新型醫(yī)用鎂合金體內生物相容性研究.pdf

1、隨著生物醫(yī)學的發(fā)展，生物材料的應用越來越為廣泛。生物材料不僅在提高人類的生活質量、保護人類健康、挽救生命等方面具有重大的社會效益，而且已經成為各國經濟新的增長點。雖然現(xiàn)今已有很多種類的金屬基生物材料廣泛應用于臨床，尤其在骨科（如脊柱矯形、斷骨接合、顱骨修補等），金屬基材料已成為應用最廣的承力植入材料，如不銹鋼、鈷合金、鈦合金等等。但在這些金屬材料當中，沒有一種金屬材料的性能能夠完全滿足人們的需要。因此，開發(fā)新型的金屬基生物植入材料是有必

2、要而且是十分迫切的。 鎂及鎂合金由于資源豐富、價格低廉、密度低，比強度、比剛度高等優(yōu)異的綜合性能享有“21世紀綠色工程材料”之美譽，已被較為廣泛地應用在航空航天、電子通信等領域。在骨科應用方面，鎂及鎂合金的比重與人體骨骼尤其是密質骨的比重最為接近，植入人體后不至于增加患者的負重和不適感，對其康復極為有利。鎂及鎂合金的楊氏彈性模量與人體骨骼的基本相當，有利于降低或消除植入物與人體骨骼界面的“應力屏蔽”，促進骨的生長和愈合。最近國內

3、外學者研究發(fā)現(xiàn)鎂有促進成骨作用，認為鎂合金適合制作人工骨或骨內固定物。鎂合金的這些獨特的優(yōu)勢，引起了骨科和材料學專家的廣泛關注。但鎂合金的化學性質活潑，耐腐蝕性能差。如果植入機體，在骨折愈合之前其自身已降解，則起不到固定作用。因此國內外學者通過多種方法來改善鎂合金的抗腐蝕性能。國內學者通過階躍式陽極氧化表面改性技術有效地增加鎂合金的耐腐蝕性及耐磨性，減緩了鎂合金的降解，使其有望成為一種新型的生物醫(yī)用材料。但通過此技術處理后的鎂合金的生物

4、相容性如何，尚不清楚。 目的： 本研究采用動物實驗，將鎂合金植入動物體內觀察局部炎癥、骨誘導性；將鎂合金浸提液注入動物體內觀察急性全身毒性、皮內刺激反應、致敏反應。通過與現(xiàn)在臨床上應用甚廣、生物相容性良好的鈦合金Ti-6Al-7Nb對照，初步研究階躍式陽極氧化鎂合金的體內生物相容性及骨誘導性。并通過實驗來探索不同的制膜參數(shù)及材料類型對材料生物相容性的影響以及兩者之間的內在聯(lián)系及本質規(guī)律。由此為實現(xiàn)鎂及鎂合金的生物醫(yī)用提供

5、可行性證據(jù)。 方法： 1.實驗材料 鎂合金A291D（AZ0）、ME20M（ME0）及其在三種階躍式陽極氧化條件下制備的材料（分別標記為AZ1、AZ2、AZ3、ME1、ME2、ME3）、高純鎂（H）、醫(yī)用鈦合金Ti-6Al-7Nb（Ti），分別制成大小6mm×5mm×2mm塊狀、直徑8mm，長20mm長柱狀兩種規(guī)格，清洗并消毒后備用。 2.浸提液制備 以上塊狀試樣制備浸提液，浸提介質采用0.9%無

6、菌生理鹽水，試件表面積（c㎡）與生理鹽水體積（ml）之比為3：1，置于37℃培養(yǎng)箱內72h使金屬離子盡可能多的析出，0.22μm微孔濾膜過濾除菌，制備出材料浸提液。 3.實驗動物 新西蘭大白兔24只、昆明小白鼠88只、豚鼠80只，由南方醫(yī)科大學附屬南方醫(yī)院動物實驗中心提供，開放系統(tǒng)動物飼養(yǎng)環(huán)境。 4.植入實驗 在新西蘭大白兔脊柱兩側各選擇3個植入點，將上述圓柱形材料植入肌肉內。每只兔植入Ti、H各1個，鎂

7、合金AZ（AZ0-AZ3）4個或者鎂合金ME（ME0-ME3）4個。術后定期抽血測鎂離子濃度，攝X線片了解材料大體降解情況。1個月、3個月和6個月各處死試驗動物8只，觀察傷口愈合情況，取出材料及周圍肌肉組織，顯微鏡下觀測材料周圍纖維包膜厚度及組織炎癥反應。 5.急性全身毒性實驗 小鼠隨機分成試驗組（鎂合金）、陰性對照組（Ti）、陽性對照組（H）、空白對照組（生理鹽水），每組8只。各組分別經尾靜脈注射相應材料浸提液及生理鹽

