可降解鎂鋅合金肋骨固定器應(yīng)用于肋骨骨折內(nèi)固定的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究

秦　雄，閔　捷，陳　熹，唐　華，張紹翔，張小農(nóng)，蘇宜江，徐志飛

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·論著·

可降解鎂鋅合金肋骨固定器應(yīng)用于肋骨骨折內(nèi)固定的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究

秦雄，閔捷，陳熹，唐華，張紹翔，張小農(nóng)，蘇宜江，徐志飛

【摘要】目的構(gòu)建犬肋骨骨折動(dòng)物模型，研究新型可降解鎂鋅合金肋骨固定器在切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定術(shù)中的固定效果及其降解愈合過(guò)程。方法實(shí)驗(yàn)用比格犬15只，體重12kg以上，12月齡，雌雄不限，構(gòu)建犬肋骨骨折切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定動(dòng)物模型，分為鎂鋅合金組(10只)和鋼板固定對(duì)照組(5只)，比較兩組飲食、活動(dòng)、切口反應(yīng)、體重變化及血液生化檢查，術(shù)后2、6、12周行胸部CT檢查，并對(duì)胸廓進(jìn)行CT三維重建。術(shù)后4、8、12周，按計(jì)劃處死實(shí)驗(yàn)犬，觀察鎂鋅合金肋骨固定器的降解情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)組骨痂及周圍組織進(jìn)行組織學(xué)觀察。結(jié)果兩組飲食、活動(dòng)、體重變化、血生化檢查等差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；1例鎂鋅合金組1只犬出現(xiàn)局部切口感染伴積氣，予以局部抽液引流、抗炎補(bǔ)液治療后愈合。術(shù)后12周HE染色見(jiàn)肋骨骨折已經(jīng)愈合，界限不清，間隙中充滿骨髓組織；胸部CT檢查及三維重建示骨折斷段愈合良好，鎂鋅合金肋骨環(huán)抱器已完全降解。結(jié)論可降解鎂鋅合金肋骨固定器是肋骨骨折內(nèi)固定治療的理想器材，具有固定牢靠、彈性模量低、力學(xué)性能佳、可降解等特性，無(wú)需再次手術(shù)取出，具有良好的應(yīng)用前景及臨床價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】肋骨骨折； 鎂鋅合金； 固定器； 動(dòng)物模型； 犬

作者單位： 200080 上海，上海第一人民醫(yī)院胸外科(秦雄，陳熹，蘇宜江)； 200003 上海，上海長(zhǎng)征醫(yī)院胸外科(閔捷，唐華，徐志飛)； 200240 上海，上海交通大學(xué)材料學(xué)院(張紹翔，張小農(nóng))

肋骨骨折在胸部創(chuàng)傷中很常見(jiàn)，多根多處肋骨骨折可導(dǎo)致連枷胸，嚴(yán)重影響呼吸循環(huán)功能。積極的手術(shù)治療不僅可以固定骨折部位，促進(jìn)骨折的愈合，更能保持呼吸、循環(huán)功能的穩(wěn)定，減少肺部并發(fā)癥。筆者與上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院合作，在充分研究了肋骨生物力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，研制了一種新型可降解鎂鋅合金肋骨固定器。本實(shí)驗(yàn)旨在探討新型可降解鎂合金肋骨固定器在肋骨骨折切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定術(shù)中的可行性、安全性及其降解過(guò)程，為臨床應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

材料與方法

1制備可降解鎂鋅合金肋骨固定器

選材全部由營(yíng)養(yǎng)元素組成的醫(yī)用可降解鎂鋅系合金材料構(gòu)成[原理：Mg+2H2O=Mg2++H2+2OH-鎂的高負(fù)電極位(-2.37eV),決定了鎂與水的易反應(yīng)性]，去除了鋁、稀土等毒性元素對(duì)人體的潛在危害性。鎂鋅金屬材料在體內(nèi)的中間和最終降解產(chǎn)物均能被人體分解、吸收或代謝，且對(duì)人體無(wú)毒、無(wú)致癌性、無(wú)致畸變性等，生物相容性良好。

L-929 細(xì)胞毒性(MTT)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同濃度鎂鋅合金浸提液對(duì)L-929細(xì)胞增殖均沒(méi)有造成影響。根據(jù)ISO 10993-5:1999標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)胞毒性可以定為0～1級(jí)，表明鎂鋅合金對(duì)L-929細(xì)胞無(wú)明顯細(xì)胞毒性(圖1)。

