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武汉大学常春雨教授课题组 AFM:高强度、各向异性矿化甲壳素可吸收螺钉

2026-10-08 19:13:08

金属螺钉用于骨折内固定需二次手术、存在应力遮挡与腐蚀风险。可吸收合成高分子螺钉（如聚乳酸）虽可避免二次取出，但力学强度不足、降解产物易引发无菌性炎症。因此，开发高强度、具有成骨活性的天然高分子可吸收螺钉有望解决上述问题。

近日，武汉大学常春雨教授课题组联合武汉大学中南医院李景峰教授，受天然骨组织结构的启发，利用原位矿化策略，成功制备具有各向异性结构的高强度、可吸收甲壳素/HAP螺钉。该螺钉在体内具有各项异性的力学性能、良好的生物相容性、促成骨活性和可控降解行为。

2026年5月29日，该工作以“High-Strength, Anisotropic Resorbable Screws via Mineralization of Chitin for Fracture Fixation”为题发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》上，武汉大学硕士研究生陆晨晨、博士研究生王成龙和武汉大学中南医院王毅博士、博士研究生陈仁鑫为文章共同第一作者，武汉大学常春雨教授和武汉大学中南医院李景峰教授为该文章的共同通讯作者。

图1可吸收各向异性甲壳素/羟基磷灰石螺钉的设计与制备

各向异性甲壳素羟基磷灰石的制备过程如图1所示，首先将甲壳素溶解于碱/尿素体系，并引入直径为1.71 nm的磷酸钙离子寡聚体（CPOs）作为矿化前驱体。在凝胶网络形成过程中，CPOs自发转化为短棒状的HAP（平均长度17.3 nm，宽度4.2 nm）。随后，对甲壳素/HAP碱性凝胶进行预拉伸，通过溶剂置换和干燥固定取向结构，获得具有各向异性结构的棒材。最终，通过数控车床加工成具有清晰螺纹结构的高强度可吸收螺钉。

图2各向异性甲壳素/羟基磷灰石螺钉的结构与形貌

图2为各向异性甲壳素/羟基磷灰石螺钉的结构与形貌，显示矿化形成的羟基磷灰石在甲壳素基质中均匀分布并且使复合材料的结构变的更加致密。预牵伸应变为100%时，甲壳素取向因子从0提升至0.65，HAP的取向因子由0.03提升至0.33，同时甲壳素结晶度指数从67.2%提高至74.9%，晶粒尺寸增大。傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱和Zeta电位证实甲壳素的羟基、乙酰氨基与HAP的磷酸根、羟基之间形成了氢键与静电相互作用，提高有机‑无机界面的相容性。

图3各向异性甲壳素/羟基磷灰石螺钉的力学与溶胀性能

图3展示螺钉的力学与溶胀性能。由于HAP均匀分布与预拉伸诱导的取向结构，各向异性甲壳素/HAP螺钉展现出卓越的力学性能，其抗弯强度为170 MPa（优于PLA螺钉的90–130 MPa和丝素蛋白螺钉的150 MPa），并且比强度和弯曲应变高于多数已报道天然高分子材料；抗压强度为215 MPa，同样高于报道的可吸收螺钉，并接近皮质骨。此外，该螺钉在体外模拟环境中展现出各向异性溶胀行为，其径向溶胀率为46%，轴向溶胀率为13%，泊松比达3.6，在骨隧道中发挥“膨胀螺钉”的作用，增强固定稳定性，同时减少脱出风险。

图4各向异性甲壳素/羟基磷灰石螺钉的体外评价

对螺钉进行了体外降解、细胞相容性和成骨性能的评估（图4）。在含溶菌酶的溶液中降解12周后，各向异性甲壳素/HAP螺钉的质量损失为39.5%，显著低于纯甲壳素螺钉（51.2%），说明引入HAP减缓螺钉的降解。体外生物相容性实验中，MC3T3‑E1细胞的存活率高于98.6%，且HAP的引入显著促进细胞的黏附、分化及成骨分化。碱性磷酸酶活性、矿化沉积以及Col‑I、Runx2、OCN基因表达均明显上调，表明各向异性甲壳素/HAP螺钉优异的细胞相容性和促成骨性。

图5为各向异性甲壳素/HAP螺钉的体内评价。螺钉植入大鼠股骨髁骨隧道后，12周内未观察到炎症反应，Micro‑CT与组织学显示该螺钉与骨界面整合良好，新骨逐渐填充螺纹间隙。12周后，甲壳素/HAP螺钉剩余质量达71.3%，而纯甲壳素螺钉的质量仅剩41.3%。而矿化羟基磷灰石的引入可以降低螺钉在体内的溶胀、延缓降解，维持力学支撑。各向异性甲壳素/HAP螺钉边缘展现成骨蛋白的高表达，说明螺钉优异的骨诱导活性。