运动医学是一门研究运动所致损伤的诊断、治疗、康复和预防的临床学科，运动损伤主要为软组织（如韧带、肌腱和软骨）损伤[1,2]。目前，此类损伤通常采用关节镜技术以及使用界面螺钉、带线锚钉和内纽扣带袢钛板等植入物治疗。上述植入物主要由不锈钢、钛合金和人工合成聚合物等材料制备，用于修复重建运动损伤存在愈合时间长、并发症较多等不足。为此，近年学者们对植入物材料进行了一系列研究，以期优化植入物性能，加快损伤恢复，减少并发症的发生。

镁及镁合金作为一种制造植入物的新型材料，获得了大量关注。镁是一种生物降解金属，具有良好生物相容性和安全性，弹性模量接近天然骨，同时在体内降解释放的镁离子有助于组织再生[3,4]。目前已有镁及镁合金植入物用于创伤骨科、心血管内科治疗的临床研究报道，初步应用结果显示其满足临床使用安全标准且治疗效果优于现有其他材料制造的同类产品[5,6]，但尚无用于修复重建运动损伤的临床研究报道。现对镁及镁合金植入物在运动医学中的应用研究进展进行综述，为其用于临床运动损伤修复重建提供参考。

1、运动损伤修复重建特点

1.1 修复重建解剖基础

运动医学重点关注肌腱、韧带和软组织损伤，这些损伤的解剖学特征是腱-骨界面损伤[1]，因此尽可能修复重建并恢复腱-骨界面功能是治疗首要目标。腱-骨界面位于肌腱在骨骼附着点处，由一系列高度特异性排列的纤维结构组成，其作用是传导从软组织至骨的机械应力[7]。腱-骨界面有纤维软骨性和纤维性两种类型。纤维软骨性腱-骨界面包括冈上肌腱在肱骨大结节的止点和跟腱在跟骨的止点等，传统观点认为沿力施加方向可将其分为结构分明的4层，分别为肌腱、未钙化的纤维软骨、钙化纤维软骨和骨骼，两侧的肌腱和骨组织主要由Ⅰ型胶原构成，而纤维软骨主要由Ⅱ型胶原构成[8]；但随着表征技术发展，越来越多证据表明该腱-骨界面实际为组成、结构和功能逐渐过渡的结构，并无显著分界[8,9]。纤维性腱-骨界面包括三角肌腱在肱骨的止点和大收肌腱在股骨粗线的止点等，由单层钙化纤维结缔组织构成[8]。人体中大多为纤维软骨性腱-骨界面，其足迹区域面积更小，因此纤维软骨性腱-骨界面损伤多于纤维性腱-骨界面，故目前临床诊治的运动损伤主要是纤维软骨性腱-骨界面[7,8,10,11]。

腱-骨界面主要修复重建方法包括缝线修复受损软组织、借助植入物使用自体或同种异体组织重建两类。腱-骨界面愈合质量决定了运动损伤的治疗效果，愈合是一个涉及多种组分和细胞的复杂动态过程，通常可以分为炎性渗出、纤维增生和改造重塑3个阶段[1,12]。其中，炎性渗出需要1～2周，主要为细胞因子释放和炎症细胞聚集；纤维增生需要3个月，主要为成纤维细胞增殖并合成细胞外基质；改造重塑往往持续1年以上，主要涉及细胞外基质的重塑。

1.2 修复重建植入物

运动医学相关手术中使用的植入物包括界面螺钉、带线锚钉和内纽扣带袢钛板等。传统植入物主要选择以不锈钢和钛为代表的不可吸收金属制备，具有出色的机械强度和耐腐蚀性且成本相对较低，但存在以下缺点[1,13,14]:(1)弹性模量与天然骨不匹配，会由于“应力屏蔽”效应引起植入物周围骨质疏松与骨消融，远期可能导致植入物滑落；(2)生物相容性较差，不利于骨整合；(3)影像学检查会产生金属伪影，不利于术后随访；(4)植入体内时间较长，可能刺激软组织，引发疼痛和不适。