*P>0.05

根據(jù)比格犬肋骨外形結(jié)構(gòu)、力學(xué)及生物特點(diǎn)進(jìn)行形狀設(shè)計(jì)，以減少對(duì)肋間肌、血管及神經(jīng)的損傷?？山到怄V鋅合金肋骨固定器由4組爪型固定部和3組連接部構(gòu)成的一體成型板,長(zhǎng)為35mm，高為8mm，寬度約12mm(圖2)，具有一定的彎曲弧度，能夠與肋骨貼合塑性，外表面做粗糙化處理，增大骨-植入物的界面摩擦力，提高肋骨內(nèi)固定效果。

圖2　可降解鎂鋅合金肋骨固定器結(jié)構(gòu)圖

2構(gòu)建犬肋骨骨折動(dòng)物模型

實(shí)驗(yàn)用比格犬15只，體重12kg以上，12月齡，雌雄不限。實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)動(dòng)物的處置符合動(dòng)物倫理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，研究方案獲得動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。構(gòu)建犬肋骨骨折動(dòng)物模型。將15只比格犬隨機(jī)分為鎂鋅合金組和對(duì)照組。鎂鋅合金組(10只)行可降解鎂鋅合金肋骨固定器固定,對(duì)照組(5只)行鋼板內(nèi)固定。術(shù)前1d禁食，8h禁水，戊巴比妥鈉靜脈麻醉后氣管內(nèi)插管，機(jī)械通氣。取仰臥位，右側(cè)胸廓備皮，消毒鋪巾，沿第六肋骨切開(kāi)皮膚長(zhǎng)約5cm，切開(kāi)肋間肌顯露肋骨，用咬骨鉗鉗斷第六肋骨，徹底止血后將可降解鎂鋅合金肋骨環(huán)抱器依據(jù)肋骨曲度塑形。采用常州華森肋骨固定器械對(duì)骨折處包繞固定(圖3)，固定時(shí)確保斷端對(duì)位良好，固定牢靠后逐層縫合。術(shù)后1周內(nèi)予青霉素80萬(wàn)U肌注，1次/d。

圖3　構(gòu)建犬肋骨骨折切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定動(dòng)物模型

3術(shù)后觀察及檢查

3.1一般情況及外周血生化檢查術(shù)后1、4、12周，觀察犬飲食、活動(dòng)、體重變化，并觀察出血、傷口感染以及死亡等發(fā)生情況。全部實(shí)驗(yàn)犬進(jìn)行血液生化檢查，觀察血清鎂離子、尿素氮、肌酐、谷丙轉(zhuǎn)氨酶和肌酸激酶的數(shù)值變化。

3.2胸部CT檢查術(shù)后2、6、12周，全部實(shí)驗(yàn)犬進(jìn)行胸部CT檢查，并對(duì)胸廓進(jìn)行CT三維重建。

3.3骨折端大體標(biāo)本及HE染色術(shù)后4、8、12周，按計(jì)劃處死實(shí)驗(yàn)犬，觀察肋骨大體標(biāo)本及鎂鋅合金固定器降解情況，在骨折端取約為1cm2的骨痂作為標(biāo)本,制作成7～8μm切片并做HE染色，觀察骨折愈合和炎性浸潤(rùn)情況。

4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

結(jié)果

1術(shù)后一般情況及并發(fā)癥

所有15例實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的手術(shù)均順利完成，無(wú)圍手術(shù)期死亡。兩組實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)食良好，活動(dòng)正常，組間無(wú)明顯差異。各時(shí)間點(diǎn)對(duì)比觀察兩組比格犬的體重，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。對(duì)照組無(wú)切口感染，1例鎂鋅合金組犬出現(xiàn)局部切口感染伴積氣，予以局部抽液引流、抗炎補(bǔ)液治療后愈合。兩組均無(wú)出血等其他并發(fā)癥發(fā)生。

2外周血生化檢測(cè)結(jié)果

兩組實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在術(shù)前1d，術(shù)后1、4、12周，血清鎂離子濃度變化差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；尿素氮、肌酐、谷丙轉(zhuǎn)氨酶和肌酸激酶濃度變化差異也無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表1～3)。

±s)

±s)

±s)

3胸部CT檢查及三維重建結(jié)果

鎂鋅合金肋骨固定器采用可降解鎂鋅合金材料，在完全降解前可以在X線上顯影。術(shù)后2周，對(duì)照組和可降解鎂鋅合金組均固定牢靠，骨折斷端對(duì)位、對(duì)線良好，骨折線清晰可見(jiàn)，可降解鎂鋅合金固定器形態(tài)正常(圖4)。術(shù)后4周，兩組骨折端附近有骨痂形成，可降解鎂鋅合金組骨折斷段骨痂較對(duì)照組多。術(shù)后8周，兩組骨折斷端骨折線開(kāi)始模糊，骨痂增多，鎂鋅合金組可見(jiàn)鎂鋅合金固定器形態(tài)變小，與周圍組織分界模糊。術(shù)后12周，兩組均見(jiàn)骨折線消失，鎂鋅合金肋骨環(huán)抱器已分解消失，骨折愈合，弧度與原肋骨的弧度基本保持一致(圖5)。

