本文關(guān)鍵詞：鎂鋁合金及其涂層的生物相容性實(shí)驗(yàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《南方醫(yī)科大學(xué)》 2012年

鎂鋁合金及其涂層的生物相容性實(shí)驗(yàn)研究

隋文淵  

【摘要】：研究背景 骨科內(nèi)固定材料的發(fā)展經(jīng)過了漫長(zhǎng)的時(shí)間,目前臨床用于骨折治療的內(nèi)固定材料主要是傳統(tǒng)金屬如不銹鋼及鈦合金以及生物可降解高分子材料如聚乳酸等。 傳統(tǒng)金屬植入材料最大的問題是需二次手術(shù)取出,另外還存在應(yīng)力遮擋影響骨愈合,導(dǎo)致骨質(zhì)疏松,釋放的離子引起組織級(jí)聯(lián)炎癥反應(yīng)等問題。生物可降解植入材料是繼不銹鋼、鈦合金等非降解醫(yī)用植入金屬材料之后而發(fā)展出來的,一般來說,可降解植入材料是指“植入生物體內(nèi)后能完全降解,降解產(chǎn)物能被機(jī)體吸收、代謝的一類材料”。從20世紀(jì)90年代起,體內(nèi)植入生物醫(yī)用材料的研究熱點(diǎn)開始由生物穩(wěn)定型材料轉(zhuǎn)變?yōu)榭山到獠牧?主要應(yīng)用于骨固定、骨填充、組織工程、血管支架等領(lǐng)域,能有效地促進(jìn)受損組織的修復(fù)與再生,并可為組織重建提供生長(zhǎng)載體和生長(zhǎng)空間�，F(xiàn)階段已應(yīng)用于臨床的可降解生物醫(yī)用材料主要為生物活性陶瓷和高分子材料�？山到馍镝t(yī)用陶瓷材料雖然具有較高的強(qiáng)度,主要缺點(diǎn)是韌性較差,彈性模量過高,易于斷裂,材料脆性大,加工困難,而且在體內(nèi)生理環(huán)境中抗疲勞性能較差�？山到馍镝t(yī)用高分子材料主要是聚乳酸(PLA)聚乙醇酸(PGA)及其共聚物制作的夾板,雖已應(yīng)用于臨床,但仍存在不盡人意之處：親水性差、細(xì)胞吸附力較弱、可引起無菌性炎癥�？山到飧叻肿拥慕到膺^程不可控,導(dǎo)致植入器件的突然失效。臨床上發(fā)現(xiàn)患者出現(xiàn)非特異性無菌性炎癥反應(yīng)率較高；機(jī)械強(qiáng)度不足,存在抗壓強(qiáng)度不足的缺陷；聚合物中殘留有機(jī)溶劑的細(xì)胞毒作用,可引起周圍組織的纖維化及免疫反應(yīng)。 醫(yī)用金屬材料與醫(yī)用生物陶瓷和醫(yī)用高分子材料相比具有高機(jī)械強(qiáng)度,抗彎曲疲勞強(qiáng)度,更適合負(fù)荷支持應(yīng)用,醫(yī)用金屬材料繼續(xù)起著不可缺少的作用。因此開發(fā)具有良好力學(xué)性能、又可在體內(nèi)安全降解的新型可降解醫(yī)用植入材料具有重要意義。近年來,以生物可降解鎂合金為主要代表的具有生物可降解特性的新一代醫(yī)用金屬材料的研究受到了人們的特別關(guān)注。這類新型醫(yī)用金屬材料巧妙地利用鎂合金在人體環(huán)境中易發(fā)生腐蝕(降解)的特性,來實(shí)現(xiàn)金屬植入物在體內(nèi)逐漸降解直至最終消失的醫(yī)學(xué)臨床目的。此外,由于鎂合金所具有的金屬材料特性,其塑性、剛度、加工性能等都要遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)已開始臨床應(yīng)用的聚乳酸等可降解高分子材料,因而更適于在骨等硬組織修復(fù)和心血管介入支架方面的臨床應(yīng)用�？梢灶A(yù)測(cè),生物可降解鎂合金的醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用,可大大提升現(xiàn)有金屬植入器械具備的醫(yī)療功能,并可能產(chǎn)生新的醫(yī)療效果,從而給廣大病患者帶來新的福音。 鎂及鎂基材料具有良好生物相容性、骨傳導(dǎo)性、可降解性,力學(xué)特性與骨組織相似等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)鎂離子又是體內(nèi)必需離子,這使之有希望成為骨科新型可降解植入金屬材料。純鎂由于其低耐蝕性并因腐蝕產(chǎn)生大量的氫氣,產(chǎn)生嚴(yán)重難以吸收的氣腫導(dǎo)致使用受到限制。因此,提高抗腐蝕性能是目前鎂合金開發(fā)的熱點(diǎn)方向。 添加合金元素是提高鎂的力學(xué)性能和抗腐蝕性的重要措施,而保護(hù)性涂層能進(jìn)一步提高鎂的抗腐蝕性和生物相容性。研究發(fā)現(xiàn)多孔的AZ91D鎂合金支架具有適當(dāng)降解率,可刺激外周骨重建,具有較好的生物相容性。