针对不可吸收金属植入物的缺点，学者们研制出人工合成聚合物，包括不可吸收及可吸收两种类型。其中，不可吸收聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚醚醚酮等，可吸收聚合物包括聚乳酸（polylactic acid,PLA）、聚乙醇酸和聚己内酯等。人工合成聚合物解决了影像学检查金属伪影以及产生“应力屏蔽”效应相关并发症的问题，目前临床上大多使用以其制作的植入物[15]。但是上述材料仍存在不足：(1)聚醚醚酮存在生物惰性，不具备良好骨整合能力，植入体内后有毒残留单体和磨损颗粒，不利于组织愈合；同时，不可吸收植入物存在需二次手术取出的可能[13,16]。(2) PLA生物相容性较差，降解过程中会产生酸性产物影响正常机体微环境，且降解速率难以控制，同时单体D-乳酸不参与人体代谢[17]，过量降解有潜在毒性[1];PLA-羟基乙酸共聚物机械强度差，诱导骨整合能力欠佳[1]。有研究将不同种类单体聚合加工为植入物，但也存在局限性。例如，将PLA和聚乙醇酸与碳酸酯混合制成聚乳酸碳酸酯，以其制备的植入物植入体内后可导致滑膜炎和膝关节肿胀，且降解模式难以预测[18]。此外，可吸收聚合物存在不可控吸收行为，有报道其可导致骨道扩大和囊肿形成等并发症[19]。因此，目前临床运动损伤治疗中使用的植入物材料有待进一步改良。

2、镁及镁合金植入物优势

2.1 机械性能

纯镁弹性模量为41 GPa、镁合金为35～69 GPa，与天然骨皮质（7～30 GPa）接近，有助于减少植入物与骨界面负载传递过程中的“应力屏蔽”，减少植入物周围骨量下降，防止继发损伤[13,20]。同时镁和镁合金材料密度与天然骨皮质相近，可模拟天然骨力学性能，为其提供理想支撑[20,21,22,23]。一项有限元分析对比了钛和镁植入物周围骨组织的应力分布，镁植入物组等效应力分布高于钛植入物组，减小了植入物与骨界面负载传递过程中的“应力屏蔽”[13]。

2.2 生物安全性

镁是人体必需元素之一，作为人体内第4大常见金属元素，参与数百种生化反应，对人体生理活动至关重要[14]。镁摄入过量不会对健康个体有负面影响，镁离子可通过循环系统运输并迅速通过尿液和粪便排出体外，不会产生不良反应[14]。相关动物实验和临床试验证明了镁和镁合金材料的生物安全性[5,24,25,26]，提示其用于临床运动损伤修复重建安全。

2.3 促进腱-骨界面愈合能力

腱-骨界面及其周围微环境是一个复杂的有机系统，由多种干细胞、成骨细胞、破骨细胞、肌腱细胞、成纤维细胞和免疫细胞等组成，它们的增殖分化受细胞外基质中各类生长因子、阴离子和阳离子的调控，在许多运动损伤动物模型中，镁离子展示出促腱-骨界面愈合能力。Chen等[27]使用具有镁离子缓释功能的水凝胶修复兔肩袖损伤模型，结果显示镁离子可以增强BMSCs黏附和迁移，并促进其向软骨分化以及增强腱-骨界面的愈合。Wang等[26]使用纯镁界面螺钉进行前交叉韧带重建，界面螺钉在动物体内降解释放的镁离子通过增强移植物周围的纤维组织矿化来促进肌腱移植物与骨整合。Cheng等[28,29]开展了使用纯镁界面螺钉行兔前交叉韧带重建的系列实验，结果显示界面螺钉降解产生的镁离子通过刺激腱-骨界面处的BMP-2和VEGF表达，促进肌腱移植物与骨骼之间的纤维软骨过渡区再生；同时镁离子可通过选择性激活AKT1和PI3K/AKT途径促进巨噬细胞表型转化为M2型，抑制炎症反应，促进腱-骨界面愈合。因此，镁离子可能通过促进修复细胞的增殖分化和抑制炎症细胞的过度炎症反应来促进腱-骨界面愈合。相比之下，目前临床常用的人工合成聚合物生物活性低[1]，远不及镁和镁合金材料促腱-骨界面愈合能力。见表1。

3、在各部位运动损伤应用研究进展

3.1 肩关节

运动医学中肩部损伤主要累及肩袖和盂唇，修复重建主要使用带线锚钉或骨钉将断裂的肌腱和软骨固定到骨组织上。

带线锚钉的出现对肩关节镜手术产生了革命性影响，其能对软组织（肌腱和韧带）与骨骼进行简单而高效的固定，目前已经成为肩部损伤修复重建的主要植入物[38]。带线锚钉主要功能是将软组织固定在适当位置，并在生理愈合完成之前保持其位置，不出现松动或过度张力。理想的带线锚钉应易于操作、满足固定力学要求以及可吸收材料在分解过程中不产生不良反应[39]。现阶段对于镁和镁合金带线锚钉仅有初步探索。Chen等[40]使用高纯度镁带线锚钉修复绵羊肩袖损伤，术后12周组织学检查显示腱-骨界面愈合良好，无局部炎症反应，无肝、肾毒性，尽管带线锚钉降解产物氢气在锚钉周围堆积后会产生一定气隙，但对植入物固定和腱-骨界面愈合无负面影响。Ma等[41]研究结果显示镁合金带线锚钉在大鼠腱-骨界面愈合过程中未发生失效，且术后愈合组织的生物力学强度优于钛合金锚钉。一项镁合金带线锚钉的有限元分析表明，镁合金材料制造的带线锚钉可以减小植入物与骨之间的界面应力，提高固定稳定性[42]。除带线锚钉之外，也有学者探索使用含镁的组织工程材料修复肩部损伤。Chen等[27,43]设计了负载镁离子的水凝胶并修复兔肩袖损伤模型，结果显示该水凝胶发挥了抗炎和促细胞分化作用，显著促进腱-骨界面的纤维软骨再生和提高再生组织的生物力学强度。