圖4術(shù)后2周三維CT 圖5術(shù)后12周三維CT

4骨折斷段愈合及組織學(xué)觀察結(jié)果

術(shù)后8周處死實(shí)驗(yàn)組犬進(jìn)行解剖探查見(jiàn)包囊形成，構(gòu)成3～4mm厚堅(jiān)硬纖維組織層，與肋骨融合形成一個(gè)整體，肋骨外表面的鎂鋅合金金屬碎片融合在纖維結(jié)締組織內(nèi)，肉眼觀察鎂鋅合金表面失去原有金屬光澤且邊緣不清晰,呈小的碎塊狀或條索狀(圖6)。HE染色見(jiàn)包裹為纖維結(jié)締組織，含大量成纖維細(xì)胞、纖維母細(xì)胞和新生血管，骨質(zhì)增生，間隙中充滿骨髓組織；術(shù)后12周實(shí)驗(yàn)組大體標(biāo)本仍可見(jiàn)少量包囊纖維組織層，纖維結(jié)締組織內(nèi)未見(jiàn)鎂鋅合金金屬碎片，骨折斷段愈合良好(圖7)。組織學(xué)觀察可見(jiàn)規(guī)整的板層骨結(jié)構(gòu)，哈弗氏系統(tǒng)排列規(guī)整，有較多明顯的骨吸收腔。骨折斷段周圍炎癥反應(yīng)輕，兩組均未見(jiàn)中性粒細(xì)胞浸潤(rùn)和組織壞死，兩組間炎性反應(yīng)無(wú)明顯差異。

圖6 a.術(shù)后8周大體見(jiàn)鎂鋅合金碎片 b.HE染色纖維結(jié)締組織伴組織增生

圖7 a.術(shù)后12周大體見(jiàn)骨折斷段愈合良好 b. HE染色間隙充滿骨髓組織

討論

肋骨骨折在閉合性胸部創(chuàng)傷的發(fā)生率非常高，約占85%[1]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)切開(kāi)復(fù)位內(nèi)固定治療多發(fā)肋骨骨折或連枷胸患者，有利于肺擴(kuò)張、肋骨解剖復(fù)位愈合和患者早期活動(dòng)，可以明顯減少住院時(shí)間、加速呼吸機(jī)脫機(jī)并減少肺部并發(fā)癥和畸形，取得了顯著的療效[2]。目前臨床上使用的內(nèi)固定器材多以鈦合金材料及鋼板為主，優(yōu)點(diǎn)是固定效果好，缺點(diǎn)是長(zhǎng)期留存體內(nèi)，需要二次手術(shù)取出，增加了患者的痛苦。理想的肋骨骨折內(nèi)固定器應(yīng)具備: (1) 良好的生物相容性，植入體內(nèi)無(wú)不良反應(yīng)； (2) 良好的力學(xué)強(qiáng)度，能夠維持骨折斷端的力學(xué)穩(wěn)定性； (3) 良好的生物可降解性，無(wú)需二次手術(shù)取出； (4) 良好的可塑形性，可滿足帶有弧度的肋骨骨折固定； (5) 穩(wěn)定的理化特性，經(jīng)各種加工、滅菌不影響其性能[3]。因此，研制出一種具備以上特征的肋骨骨折內(nèi)固定器是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。

