新型醫用可降解鎂合金（JDBM）螺釘的生物安全性研究

孔祥東 郝永強 王 磊 毛震揚 潘 偉 戴尅戎 袁廣銀

新型醫用可降解鎂合金（JDBM）螺釘的生物安全性研究

孔祥東 郝永強 王 磊 毛震揚 潘 偉 戴尅戎 袁廣銀

目的探討新型高性能醫用鎂合金（JDBM）的生物安全性，評估其對動物各臟器功能及局部的影響。方法建立新西蘭兔JDBM螺釘股骨植入模型，定時觀察傷口愈合及一般狀況。檢測血常規、凝血功能、肝腎功能、心功能及鈣磷鎂等，觀察材料植入后上述指標的變化。收集心、肝、脾、肺、腎及螺釘周圍肌肉軟組織標本，行HE染色，對各臟器進行組織學觀察。通過X線攝片觀察螺釘周圍骨質密度的改變，對螺釘的成骨性能進行初步分析。結果血液學檢測結果顯示，JDBM材料對血常規各項指標、凝血功能、肝腎功能及心功能等均無明顯影響；組織學觀察顯示，各臟器形態學上無明顯的病理性改變，同時也未引起局部肌肉軟組織的炎癥、異物反應；X線片顯示，螺釘周圍未見明顯氣體積聚，且降解速度較為緩慢，至6個月時，螺釘依然清晰可見，近骨皮質區見明顯的密度增高影，表明此處骨形成較活躍。結論JDBM是一種生物安全性良好的新型醫用可降解鎂合金材料。

鎂合金生物安全性內固定動物實驗

目前，骨科金屬內固定材料以鈦合金、不銹鋼、鈷鉻合金為主。同上述傳統的金屬材料相比，鎂合金因具有可降解性，有望成為理想的醫用內植入材料。

本研究所應用的新型高性能生物醫用鎂合金（Jiao Da Bio-Magnesium series,JDBM）是由上海交通大學材料學院研制的，具有完全自主知識產權的新型醫用可降解金屬材料，其組成以鎂鋅為主，同時含有少量釹（Nd）元素和鋯（Zr）元素。鎂和鋅是人體所必需的微量元素，無生物毒性，而Nd、Zr兩種元素含量非常低，研究已證實Zr對人體無明顯危害，而輕稀土元素Nd產生的輕微細胞毒性也是臨床可接受的。

本研究擬應用新西蘭兔建立JDBM螺釘植入模型，通過分析其在降解過程中外周血各項指標的變化、內臟的組織學改變、螺釘周圍骨生長狀況等，驗證JDBM材料在動物體內的生物安全性，為鎂合金螺釘在人體內的臨床應用提供安全性依據。

1 材料與方法

1.1 材料及實驗動物

植入材料：新型高性能生物醫用鎂合金（JDBM）由上海交通大學材料學院袁廣銀教授提供，并由上海浦衛醫療器械有限公司加工制作，分為帶鈣磷涂層及無涂層兩種，聚乳酸螺釘（Poly-L-lactic Acid，PLLA）由四川迪康公司提供。螺釘規格為3.5 mm×12 mm，采用環氧乙烷預消毒。

實驗動物及分組：12月齡新西蘭兔60只，雌雄不限，體質量＞2.0 Kg，由上海組織工程國家工程研究中心提供。隨機分為3組，分籠飼養并標記，每組各20只。A組：涂層JDBM組；B組：無涂層JDBM組；C組：聚乳酸螺釘組。

1.2 動物實驗模型的建立

新西蘭兔股骨植入螺釘模型：術前禁食48 h，通過耳緣靜脈注射戊巴比妥約30 mg/kg，動物麻醉后，剔除股骨遠端外側毛發，切開顯露股骨外側；鉆孔、擴髓后將各組螺釘依次植入并擰緊，逐層縫合切口，復蘇后觀察無殊后送返飼養房，術后青霉素40萬單位注射，連續3 d。

1.3 血清學檢測

于術后2周、1個月、3個月及6個月，從各組中隨機選取12只動物于耳緣靜脈采血5 m L，置入抗凝管內并搖勻，送實驗室通過Sysmex五分類血液分析儀、QuikRead go CRP-Test、Sysmex CA-1500全自動血凝儀、羅氏Cobas 6000生化免疫分析儀、博暉全血多元素分析儀等檢測全血細胞、C反應蛋白、凝血功能、血液中元素含量、肝腎功能、心肌酶等。

