AZ31B生物可降解鎂合金植入兔下頜骨生物學行為的實驗研究.pdf

1、目前，臨床上應用于頜面部骨折復位、正頜手術及骨移植手術后固定的材料主要有不銹鋼、鈦合金和可吸收高分子材料等。由于不銹鋼、鈦合金彈性模量與骨皮質間的巨大差異，將使兩者間存在應力遮擋作用。而且，不銹鋼、鈦合金作為一種異物，最好術后二期取出。聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)等可吸收高分子材料也已用于臨床，但仍存在不足：親水性差；細胞吸附力較弱；可引起無菌性炎癥；機械強度不夠；可引起周圍組織的纖維化及免疫反應等。近年來，鎂及鎂合金作為一種金

2、屬基生物材料引起了越來越多學者的關注。鎂的化學性質十分活潑，在動物體內可以在短時間內降解。鎂與其他常用的金屬類植入物相比，更接近天然骨皮質的彈性模量和機械強度，這樣的物理特性使鎂及其合金在作為內固定材料修復骨折過程中能夠最大程度地避免植入材料的應力遮擋作用。當前，研究鎂合金的耐腐蝕性及生物相容性的實驗方法有很多，主要分為體外實驗和體內實驗兩大類。體外實驗可以直觀地時時觀測合金的腐蝕情況，體內實驗則可以在觀察鎂合金降解過程的同時，觀察研究

3、實驗動物機體對鎂合金降解過程的生物學反應，以此分析鎂合金的生物安全性和生物相容性。為了評估將鎂合金應用于臨床修復頜面部骨損傷的可行性，本文設計將不同形態(tài)(條型骨折內固定板和片狀多孔板)的AZ31B鎂合金內固定系統(tǒng)植入兔下頜骨，并以鈦合金內固定系統(tǒng)作對照，通過實驗動物血液、尿液生化分析，局部組織及植入物宏觀觀察、掃描電鏡觀察、能譜分析、新生骨組織切片、免疫組織化學、RT-PCR等實驗手段，研究分析了AZ31B鎂合金植入動物下頜骨后的降解行

4、為、鎂合金對實驗動物的全身影響、及其對頜骨局部的骨誘導作用。具體實驗內容分為如下三部分： 實驗一：AZ31B鎂合金植入兔下頜骨表面的體內降解情況及鎂合金體內降解過程對實驗動物的生物學影響研究 目的： 探討實驗動物全身及下頜骨局部對鎂合金降解過程的生物學反應及鎂合金在該位置的降解特性。 方法： 在實驗動物(兔)單側下頜骨表面分別植入不同型態(tài)的鎂合金內固定系統(tǒng)(A、B)，并用鈦合金內固定系統(tǒng)作為對照組

5、(C)。將各組動物平均分成1、2兩組，兩組的實驗操作時間點分別為2周和8周。A1組動物術后2周處死，取下頜骨植入物周圍纖維結締組織，取心臟、肝臟、腎臟、脾臟等組織。將各組織標本制作成病理切片，通過HE染色觀察組織形貌。A2組動物術后從第1周開始，至第8周，每周采血、尿樣本，生化檢測其中鎂離子的濃度。術后8周處死，取下頜骨植入物周圍骨組織。將標本脫鈣后常規(guī)石蠟包埋，HE染色，觀察新骨生成情況。取心臟、肝臟、腎臟、脾臟等組織，制作病理切片，

6、HE染色觀察組織形貌。B型、C型兩組實驗動物的實驗方法同A組。將A、B兩組動物局部取出的鎂合金內固定系統(tǒng)迅速用酒精沖洗表面，去除血跡及多余動物組織，密閉保存。掃描電子顯微鏡觀察表面降解產(chǎn)物形態(tài)結構，利用EDS(能譜分析)功能及相關軟件分析表面降解產(chǎn)物構成成分。 結果： 術后2周，植入的鎂合金內固定系統(tǒng)被一層纖維結締組織包裹，鏡下可見大量纖維成分間分布著骨小梁和毛細血管，局部有明顯的鈣鹽沉積特征，少量成骨細胞散在分布，組織

7、邊緣有部分單核細胞及嗜酸性粒細胞浸潤。鈦合金植入物周圍仍包裹一層纖維結締組織，鏡下觀察可見大量成纖維細胞平行排列，未見明顯的骨小梁、新生毛細血管及鈣鹽沉積特征。術后8周，植入的鎂合金內固定系統(tǒng)邊緣處被新生骨組織充填，質地堅硬，與鎂合金板結合緊密，鎂合金板中未進行螺釘固定的兩個孔相對應的位置處，亦有骨組織長入。鏡下觀察，可見新生骨組織已分化成表層平行排列的骨板和內部的骨松質。鈦合金植入物周圍仍為纖維結締組織。各鎂合金組實驗動物的內臟組織病

8、理切片觀察均未見明顯異常。實驗動物各時間點血中鎂離子濃度在0.79～1.05mmol/L小范圍內波動(正常值為0.82～2.22mmol/L)。與鈦合金相比，鎂合金植入后，動物尿中的鎂離子濃度升高，且波動較大。在植入手術后的2周及8周取出A型和B型兩組鎂合金內固定系統(tǒng)，肉眼觀察可見鎂合金表面失去原有金屬光澤，邊緣不清晰，干燥后表面出現(xiàn)白色疏松物質。掃描電鏡顯示，鎂合金表面上覆蓋一層降解產(chǎn)物，降解產(chǎn)物表面粗糙、強度低，并呈現(xiàn)為不規(guī)則的龜裂