除了上述常见的肩袖撕裂，Bockmann等[44]尝试在Latarjet手术（切开行喙突截骨移位固定）中使用MAGNEZIX镁合金骨钉治疗复发性肩关节前脱位，但尸体生物力学研究发现骨钉存在断裂风险。

目前镁和镁合金植入物用于肩部运动损伤相关研究获得了积极结果，但临床前研究较少，未来还需要更多、更系统的临床前研究探讨其临床应用可行性，以推进该类植入物的临床转化。

3.2 膝关节

运动医学中膝关节损伤主要累及交叉韧带和半月板，关节镜手术中主要使用界面螺钉、内纽扣带袢钛板和横穿钉等方式固定重建的交叉韧带，使用半月板箭和缝线等修复半月板。

在交叉韧带损伤，尤其是前交叉韧带损伤中，界面螺钉已成为主要固定方式之一。界面螺钉是一种挤压固定装置，依赖螺钉上的螺纹挤压来固定移植物。大量研究显示镁及镁合金界面螺钉具有极大临床应用潜力。Song等[45]在尸体标本使用高纯度镁界面螺钉固定前交叉韧带移植物，生物力学测试显示高纯度镁界面螺钉与临床使用的PLA界面螺钉具有相同初始机械稳定性；Wang等[26,46]和Cheng等[28,29]开展的高纯度镁界面螺钉固定新西兰白兔前交叉韧带移植物系列实验显示，该界面螺钉能加速腱-骨界面愈合，并在前交叉韧带移植物愈合过程中提供了足够强度的固定，无螺钉断裂和不良反应发生。Wang等[47]另一项使用Mg-6Zn-0.5Sr镁合金界面螺钉和Diekmann等[48]使用MgYREZr镁合金界面螺钉固定前交叉韧带移植物的动物实验也获得类似结果。除界面螺钉之外，还有其他用于交叉韧带修复重建的镁和镁合金植入物研究报道。Fu等[49]使用ZK60镁合金横穿钉进行了犬前交叉韧带重建实验，结果表明该横穿钉有诱导新骨生长并促进腱-骨愈合的作用，具有用于前交叉韧带重建的潜在价值。  

表1 运动损伤治疗中常用植入物材料和天然骨生物力学特性比较  

半月板撕裂也是膝关节常见运动损伤，部分患者需要手术修复。目前，临床修复方法包括采用缝线由内向外或由外向内缝合，以及使用基于缝线的半月板缝合系统和半月板箭、半月板镖、半月板螺钉等植入物以全内方法修复[50,51,52]。Zhang等[53]使用高纯度镁缝线由外向内缝合修复兔半月板，发现通过镁离子对于滑液来源MSCs的招募，能促进半月板组织再生和减少软骨退化。全内修复方法中，半月板箭、半月板镖或半月板螺钉为PLA等可吸收材料制造，尚无镁和镁合金制造研究，而且由于上述植入物会引起滑膜炎和软骨损伤等，已逐渐退出市场，目前以半月板缝合系统为主[52]。也有学者探索使用含镁的组织工程材料修复半月板损伤。Sun等[54]采用3D打印技术制备的半月板支架具有镁离子缓释功能，在兔半月板损伤模型中，半月板支架缓释的镁离子可促进干细胞迁移并增强血管生成。Liu等[55]制备的含磷酸铵镁的水凝胶在体外可促进细胞迁移，并上调成骨和成血管相关基因的表达。

镁和镁合金植入物在膝关节运动损伤治疗中具有较大临床转化前景，尤其针对交叉韧带的损伤，已有大量临床前研究验证了其降解速度和机械强度满足临床交叉韧带修复重建要求。针对半月板损伤修复的研究较少，还需更多临床前研究来验证其可行性。

4、临床转化挑战及解决策略

4.1 镁及镁合金的降解

纯镁的标准电极电势（-2.372 V）小于氢气（0 V），可以在水溶液中自发发生氧化还原，变成镁离子并释放氢气，而氢气在植入物周围堆积会形成气隙，抑制细胞迁移、黏附和组织修复[20]。同时植入物降解也会导致固定强度下降，因此需要减缓镁及镁合金植入物的降解速率。

