代谢途径及对主要脏器功能、形态的影响。这些结果将增强人们对镁合金生物安全性的认识，为开发新一代镁合金骨科植入物提供参考。
前景与展望
目前，早期ONFH的治疗仍是骨科医生的棘手问题。镁合金因其可降解性、与骨组织匹配的力学性能及优异的生物相容性，成为有应用前景的骨修复材料。然而，进一步提高镁合金的腐蚀抗力及力学强度，仍是其在股骨头坏死早期治疗应用中亟需解决的问题。未来，应重点考虑通过以下方式实现镁合金的性能优化：（1）挖掘不同金属材料与人体组织之间的关联，对镁合金进行新型表面改性和合金化处理，延缓腐蚀的同时，提高其生物相容性，赋予生物学功能，以期开发降解速率与新生骨形成速率相匹配的镁合金；（2）研究新型成形工艺，结合计算机技术，进一步调控镁合金的力学性能、腐蚀速率，更好地模拟骨的微孔结构，实现镁合金性能的综合提升，制备个性化的镁合金植入体，满足临床患者多样化的需求；（3）利用局部微环境的特性和变化，如光、温度、pH等，开发动态智能响应系统，按需释放药物或自我修复；（4）结合骨组织工程手段，通过负载生长因子、种子细胞以及采取基因治疗等手段，开发功能化镁合金，提高其早期股骨头坏死的治疗效果；（5）结合人工智能和数据驱动，开发机器学习辅助系统，通过合金设计-工艺创新-表面工程-数据驱动策略，可突破强度-塑性-耐蚀性“不可能三角”。未来聚焦智能化设计与临床转化，开展更多体外、体内深入研究，全面评估镁合金作为骨修复材料的有效性及安全性，为临床治疗早期股骨头坏死提供新的理论依据。
来源：中国矫形外科杂志2026年1月第34卷第1期
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