鎂合金材料全部由營(yíng)養(yǎng)元素(Mg、Zn、Ca、Fe等)組成，鎂及鎂合金具有以下優(yōu)勢(shì)[4-8]:(1)具有良好的生物相容性：鎂是人體內(nèi)含量最多的陽(yáng)離子之一,是人體不可缺少的重要營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)神經(jīng)、肌肉、骨和心臟功能具有重要影響。幾乎參與人體內(nèi)所有的新陳代謝過(guò)程,可見(jiàn)鎂作為生物醫(yī)用材料具有良好的生物安全性基礎(chǔ)。(2)具有良好的生物可降解性：鎂及鎂合金具有很低的標(biāo)準(zhǔn)電極電位(-2.37V),在含有氯離子的人體生理環(huán)境中可腐蝕降解,在植入人體后隨著人體的自愈合而被吸收降解,無(wú)需二次手術(shù)取出。(3)具有良好的生物力學(xué)性能：鎂與鎂合金的密度約為1.7g/cm,與人骨密度(1.75g/cm)接近；鎂及鎂合金的彈性模量約為45GPa,更接近天然骨皮質(zhì)的彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度，能有效降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)，符合理想化肋骨內(nèi)固定器的要求。隨著人們對(duì)鎂合金的不斷深人研究，在控制鎂合金耐蝕性能和力學(xué)性能的技術(shù)方面得到很大的提高，研究者開(kāi)始進(jìn)一步開(kāi)展鎂及其合金作為外科植人材料的研究。2003年德國(guó)人研制了鎂鋅合金冠脈支架并在動(dòng)物體內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開(kāi)始了鎂鋅合金在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[9]。隨著對(duì)鎂鋅合金的不斷深入研究，在控制鎂鋅合金耐蝕性能和力學(xué)性能的技術(shù)方面得到很大的提高。本課題組對(duì)可降解鎂鋅合金的合金體系設(shè)計(jì)、材料制備、力學(xué)性能、降解性能以及表面功能涂層改性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究工作。前期研究提示，鎂鋅合金植入體內(nèi)8周開(kāi)始明顯降解，12周完全降解吸收，并有促進(jìn)新骨生成的作用，因此是研制肋骨骨折內(nèi)固定的理想材料[10-12]。

本研究所使用的肋骨固定器以鎂鋅合金作為基體，采用人體營(yíng)養(yǎng)元素Zn作為合金化元素，從而調(diào)整鎂鋅合金的降解速度以利于骨折愈合，同時(shí)合金化元素對(duì)人體無(wú)潛在的毒性，避免降解吸收對(duì)周圍組織的危害。前期研究發(fā)現(xiàn)鎂鋁合金能促進(jìn)骨組織形成，有利于界面成骨細(xì)胞排列，可顯著增加材料周圍骨質(zhì)密度[13]。通過(guò)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞表面整合素受體調(diào)節(jié)骨代謝，促進(jìn)成骨細(xì)胞在材料表明的黏附[14-15]。筆者的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：可降解鎂鋅合金肋骨固定器進(jìn)行肋骨骨折內(nèi)固定后，骨折斷端對(duì)位對(duì)線良好，鎂鋅合金組的骨痂生成較對(duì)照組增多，愈合時(shí)間與對(duì)照組無(wú)差異，并且其降解過(guò)程與骨折愈合時(shí)間相匹配，可達(dá)到與鋼板內(nèi)固定同樣的手術(shù)效果。新型可降解鎂鋅合金肋骨固定器具有固定牢靠、彈性模量低、力學(xué)性能佳、可降解等特性，無(wú)需再次手術(shù)取出，是肋骨骨折內(nèi)固定治療的理想器材，具有良好的應(yīng)用前景及臨床價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林強(qiáng).臨床胸部外科學(xué)[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2013.

[2] Nirula R,Diaz JJ Jr,Trunkey DD,et al.Rib fracture repair: indications,technical issues,and future directions[J].World J Surg,2009,33(1):14-22.

[3] Burg KJ,Porter S,Kellam JF.Biomaterial developments for bone tissue engineering[J].Biomaterials,2000，21(23):2347-2359.

[4] Zhang E,He W,Du H,et al.Microstructure,mechanical properties and corrosion properties of Mg-Zn-Y alloys with low Zn content[J].Mater Sci Eng A,2008,488(1-2):102-111.

[5] Wan Y,Xiong G,Luo H,et al.Preparation and characterization of a new biomedical magnesium-calcium alloy[J].Mater Design,2008,29(10):2034-2037.

[6] Witte F,Fischer J,Nellesen J,et al.In vitro and in vivo corrosion measurements of magnesium alloys[J].Biomaterials,2006,27(7):1013-1018.

[7] Zartner P,Cesnjevar R,Singer H,et al.First successful implantation of a biodegradable metal stent into the left pulmonary artery of a preterm baby[J].Catheter Cardiovasc Interv,2005,66(4):590-594.

[8] Witte F,Ulrich H,Rudert M,et al.Biodegradable magnesium scaffolds. Part I. Appropriate inflammatory response[J].J Biomed Mater Res A,2007,81A(3):748-756

[9] Heublein B,Rohde R,Kaese V,et al.Biocorrosion of magnesium alloys:a new principle in cardiovascular implant technology[J].Heart,2003,89(6):651-656.

[10] Liu CL,Wang YJ,Zeng RC,et al.In vitro corrosion degradation behaviour of Mg-Ca alloy in the presence of albumin[J].Cor Sci,2010,52(10):3341-3347.