镁的合金化是最早也是应用最广泛的减缓降解速率策略，但是需要合理选择合金元素并优化成分设计。例如，镁-锌和镁-钙合金因为金属之间发生的电化学反应会导致耐腐蚀性降低，但是在镁-钙合金中添加适当锌后，由于第2相腐蚀电位变化而增强了耐腐蚀性能[13]；稀土元素也是使用较多的合金元素之一，可以提高合金耐腐蚀性，但是存在潜在毒性[21]。镁合金相关动物实验已证实设计合理的镁合金降解不会干扰组织愈合修复[41,47,48]。

高纯度镁降解较慢，纯度较低的镁由于存在杂质会发生点蚀反应，加速降解过程，同时会在植入物表面形成无规律分布的小坑，严重影响植入物机械强度[13,56,57]。Xin等[58]通过模拟体内环境中纯镁降解速率，发现纯度99.99%镁降解速率仅为99.9%镁的10%;Han等[56]使用高纯度镁骨钉固定兔股骨髁骨折，镁骨钉在体内表现出均一且缓慢的降解，且在愈合阶段提供了足够机械支持。使用高纯度镁制造植入物也是一种减缓降解速率策略，且排除了潜在毒性合金元素带来的风险。

表面处理也是减缓材料降解速率策略之一，可分为化学涂层、物理沉积和机械处理三类[13]。Xie等[59]发现由于钙磷石涂层的保护作用，无涂层镁合金植入物在Hank溶液中降解速率为0.54 mm/年，而有涂层的仅为0.39 mm/年，降低了28%;Yang等[60]发现聚己内酯涂层可以减缓纯镁降解速率，无涂层对照样品表面表现出了显著裂纹腐蚀。

4.2 镁及镁合金的机械强度

大量研究表明镁和镁合金植入物，尤其是纯镁植入物本身机械强度较低，可能不适用于固定强度要求高的损伤，如四肢长骨骨折[13,14,20,61]。Wang等[14]报道了纯镁髓内钉固定大鼠股骨干骨折失败案例。对于镁和镁合金植入物在运动医学中的应用，关键在于腱-骨界面愈合，以前交叉韧带重建为例，植入物固定强度至少需要维持12周才能保证腱-骨界面充分重建[62]，而对于一般骨折中骨与骨界面的愈合，其固定强度仅需维持4周[25]，因此运动医学中对于植入物固定强度要求较高。Chen等[40]开展的高纯度镁带线锚钉修复绵羊肩袖损伤实验，术后12周内带线锚钉展现出了良好固定强度，无断裂发生；Cheng等[28]使用纯镁界面螺钉行兔前交叉韧带重建，界面螺钉在术后12周内无断裂，术后功能恢复良好。上述研究结果提示，镁和镁合金植入物的机械强度能满足运动损伤修复重建的力学要求。

目前已有多种加强镁和镁合金材料机械强度的策略。镁的合金化可以提高机械强度，简单的二元镁合金（包括镁-锌、镁-钙和镁-银）即能显著提高机械强度，但许多镁合金的降解过快，需要在两者之间找到平衡点或优化合金成分设计[13]；多种表面处理方法如表面机械研磨处理、微弧氧化等也可以提高机械强度[14]。

5、总结与展望

目前，镁与镁合金植入物用于运动损伤修复重建体外及动物实验获得了满意结果，尤其针对常见的前交叉韧带撕裂和肩袖损伤等。与临床常用的人工聚合物植入物相比，采用镁与镁合金制备的植入物具有无有害降解产物以及降解过程产生的镁离子可以促进腱-骨界面愈合优势。但目前尚无相关临床研究报道，其临床转化还需解决机械强度和降解行为问题，合金化和表面处理是具有潜力的解决方案。

此外，镁与镁合金植入物临床应用前还需要大规模生物安全性测试，尤其针对代谢清除能力下降的慢性肝、肾功能损伤患者，以进一步确定其适用对象和范围；同时可以考虑设计镁和镁合金与人工合成聚合物的复合植入物，将前者促腱-骨界面愈合能力和后者可控降解速率结合，实现优势互补。随着更多针对镁和镁合金材料的研究开展，镁和镁合金植入物有望在运动医学实现临床转化。

参考文献:

[2]乔玉成,周威.我国运动医学学科定位6个基本问题辨析.体育学刊,2020,27(3):136-144.

基金资助:国家自然科学基金资助项目(82072429);陕西省重点研发计划项目(2020SF-093)~~;

文章来源:吴雨宽,白浪,刘妍兰,等.镁及镁合金植入物在运动医学中的应用研究进展[J].中国修复重建外科杂志,2024,38(03):380-386.