8、水。注射后即刻、4、24、48及72h觀察小鼠一般狀態(tài)及毒性表現(xiàn)和死亡數(shù)，注射后24、48、72h監(jiān)測體重變化。顯微鏡下觀察肝臟炎性反應。 6.皮內刺激實驗 在豚鼠脊柱兩側剃毛區(qū)各選擇2個點，每兩點至少間隔2cm。四點隨機注射0.1ml試驗組、陽性對照組（H）、陰性對照組（Ti）浸提液以及生理鹽水（空白對照組）。注射后24、48及72h檢查注射部位，觀察注射局部及其周圍皮膚組織的反應。鏡下觀察炎癥細胞種類及反應分級。

9、 7.致敏實驗 將上述浸提液、生理鹽水和體積分數(shù)為5%的甲醛溶液分別與完全弗氏佐劑等容積混合至乳化。采用皮內注射和涂皮相結合的誘導法。將48只豚鼠隨機分為試驗組36只（AZ組、ME組、H組均4只）、空白對照組（生理鹽水）4只、陰性對照組（Ti）4只和陽性對照組（甲醛）4只。剃毛后在每只豚鼠背脊柱兩側6點對稱皮內注射。皮內注射1周后，貼敷于標準材料浸提液、陰性和陽性對照液中浸泡至飽和的2cm×4cm濾紙片進行第2次致敏，固定并

10、留置48h。14d后，將豚鼠腹部一側剃毛，貼敷同前濾紙片并固定24h進行激發(fā)。除去貼敷物24h后觀察腹部激發(fā)部位皮膚反應或疹塊發(fā)生，鏡下觀察炎癥細胞種類及反應分級。 8.統(tǒng)計學分析 采用SPSS13.0軟件，對手術前后鎂離子濃度比較采用配對t檢驗；各組之間鎂離子濃度升高值比較用析因分析；植入試樣周圍組織炎癥反應分級用秩和檢驗；試樣周圍纖維包膜厚度用析因方差分析；小鼠試驗前后體重采用配對t檢驗；各組之間用單因素方差分析；P

11、<0.05時有統(tǒng)計學意義。 結果： 1.植入實驗 一般情況：植入試樣后一般情況良好。 血鎂離子濃度：逐漸升高，各時間點有顯著差異，AZ組和ME組之間無顯著性差異（P>0.05），AZ、ME組1個月、3個月、6個月時鎂離子濃度術后升高值之間均有陽性差異（P=0.000）。 X線片：各試樣大體完好，各時間點各鎂合金試樣周圍均存在密度減低區(qū)（氣泡）。 肉眼觀察：各時間點各鎂合金試樣周圍均存在包膜

12、和氣泡，植入點未見紅腫，無異常分泌物。 組織學觀察：炎癥反應AZ1、AZ3、H、Ti組均為Ⅰ級，其他鎂合金組稍差。包膜反應AZ3、Ti組均為Ⅱ級，AZ1組6個月時差，其他各組反應重，包膜厚度AZ1

13、P>0.05），其他組小鼠注射鎂合金浸提液后體重降低稍明顯。 組織學觀察：Ti、AZ1、AZ3組肝臟組織形態(tài)無明顯變化，無明顯充血水腫或壞死。H組肝臟組織形態(tài)正常，輕度充血水腫，無明顯炎癥反應。其他組肝臟發(fā)生輕至中等程度形態(tài)改變和肝細胞變性。 3.皮內刺激實驗 肉眼觀察：生理鹽水、Ti、AZ1、AZ3注射部位皮膚肉眼觀察無紅斑，未見水腫，皮內刺激反應評分0分；其余試樣注射部位皮膚存在零星的輕度紅斑、輕微水腫，皮內

14、刺激反應評分1分。 組織學觀察：生理鹽水、Ti、AZ1、Az3注射部位皮膚未見炎癥細胞，組織未見充血、水腫、壞死，炎癥細胞反應Ⅰ級。其余試樣注射部位存在少量淋巴細胞，組織輕度充血水腫，無壞死，炎癥細胞反應Ⅱ級。 4.致敏實驗 肉眼觀察：甲醛組腹部激發(fā)部位皮膚明顯壞死結痂，致敏反應嚴重，分級為4級。生理鹽水組腹部激發(fā)部位無紅斑及水腫，致敏分級為0級。Ti、AZ1、AZ3腹部激發(fā)部位紅斑、水腫極輕微（1級）。余試樣腹

15、部激發(fā)部位皮膚有局限性紅斑及輕度水腫，致敏反應2級。 組織學觀察：甲醛組細胞壞死，淋巴細胞較明顯聚集在壞死區(qū)及周邊部位，炎癥反應為Ⅳ級。生理鹽水組無炎癥細胞聚集，無充血水腫，炎癥分級為Ⅰ級。Ti、AZ1、AZ3有少量淋巴細胞聚集，未見明顯充血水腫（Ⅱ級），余實驗組組織內存在中等量炎性細胞，充血水腫稍明顯，炎癥反應分級Ⅲ級。 結論： 植入實驗中AZ1、AZ3、H試樣在局部炎癥反應中表現(xiàn)良好，AZ3試樣包膜反應較好。