1.4 X線攝片觀察

于術后1個月、3個月及6個月對螺釘植入部位進行X線攝片觀察，觀察各組螺釘周圍的骨生長狀況，并觀察鎂合金螺釘周圍是否有氣體產生。

1.5 組織學觀察

于術后6個月時采集標本后，新鮮組織使用10%福爾馬林固定，隨后制作切片標本，使用光學顯微鏡觀察心、肝、脾、肺、腎、腦等重要臟器有無病理學改變，以及螺釘周圍肌肉及軟組織內有無病理改變及炎性細胞浸潤等。

1.6 統計方法

采用SPSS17.0軟件進行統計學分析，實驗數據以x±s表示。組間比較采用單因素方差分析，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 血清學檢測及結果分析

血常規、凝血功能、肝腎功能、心功能及鈣磷鎂的檢測結果顯示，3組材料植入體內2周、1個月、3個月及6月各項指標基本保持較為穩定的狀態（圖1），三組數據各時間段無統計學差別（P＞0.05）。

圖1 各組谷丙轉氨酶、肌酐、肌酸激酶同工酶及鎂離子變化Fig.1 Variation trends of ALT,Cr,CKMB,Mg2+in each group

2.2 重要內臟器官的組織學觀察

于術后6個月時隨機選取3只新西蘭兔處死，并取重要內臟器官（心、肝、脾、肺、腎、腦）及鄰近肌肉組織等作組織學切片并進行HE染色。通過光學顯微鏡觀察，心、肝、脾、肺、腎、腦在形態學上無明顯病理性改變。材料鄰近肌肉組織中沒有明顯的炎性細胞浸潤，肝腎等代謝器官未見明顯有害物質積聚（圖2）。

圖2 術后6個月各組重要臟器組織形態學觀察Fig.2 Histological observation of heart,kidney,liver, spleen,lung,brain and muscle tissues in each group 6 months after im plantation

2.3 影像學檢查

X線片觀察，涂層鎂合金組與無涂層鎂合金組未見明顯的氣體產生及積聚，提示JDBM鎂合金具有更加緩慢的降解速率。兩者在術后6個月時仍能顯示清晰的影像，表明材料的耐腐蝕性較好。聚乳酸組在X線下不顯影，但可見隧道形成。鎂合金材料在股骨外皮質可見新形成高密度影，聚乳酸組周圍未見明顯骨形成反應。肉眼觀察金屬均與骨組織結合良好，但聚乳酸螺釘已失去強度，相比之下，涂層鎂合金組及無涂層鎂合金組降解更慢。結果表明JDBM合金及其降解產物能促進骨形成（圖3）。

圖3 各組術后1、3、6個月X線表現Fig.3 The X-ray film s in each group 1,3 and 6 months after im plantation

3 ?討論

內植入物的應用在骨科相關疾病，尤其是骨折的治療中具有悠久的歷史。根據不同的疾病及不同的部位，選擇不同的內植入物進行治療，從而達到骨折復位固定、骨缺損修復及保留肢體功能等目的。但目前臨床應用的金屬內植物仍以不銹鋼及鈦合金等不可降解金屬材料為主[1-2]，隨著患者治療需求的不斷提高，現有材料已難以滿足臨床的需要。因此，研發新的具有體內降解性能，并兼具良好力學支撐性能的金屬內植入物材料十分必要，而以鎂合金為代表的新型醫用可降解金屬材料的研究備受關注[3]。

與傳統的金屬植入材料相比，JDBM具有以下特性：①良好的生物安全性。通過體外細胞毒性實驗未見明顯細胞毒性，同時可以促進成骨細胞增殖。鎂合金降解過程中釋放出的負電荷對血小板的排斥效應，使其具有抗血小板黏附性能[4]，相比其他金屬植入物更有優勢。②高強韌性。JDBM具有較高的強韌度，并仍保持較低的彈性模量[5]，受外力作用時應力分布更均勻，可以有效降低“應力遮擋效應”，減少局部骨質疏松和二次骨折的發生[6]。③降解行為的可控性。JDBM在模擬體液降解實驗中，合金表面均勻腐蝕，可控性良好，腐蝕速度約為0.35 mm/Y[7]，說明其具備良好的耐蝕性能，而JDBM的體內試驗表明其在體內180 d時仍有完整的形態，有效服役期可滿足骨折愈合需要（＞12周）[8]。

此外，鎂本身還具有抗菌、抗炎、抗腫瘤細胞等多種生理作用[9-11]。同時，由于其本身沒有磁性，在MRI檢查中不會引起周圍磁場失真而干擾成像，尤其適用于骨科臨床應用[12]。

