AZ31B生物可降解鎂合金植入兔下頜骨生物學(xué)行為的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、目前，臨床上應(yīng)用于頜面部骨折復(fù)位、正頜手術(shù)及骨移植手術(shù)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(zhì)間的巨大差異，將使兩者間存在應(yīng)力遮擋作用。而且，不銹鋼、鈦合金作為一種異物，最好術(shù)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(xì)胞吸附力較弱；可引起無菌性炎癥；機(jī)械強(qiáng)度不夠；可引起周圍組織的纖維化及免疫反應(yīng)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(xué)者的關(guān)注。鎂的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，在動(dòng)物體內(nèi)可以在短時(shí)間內(nèi)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(zhì)的彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度，這樣的物理特性使鎂及其合金在作為內(nèi)固定材料修復(fù)骨折過程中能夠最大程度地避免植入材料的應(yīng)力遮擋作用。當(dāng)前，研究鎂合金的耐腐蝕性及生物相容性的實(shí)驗(yàn)方法有很多，主要分為體外實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)兩大類。體外實(shí)驗(yàn)可以直觀地時(shí)時(shí)觀測合金的腐蝕情況，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)則可以在觀察鎂合金降解過程的同時(shí)，觀察研究

3、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物機(jī)體對(duì)鎂合金降解過程的生物學(xué)反應(yīng)，以此分析鎂合金的生物安全性和生物相容性。為了評(píng)估將鎂合金應(yīng)用于臨床修復(fù)頜面部骨損傷的可行性，本文設(shè)計(jì)將不同形態(tài)(條型骨折內(nèi)固定板和片狀多孔板)的AZ31B鎂合金內(nèi)固定系統(tǒng)植入兔下頜骨，并以鈦合金內(nèi)固定系統(tǒng)作對(duì)照，通過實(shí)驗(yàn)動(dòng)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(xué)、RT-PCR等實(shí)驗(yàn)手段，研究分析了AZ31B鎂合金植入動(dòng)物下頜骨后的降解行

4、為、鎂合金對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的全身影響、及其對(duì)頜骨局部的骨誘導(dǎo)作用。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為如下三部分： 實(shí)驗(yàn)一：AZ31B鎂合金植入兔下頜骨表面的體內(nèi)降解情況及鎂合金體內(nèi)降解過程對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的生物學(xué)影響研究 目的： 探討實(shí)驗(yàn)動(dòng)物全身及下頜骨局部對(duì)鎂合金降解過程的生物學(xué)反應(yīng)及鎂合金在該位置的降解特性。 方法： 在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物(兔)單側(cè)下頜骨表面分別植入不同型態(tài)的鎂合金內(nèi)固定系統(tǒng)(A、B)，并用鈦合金內(nèi)固定系統(tǒng)作為對(duì)照組

5、(C)。將各組動(dòng)物平均分成1、2兩組，兩組的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間點(diǎn)分別為2周和8周。A1組動(dòng)物術(shù)后2周處死，取下頜骨植入物周圍纖維結(jié)締組織，取心臟、肝臟、腎臟、脾臟等組織。將各組織標(biāo)本制作成病理切片，通過HE染色觀察組織形貌。A2組動(dòng)物術(shù)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(shù)后8周處死，取下頜骨植入物周圍骨組織。將標(biāo)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)方法同A組。將A、B兩組動(dòng)物局部取出的鎂合金內(nèi)固定系統(tǒng)迅速用酒精沖洗表面，去除血跡及多余動(dòng)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(jié)構(gòu)，利用EDS(能譜分析)功能及相關(guān)軟件分析表面降解產(chǎn)物構(gòu)成成分。 結(jié)果： 術(shù)后2周，植入的鎂合金內(nèi)固定系統(tǒng)被一層纖維結(jié)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(xì)血管，局部有明顯的鈣鹽沉積特征，少量成骨細(xì)胞散在分布，組織

7、邊緣有部分單核細(xì)胞及嗜酸性粒細(xì)胞浸潤。鈦合金植入物周圍仍包裹一層纖維結(jié)締組織，鏡下觀察可見大量成纖維細(xì)胞平行排列，未見明顯的骨小梁、新生毛細(xì)血管及鈣鹽沉積特征。術(shù)后8周，植入的鎂合金內(nèi)固定系統(tǒng)邊緣處被新生骨組織充填，質(zhì)地堅(jiān)硬，與鎂合金板結(jié)合緊密，鎂合金板中未進(jìn)行螺釘固定的兩個(gè)孔相對(duì)應(yīng)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(nèi)部的骨松質(zhì)。鈦合金植入物周圍仍為纖維結(jié)締組織。各鎂合金組實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的內(nèi)臟組織病