晶體LAE442鎂合金具有低腐蝕率和可接受的宿主體內(nèi)反應(yīng),其MgF2涂層可進(jìn)一步降低腐蝕率。Ca-P涂層鎂合金可被轉(zhuǎn)化成羥基磷灰石HA,從而提高鎂表面細(xì)胞相容性,保護(hù)鎂合金不被快速腐蝕。 目前對(duì)于鎂鋁合金的研究大多為體外實(shí)驗(yàn)如浸提液實(shí)驗(yàn),細(xì)胞毒性試驗(yàn),最大致敏實(shí)驗(yàn)等,這一系列實(shí)驗(yàn)初步證實(shí)鎂鋁合金材料具有良好的細(xì)胞相容性,并且不產(chǎn)生細(xì)胞毒性。但是體外環(huán)境與體內(nèi)環(huán)境存在很多差異,所以體外實(shí)驗(yàn)不能替代體內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)論,而關(guān)于鎂鋁合金材料體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)的相關(guān)報(bào)道主要為電鏡觀察降解成骨,影像學(xué)觀察降解,體內(nèi)試驗(yàn)有關(guān)生物相容性內(nèi)容仍然欠缺。 作為一種新型的醫(yī)用可降解金屬材料,鎂鋁合金的生物相容性需要進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)。本研究采用中科院金屬所研制的鎂鋁合金(AZ31B,3%AL,1%Zn,其余為鎂)通過影像學(xué)觀察以及組織學(xué)觀察等方面初步研究其生物相容性情況。 目的 1.通過對(duì)比觀察鎂鋁合金及其涂層動(dòng)物體內(nèi)影像學(xué)變化評(píng)價(jià)其生物相容性 2.通過鎂離子濃度變化評(píng)價(jià)鎂鋁合金及其涂層的生物相容性 3.通過組織學(xué)對(duì)比觀察評(píng)價(jià)鎂鋁合金及其涂層的生物相容性 研究方法 1.鎂鋁合金體內(nèi)影像學(xué)觀察：實(shí)驗(yàn)動(dòng)物新西蘭大白兔16只,分為兩組,實(shí)驗(yàn)組MgF2涂層鎂鋁合金圓銷組和對(duì)照組無涂層鎂鋁合金圓銷組,植入實(shí)驗(yàn)兔左右下肢,對(duì)比觀察兩種材料的生物相容性情況。其中7只實(shí)驗(yàn)兔在左右側(cè)股骨下端分別植入直徑3mm,長(zhǎng)10mm的MgF2涂層鎂鋁合金圓銷和無涂層鎂鋁合金圓銷。另外7只兔在左右側(cè)脛骨上端分別植入直徑3mm,長(zhǎng)10mm的MgF2涂層鎂鋁合金圓銷和無涂層鎂鋁合金圓銷。2只兔子在豎脊肌左右側(cè)分別植入直徑3mm,長(zhǎng)10mmm的MgF2涂層鎂鋁合金圓銷和無涂層鎂鋁合金圓銷。術(shù)后觀察兔子的活動(dòng)、進(jìn)食、睡眠、創(chuàng)口、皮下氣腫及纖維囊情況。于術(shù)后當(dāng)日、4w、12w對(duì)植入鎂鋁合金的股骨遠(yuǎn)端以及脛骨上端進(jìn)行X線拍片,于術(shù)后12周對(duì)背闊肌中植入鎂鋁合金材料及其周圍軟組織情況進(jìn)行肉眼觀察,評(píng)價(jià)兩種材料的生物相容性情況。 2.鎂離子變化觀察：術(shù)前1d、術(shù)后2w、4w、8w、12w對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行抽血化驗(yàn),測(cè)量血清鎂離子濃度,應(yīng)用重復(fù)測(cè)量方差分析進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。 3.鎂鋁合金組織學(xué)評(píng)價(jià)：術(shù)后12周處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,取出雙側(cè)股骨,脛骨。PBS緩沖液清洗,固定液固定,制作金屬-骨組織界面硬組織切片并進(jìn)行Masson染色對(duì)比觀察；術(shù)后12周處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物,取肝,腎組織制作組織HE染色切片,進(jìn)行光鏡下觀察,病理學(xué)以及組織學(xué)分析組織形態(tài)結(jié)構(gòu)變化并與正常肝腎組織切片進(jìn)行比較,評(píng)價(jià)肝腎組織毒性情況。 結(jié)果 1.影像學(xué)以及血清鎂離子濃度觀察 1.1術(shù)后一般情況：所有兔子麻醉清醒后活動(dòng)良好,進(jìn)食正常,睡眠良好,術(shù)后創(chuàng)口愈合良好,均無皮下氣腫,無皮膚過敏情況,兩組均未見圓銷周圍纖維囊形成。 