9、狀。能譜分析表明，這層物質的主要成分為Ca、Mg、P、Al、Zn、Mn等。 結論： AZ31B鎂合金具有引導動物機體新骨生成的作用。鎂合金的植入并未對動物機體的循環(huán)、免疫、泌尿系統(tǒng)產(chǎn)生負面影響。鎂合金降解產(chǎn)物可經(jīng)動物的腎臟代謝，而血液中的鎂離子含量相對穩(wěn)定。 實驗二：AZ31B鎂合金修復兔下頜骨表面不同類型骨損傷的實驗研究 目的： 觀察鎂合金在修復兔下頜骨不同類型骨損傷時的降解行為及周圍組織的生

10、物學反應。 方法： 在實驗動物(兔)單側下頜骨表面分別植入鎂合金條型骨折固定系統(tǒng)和片狀多孔板內固定系統(tǒng)，分別修復10 mm×2 mm條索狀骨缺損及底邊15 mm、高15 mm的單層骨皮質缺損模型，并用鈦合金作為對照組。實驗觀察時間點分別為鎂合金內固定系統(tǒng)植入后3個月和6個月，植入物周圍下頜骨經(jīng)4％多聚甲醛固定，采用EDTA脫鈣制作病理切片。通過HE染色觀察新生纖維結締組織形態(tài)和組成成分，分析新骨生成情況。通過免疫組織化學

11、染色病理切片，觀察局部骨形態(tài)發(fā)生蛋白BMP—2表達位置及水平。取植入物與骨組織間的纖維結締組織，應用RT-PCR技術，分析各組中BMP—2的mRNA表達水平。將已去除軟組織的下頜骨用戊二醛固定，利用掃描電鏡觀察骨表面的新骨生成與溶骨現(xiàn)象。取出的鎂合金內固定系統(tǒng)干燥保存，利用掃描電鏡觀察鎂合金表面的降解情況，并采用能譜分析研究降解產(chǎn)物的組成。 結論： 小體積的鎂合金在修復小范圍骨缺損時表現(xiàn)出良好的骨誘導作用；而與機體接觸面

12、積大、修復大范圍骨缺損的鎂合金植入物，則會引起局部的溶骨反應。鎂合金在降解過程中釋放的鎂離子及其周圍形成的堿性環(huán)境，可以引起鎂合金周圍組織中骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP—2)的增加，進而引起局部的新骨生成；過量的鎂離子濃度及過高的pH值將會引起過量的BMP—2分泌，激活破骨細胞，導致溶骨現(xiàn)象。 實驗三：帶有β-TCP涂層的AZ31B鎂合金對兔下頜骨局部成骨影響的短期實驗研究 目的： 觀察采用低溫化學沉積方法在預處理后鎂

13、合金表面制備出β-TCP(β—磷酸三鈣)涂層的AZ31B鎂合金對兔下頜骨局部成骨的短期影響，從而分析帶有β-TCP涂層的AZ31B鎂合金體內降解特性及其降解過程對實驗動物的影響。 方法： 在實驗動物(兔)單側下頜骨植入帶有β-TCP涂層的條型鎂合金內固定系統(tǒng)，并以未處理鎂合金及鈦合金內固定系統(tǒng)作為對照組。術后4周觀察植入物周圍軟組織、硬組織改變情況，脫鈣骨組織切片的組織學觀察，對取出的鎂合金植入物應用掃描電子顯微鏡觀察其

14、表面降解產(chǎn)物形態(tài)結構，利用EDS、XRD功能及相關軟件分析表面降解產(chǎn)物構成成分。 結果： 術后4周，帶有β-TCP涂層的條型鎂合金表面粗糙，失去原有β-TCP涂層的灰黑色外觀，植入物下方靠近下頜骨表面處未見明顯的新生骨組織。鏡下可見少量的新生骨組織，新生骨島細小，表面有部分成骨細胞單層分布，新生骨組織間可見毛細血管及少量纖維結締組織分布。鈦合金植入物周圍同樣沒有出現(xiàn)明顯的新生骨組織。沒有β-TCP涂層的條型鎂合金內固定夾

15、板周圍出現(xiàn)了相對豐富的新生骨組織。鏡下可見豐富的新生骨組織，新生骨島彼此連接，局部骨組織成熟。AZ31B鎂合金表面制備β-TCP涂層后，經(jīng)掃描電子顯微鏡觀察可見，鎂合金表面被一層粗糙的不規(guī)則結構所覆蓋，表層為散在分布的直徑在30～50μm顆粒狀物質，深層則為一層致密的篩孔樣結構。經(jīng)過4周的體內植入后，β-TCP涂層的條型鎂合金內固定夾板表面覆蓋一層降解產(chǎn)物，表面呈現(xiàn)出不規(guī)則的龜裂狀，龜裂間連通性差，整體未見明顯的層狀崩解現(xiàn)象。沒有β-T

16、CP涂層的條型鎂合金內固定夾板表面的降解產(chǎn)物可見更明顯的不規(guī)則的龜裂，鎂合金表面呈現(xiàn)層狀腐蝕現(xiàn)象。對鎂合金取出物表面進行EDS分析，結果可見，兩組鎂合金表面的降解產(chǎn)物中均含有Ca，Mg，P，Al，C和O等元素，進一步進行XRD分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過體內4周的降解過程，帶有β-TCP涂層的鎂合金表面仍殘留有部分β-TCP成分，而B組鎂合金表面則沒有類似產(chǎn)物出現(xiàn)。 結論： β-TCP涂層作為一種生物可降解陶瓷材料，能夠通過化學方法與