8、理切片觀察均未見明顯異常。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物各時(shí)間點(diǎn)血中鎂離子濃度在0.79～1.05mmol/L小范圍內(nèi)波動(dòng)(正常值為0.82～2.22mmol/L)。與鈦合金相比，鎂合金植入后，動(dòng)物尿中的鎂離子濃度升高，且波動(dòng)較大。在植入手術(shù)后的2周及8周取出A型和B型兩組鎂合金內(nèi)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(zhì)。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(qiáng)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(zhì)的主要成分為Ca、Mg、P、Al、Zn、Mn等。 結(jié)論： AZ31B鎂合金具有引導(dǎo)動(dòng)物機(jī)體新骨生成的作用。鎂合金的植入并未對(duì)動(dòng)物機(jī)體的循環(huán)、免疫、泌尿系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。鎂合金降解產(chǎn)物可經(jīng)動(dòng)物的腎臟代謝，而血液中的鎂離子含量相對(duì)穩(wěn)定。 實(shí)驗(yàn)二：AZ31B鎂合金修復(fù)兔下頜骨表面不同類型骨損傷的實(shí)驗(yàn)研究 目的： 觀察鎂合金在修復(fù)兔下頜骨不同類型骨損傷時(shí)的降解行為及周圍組織的生

10、物學(xué)反應(yīng)。 方法： 在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物(兔)單側(cè)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(nèi)固定系統(tǒng)，分別修復(fù)10 mm×2 mm條索狀骨缺損及底邊15 mm、高15 mm的單層骨皮質(zhì)缺損模型，并用鈦合金作為對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)觀察時(shí)間點(diǎn)分別為鎂合金內(nèi)固定系統(tǒng)植入后3個(gè)月和6個(gè)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(jié)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(xué)

11、染色病理切片，觀察局部骨形態(tài)發(fā)生蛋白BMP—2表達(dá)位置及水平。取植入物與骨組織間的纖維結(jié)締組織，應(yīng)用RT-PCR技術(shù)，分析各組中BMP—2的mRNA表達(dá)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(nèi)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(jié)論： 小體積的鎂合金在修復(fù)小范圍骨缺損時(shí)表現(xiàn)出良好的骨誘導(dǎo)作用；而與機(jī)體接觸面

12、積大、修復(fù)大范圍骨缺損的鎂合金植入物，則會(huì)引起局部的溶骨反應(yīng)。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(jìn)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(huì)引起過量的BMP—2分泌，激活破骨細(xì)胞，導(dǎo)致溶骨現(xiàn)象。 實(shí)驗(yàn)三：帶有β-TCP涂層的AZ31B鎂合金對(duì)兔下頜骨局部成骨影響的短期實(shí)驗(yàn)研究 目的： 觀察采用低溫化學(xué)沉積方法在預(yù)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(duì)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(nèi)降解特性及其降解過程對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的影響。 方法： 在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物(兔)單側(cè)下頜骨植入帶有β-TCP涂層的條型鎂合金內(nèi)固定系統(tǒng)，并以未處理鎂合金及鈦合金內(nèi)固定系統(tǒng)作為對(duì)照組。術(shù)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(xué)觀察，對(duì)取出的鎂合金植入物應(yīng)用掃描電子顯微鏡觀察其

14、表面降解產(chǎn)物形態(tài)結(jié)構(gòu)，利用EDS、XRD功能及相關(guān)軟件分析表面降解產(chǎn)物構(gòu)成成分。 結(jié)果： 術(shù)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(xì)小，表面有部分成骨細(xì)胞單層分布，新生骨組織間可見毛細(xì)血管及少量纖維結(jié)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(nèi)固定夾

15、板周圍出現(xiàn)了相對(duì)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(jié)構(gòu)所覆蓋，表層為散在分布的直徑在30～50μm顆粒狀物質(zhì)，深層則為一層致密的篩孔樣結(jié)構(gòu)。經(jīng)過4周的體內(nèi)植入后，β-TCP涂層的條型鎂合金內(nèi)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(nèi)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(duì)鎂合金取出物表面進(jìn)行EDS分析，結(jié)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(jìn)一步進(jìn)行XRD分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過體內(nèi)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(jié)論： β-TCP涂層作為一種生物可降解陶瓷材料，能夠通過化學(xué)方法與