1.2X線拍片植入后當(dāng)天拍片,兩組圓銷植入位置良好,與周圍骨組織接觸較緊密,植入物與骨組織間未見間隙。 植入4w后,MgF2組圓銷與骨組織緊密結(jié)合,形狀無明顯改變,與術(shù)后影像學(xué)表現(xiàn)相似。鎂鋁合金組圓銷與骨組織間出現(xiàn)輕微空白影,兩組圓銷周圍均未出現(xiàn)骨質(zhì)吸收溶解情況。 植入12w時(shí)鎂鋁合金組圓銷周圍細(xì)小空隙基本消失,植入物與骨組織間結(jié)合較緊密,有新生致密骨生成,未見骨質(zhì)改變以及氣體影。MgF2組骨組織與植入物間出現(xiàn)較小空白影,圓銷周圍有新生致密骨形成。兩組骨質(zhì)正常,X線未見骨質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。兩組圓銷周圍骨組織均未見骨質(zhì)吸收及溶解現(xiàn)象。 1.3肉眼觀察 12周時(shí)背闊肌中無涂層鎂鋁合金圓銷出現(xiàn)降解,表面出現(xiàn)凹陷,較均勻,與周圍肌肉組織結(jié)合緊密,肌肉組織未見顏色改變,未形成纖維狀條索,肉眼觀察未發(fā)現(xiàn)降解后產(chǎn)生的灰黑色產(chǎn)物。MgF2涂層鎂合金材料涂層基本降解,肉眼可見黑色涂層顏色消失,外觀大致與無涂層組相仿,周圍組織一般情況可,未見組織外觀改變,肉眼觀察未發(fā)現(xiàn)降解后產(chǎn)生的灰黑色產(chǎn)物。 1.4術(shù)前1d、術(shù)后8w和12w血清鎂離子濃度統(tǒng)計(jì)學(xué)分析無顯著性差別(F=1.081,P=0.410)。 2.硬組織切片的觀察 12W時(shí),植入物骨組織界面硬組織切片Masson染色可見鎂鋁合金組骨組織與植入物之間結(jié)合良好,之間有少量纖維組織包膜形成,植入物出現(xiàn)較均勻降解,有骨質(zhì)均勻長(zhǎng)入。MgF2組植入物邊緣略不規(guī)則,與周圍骨質(zhì)間存在較多量纖維組織包膜。相比MgF2組,鎂鋁合金組植入物降解更明顯,材料周圍纖維組織更少。肉眼觀察見兔背部?jī)蓚?cè)鎂合金均出現(xiàn)不同程度降解,其中MgF2涂層基本降解,鎂合金金屬棒表面出現(xiàn)腐蝕,而鎂鋁合金組圓銷呈現(xiàn)較均勻降解。與肉眼觀察結(jié)果相仿。提示鎂鋁合金及其涂層材料均具有良好組織相容性,而鎂鋁合金組降解速度快于涂層組。 3.肝腎組織切片觀察 12周肝腎組織切片觀察未見肝腎組織毒性。 12周兩組肝組織切片顯示：由肝細(xì)胞單行排列成凹凸不平的板狀結(jié)構(gòu)為肝索,圍繞中央靜脈呈放射狀排列,并互相連接成網(wǎng)。肝細(xì)胞體積較大,多邊形,內(nèi)含1-2個(gè)核,位于中央,核仁明顯,胞質(zhì)染嗜酸性。肝血竇腔不規(guī)則,可見體積較大,具有突起的星形細(xì)胞。小葉間動(dòng)脈腔小而圓,管壁厚,中膜有環(huán)形平滑肌。小葉間靜脈腔大壁薄,管腔不規(guī)則小葉間膽管由單層立方上皮構(gòu)成,胞質(zhì)清亮,核圓著色較深。未見聚集炎癥細(xì)胞以及組織結(jié)構(gòu)改變。極少量單核細(xì)胞散在分布。 12周兩組腎組織切片顯示：腎小囊壁層為單層扁平上皮,臟層緊貼血管表面與毛細(xì)血管的內(nèi)皮分不開,兩層之間的空腔為腎小囊腔,腎小管管腔小而不規(guī)則,上皮細(xì)胞為單層立方或錐體形,細(xì)胞游離面有刷狀緣,核圓位于近基底部,胞質(zhì)呈強(qiáng)嗜酸性染成深紅色.未見組織結(jié)構(gòu)破壞及炎性改變。 結(jié)論 1.鎂鋁合金和MgF2涂層鎂鋁合金均能與周圍骨質(zhì)發(fā)生緊密結(jié)合,生物相容性良好 2.鎂鋁合金植入動(dòng)物體內(nèi)后不改變動(dòng)物體內(nèi)鎂離子濃度,植入后2種材料均無皮下氣腫和纖維囊形成,提示兩種材料生物相容性良好。 3.鎂鋁合金和MgF2涂層鎂鋁合金無體內(nèi)肝腎組織毒性反應(yīng),具有良好生物相容性。 4.鎂鋁合金及其MgF2涂層可有效減緩鎂鋁合金的腐蝕率。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：R318.08
【目錄】：

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  本文關(guān)鍵詞：鎂鋁合金及其涂層的生物相容性實(shí)驗(yàn)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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