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武汉大学AFM 19|告别二次手术:高强度几丁质可吸收螺钉实现无炎症骨整合

2026-09-29 20:18:31

文献介绍

研究团队：武汉大学常春雨团队

发表刊物：Advanced Functional Materials（影响因子19）

发表时间：2026.5.29

文章标题：通过甲壳素矿化的高强度、各向异性可吸收螺钉用于骨折固定

英文原题：High-Strength, Anisotropic Resorbable Screws via Mineralization of Chitin for Fracture Fixation

DOI号：10.1002/adfm.202526658

关键词：各向异性几丁质高强度矿化可吸收螺钉

研究摘要

传统金属骨折固定螺钉存在应力遮挡、需二次手术取出等问题，而现有可吸收聚合物螺钉又面临炎症反应、降解速率不适宜、成骨活性不足等局限，亟需性能更优的可吸收内固定材料。武汉大学常春雨团队受天然骨组织启发，将仿生矿化与预拉伸技术结合，通过对矿化几丁质水凝胶依次进行预拉伸、溶剂交换、空气干燥和机械加工，制备出高强度各向异性可吸收螺钉。矿化过程中无定形磷酸钙在碱性凝胶网络中转化为棒状羟基磷灰石，预拉伸赋予材料各向异性结构，使其兼具优异轴向力学强度与径向溶胀性能，可发挥 “膨胀螺钉” 作用。

图 1 用于大鼠骨植入的各向异性几丁质/HAP 螺钉的制造

主要研究内容

各向异性几丁质 / 羟基磷灰石棒的制备与结构

图 2 几丁质/HAP 棒的结构和形态

本研究以 α- 几丁质为基质，以磷酸钙低聚物为矿化前驱体，其在碱 / 尿素溶剂中组装为无定形磷酸钙（图 2a），并在凝胶形成过程中自发转化为棒状羟基磷灰石（图 2b），且在基质中均匀分散。对碱性凝胶进行单轴预拉伸后经溶剂交换固定取向，得到各向异性棒材，其侧视图呈现良好排列结构（图 2f）。随预拉伸应变增加，几丁质（图 2g）与羟基磷灰石（图 2h）的取向度均显著提升。傅里叶变换红外与 X 射线光电子能谱证实两者间存在氢键与静电相互作用（图 2i、2j），预拉伸还可提高几丁质结晶度（图 2k），最终棒材可加工为精密螺纹螺钉（图 2l）。

各向异性几丁质 / 羟基磷灰石棒的力学与溶胀性能

图 3 甲壳质/HAP 棒的机械和膨胀特性。

羟基磷灰石含量增加可显著提升复合材料刚度（图 3a），综合性能最优的羟基磷灰石含量为 7%。预拉伸应变为 100% 时，棒材弯曲强度达 170.12 MPa，优于 PLA 与丝素蛋白螺钉（图 3b），其比强度超过多种矿化组织与聚合物材料（图 3d），轴向抗压强度达 215 MPa（图 3e）。溶胀实验显示，各向异性螺钉 20 h 达到溶胀平衡，吸水率为 150%（图 3f），表现出各向异性溶胀特性，泊松比为 3.6（图 3g）。径向优先溶胀使其可发挥 “膨胀螺钉” 作用，提升骨隧道内固定稳定性，同时轴向低溶胀降低了螺钉退出风险（图 3h）。

几丁质 / 羟基磷灰石棒的体外评价

图 4 几丁质/HAP 棒的体外评估

体外降解实验表明，几丁质 / 羟基磷灰石棒在 PBS 中 12 周稳定性良好，在溶菌酶溶液中 12 周质量损失为 47.5%，各向异性结构可进一步延缓降解至 39.5%（图 4a）。细胞实验显示，材料浸提液培养 3 天后细胞存活率超 99%（图 4b），且不抑制细胞增殖（图 4c），羟基磷灰石的引入可增强细胞黏附与铺展（图 4d）。成骨分化实验中，几丁质 / 羟基磷灰石棒组碱性磷酸酶表达更高（图 4e），茜素红 S 染色显示其钙沉积能力增强（图 4f），同时 I 型胶原、Runx2 与骨钙素等成骨基因的 mRNA 表达水平显著上调（图 4g），证实其优异的生物相容性与成骨活性。

几丁质 / 羟基磷灰石螺钉的体内评价

图 5 各向异性几丁质/HAP 螺钉的体内评估

将直径 2 mm、长度 5 mm 的螺钉植入大鼠股骨髁，显微 CT 显示几丁质 / 羟基磷灰石螺钉射线不透性良好，骨隧道扩大程度显著低于纯几丁质螺钉（图 5a）。植入 12 周后，几丁质 / 羟基磷灰石螺钉剩余质量为 71.3%，剩余轴向抗压强度比为 14.4%，降解过程无突然失效（图 5b、5c、5d）。组织学染色显示除纯几丁质螺钉组早期轻度炎症外，无其他炎症反应，几丁质 / 羟基磷灰石螺钉组 8 周时螺纹间隙已被新骨填充（图 5e），新生骨厚度更大（图 5f）。免疫组化结果显示其周围 Col-I、Runx2 与 OCN 表达水平更高（图 5g、5h、5i），成骨诱导性能更优。

总结

研究创新性地将仿生矿化与预拉伸技术结合，成功制备出高强度各向异性几丁质 / 羟基磷灰石可吸收螺钉，有效解决了现有可吸收螺钉力学强度不足、降解与成骨性能不匹配的核心痛点。该螺钉兼具低密度、高弯曲与抗压强度，独特的各向异性溶胀特性使其具备 “膨胀螺钉” 的固定优势，同时拥有可调控的生物降解速率、优异的生物相容性与增强的成骨分化能力。大鼠体内实验证实其可实现骨折部位牢固初始固定，并逐步降解被新生骨替代，支持正常骨重塑，为骨科可吸收内固定材料研发提供了全新思路，具有重要的临床转化价值。

END