JDBM作為一種新開發的醫學專用鎂合金材料，已被證實具有良好的促進骨形成的能力[13]，而我們發現在JDBM被植入體內后2周，X線上即可看到股骨遠端皮質區明顯影像密度增加的表現，此時對照組聚乳酸螺釘周圍卻未觀察到此現象，說明JDBM螺釘在植入早期即可明顯促進骨形成。在實驗后期，螺釘植入部位反應性增生的骨組織通過不斷的塑形逐漸減少，從而恢復正常的骨形態。

文獻證實，鎂或鎂合金材料在植入動物體內后，1～3周內易產生積氣，至2～3周后積氣逐漸減少甚至不再產生積氣[14]。而本研究顯示，JDBM螺釘在植入體內后始終未見明顯的積氣現象，結合X線表現，分析認為主要的原因是JDBM的降解速率得到了有效的控制，使得氣體產生緩慢且量比較少，通過體內循環系統可被迅速吸收，因而降低了鎂合金材料因積氣導致材料松動的風險。而當對JDBM鎂合金材料表面添加鈣磷涂層后，進一步隔絕了鎂與骨及周圍軟組織的接觸[15]，可進一步降低產氣，我們認為其產生的微量氣體對機體造成的影響可以忽略。

血清學檢測對JDBM體內安全性的評估尤為關鍵。材料植入體內后，血清鈣磷鎂的檢測發現，三者含量基本保持不變，說明JDBM在體內不會釋放大量的鎂離子，究其原因是該材料的降解速率得到了較好的控制。因而，動物的肝腎功能、心肌功能、凝血功能等均未發現明顯的異常。進一步組織切片也證實，實驗新西蘭兔的肝、腎、心、脾及肺等臟器均未出現明顯的病理改變，說明JDBM鎂合金應該不具有全身毒性的風險。此外，對鎂合金螺釘周圍肌肉組織的檢測發現，肌肉中沒有顯著的炎癥細胞浸潤，說明該材料同時也具有良好的局部組織相容性。

綜上所述，JDBM鎂合金螺釘體內降解速率減慢，能夠長時間在體內起到力學支撐性能，同時具備良好的生物安全性，是一種具有巨大臨床應用潛力的可降解醫用金屬材料。

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The Biosecurity of the High-Performance Biomedical Magnesium Alloy(JDBM)Screws

KONG Xiangdong1,HAO Yongqiang1,WANG Lei1,MAO Zhenyang1,PAN Wei1,DAI Kerong1,YUAN Guangyin2.
1 Department of Orthopedics, Shanghai Ninth People's Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200011,China;2 National Engineering Research Center of Light Alloy Net Form ing,School of Materials Science and Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China.Corresponding author:HAO Yongqiang(E-mail:hao_yongqiang@hotmail.com).

Objective To explore the safety of the new high-performance biomedical magnesium alloy(JDBM)in vivo and to evaluate its influence on functions of organs and local response.Methods New Zealand rabbits were used to build the JDBM magnesium alloy implantation model.Regular observation of wound healing and general condition was firstly carried out.And then blood specimen was collected to detect the blood routine,coagulation function,hepatic and renal functions,cardiac function and the content of calcium,phosphate and magnesium.The heart,liver,spleen,lung,kidney and muscle tissues around the screw were collected for HE staining to observe pathological changes.X-ray was carried out to observe the changes in bone density around the screw,and the osteogenesis property of screw was preliminarily analyzed. Results This new material had no effect on the results of blood routine index,coagulation function,hepatic function,renal function and cardiac function.NO pathological changes of organs were observed,and no inflammatory reaction of foreign body was detected in musculi parenchyma as well by histological detection.X-rays showed no significant gas accumulated around the screw and the screw degraded slowly.The screw was clearly visible six months after operation,and an apparent thickening was found near the bone cortex which hinted a relatively strong bone formation.Conclusion JDBM is a new kind of magnesium alloy material with good biosecurity.

Magnesium alloy;Biosafety;Internal fixation;Animal experiment

R687.3+2

A

1673－0364（2015）03－0124－04

10.3969/j.issn.1673-0364.2015.03.002

2015年4月12日；

2015年5月20日）

國家重點基礎研究發展計劃（973項目，2012CB619101），上海交通大學醫工交叉重點項目（YG2011ZD06）。

200011上海市上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科（孔祥東，郝永強，王磊，毛震揚，潘偉，戴尅戎）；200240上海市上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心（袁廣銀）。

郝永強（E-mail：hao_yongqiang@hotmail.com）。