[11] Yan J,Chen Y,Yuan Q,et al.Comparison of the effects of Mg-Zn and titanium on intestinal tract in vivo[J].J Mater Sci Mater Med,2013,24(6):1515-1525．

[12] Zhang SX,Zhang XN,Zhao CL.Research on an Mg-Zn alloy as a degradable biomaterial[J].Acta Biomaterialia,2010，6(5)：626-640.

[13] Li JN,Song Y,Zhang SX,et al.In vitro responses of human bone marrow stromal cells to a fluoridated hydroxyapatite coated biodegradable Mg-Zn alloy[J].Biomaterials,2010,31(22):5782-5788.

[14] Pietak A,Mahoney P,Dias GJ,et al.Bone-like matrix formation on magnesium and magnesium alloys[J]. J Mater Sci Mater Med,2008,19(1):407-415.

[15] Wang HX,Guan SK,Wang X,et al.In vitro degradation and mechancial integrity of Mg-Zn-Ca alloy coated with Ca-deficient hydroxyapatite by the pulse electrodeposition process[J].Acta Biomater,2010,6(5):1743-1748.

(本文編輯： 黃小英)

·臨床問(wèn)答·

問(wèn)題2： Plion骨折治療的注意事項(xiàng)

解答：Plion骨折治療方案中應(yīng)注意幾個(gè)方面的問(wèn)題：(1)注意保護(hù)骨折端及軟組織以避免進(jìn)一步損傷，防止皮膚壞死、骨外露及內(nèi)固定物外露等并發(fā)癥，使骨折盡快愈合；(2)盡量復(fù)位脛骨關(guān)節(jié)面，保持肢體長(zhǎng)度，復(fù)位固定下脛腓關(guān)節(jié)，缺損處使用自體骨或異體骨植骨；(3)對(duì)開(kāi)放性損傷患者有限使用內(nèi)固定，必要時(shí)聯(lián)合使用外固定架。

(李繼慶解放軍477醫(yī)院骨科，湖北 襄陽(yáng)410210)

作者單位： 455000 河南,安陽(yáng)市第三人民醫(yī)院骨科二病區(qū)

Animal experimental study of biodegradable Mg-Zn alloy rib contractor for rib fracture

QINXiong1，MINJie2，CHENXi1，TANGHua2，ZHANGShao-xiang3，ZHANGXiao-nong3,SUYi-jiang1，XUZhi-fei2

(1.Department of Thoracic Surgery,The First People’s Hospital,Shanghai200080,China; 2.Department of Thoracic Surgery,Changzheng Hospital,Shanghai200003,China; 3.Institute of Composite Materials of Shanghai Jiaotong University,Shanghai200240,China)

【Abstract】ObjectiveTo investigate the effects of biodegradable Mg-Zn alloy rib contractor in dogs with rib fracture, and try to find out the possibility of Mg-Zn alloy to be a new type of rib surgery fixation material. MethodsFifteen beagle dogs were used to establish the model of animal multiple ribs fracture. Ten dogs were divided into experimental(Mg-Zn alloy)group and another five in control(steel panel)group． A rib internal fixation was performed in each beagle dog. The postoperative complications，body weight，and blood biochemical test，and serum magnesium were compared between the two groups．Chest CT examination of each dog was performed at 2, 6, 12 weeks. The degradation of magnesium alloy were observed．The histopathological feasures of callus were examined in the two groups at 4, 8, 12 weeks． ResultsThere were no significant differences in body weight，postoperative complications，blood biochemical test between the two groups．One dog of experimental group was found of incision infection, and healed after some proper treatment. The histopathological examination showed that the rib healed well，and no dramatic inflammatory cell infiltration was observed at 12 weeks after operation．Chest CT examination showed that the rib fracture healed and Mg-Zn alloy could be degraded completely in the animal body within 12 weeks． ConclusionBiodegradable Mg-Zn alloy is feasible for rib internal fixation in beagle dogs. The degradation of Mg-Zn alloy does not harm the healing of rib fracture．Mg-Zn alloy rib contractor may be a candidate of biodegradable and safe material of contractor for rib fracture in human．

【Key words】rib fracture; Mg-Zn alloy; fixator; animal model; dogs

(收稿日期：2014-11-13； 修回日期： 2015-01-05)

通訊作者：徐志飛，E-mail:xu_zhi_fei@yahoo.com.cn

基金項(xiàng)目：上海市衛(wèi)生局科研課題(20114235)

【中圖分類號(hào)】R 683.1

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【DOI】 10.3969/j.issn.1009-4237.2016.02.010

文章編號(hào)：1009-4237(2016)02-0098-05