微弧氧化表面處理的ZK60鎂合金在大鼠體內(nèi)的降解行為及生物相容性研究.pdf

1、背景：
　　目前用于臨床骨折、骨缺損治療的生物材料主要有金屬材料、可降解高分子聚合物以及自體骨、異體骨自然骨等。鈦合金、不銹鋼等金屬材料由于腐蝕及磨損等原因會(huì)在體內(nèi)釋放大量毒性離子及碎屑,導(dǎo)致過敏反應(yīng)、致癌作用;其彈性模量遠(yuǎn)高于正常骨,造成應(yīng)力遮擋效應(yīng)并導(dǎo)致植入物周圍骨質(zhì)疏松甚至再次骨折;骨折愈合后,需二次手術(shù)取出內(nèi)固定材料,給患者帶來額外的痛苦以及經(jīng)濟(jì)上的負(fù)擔(dān)?？山到飧叻肿泳酆衔锶缇廴樗?PLA)等力學(xué)性能較差,降解速度不可控,

2、力學(xué)性能衰減迅速,降解產(chǎn)物有炎性刺激作用,可導(dǎo)致延遲組織愈合。用于骨缺損治療的自體骨數(shù)量有限;異體骨價(jià)格昂貴,還存在免疫排斥、成骨活較差的缺點(diǎn)。近年來,鎂及鎂合金作為一種金屬可降解材料引起了越來越多的關(guān)注。鎂及其合金具有活躍的化學(xué)性能,能夠在生理環(huán)境下以電腐蝕的方式自然降解,產(chǎn)物鎂離子是人體必需金屬元素之一;鎂合金的彈性模量更接近自然骨,有效避免應(yīng)力遮擋效應(yīng);鎂還具有誘導(dǎo)成骨,促進(jìn)骨折的愈合作用。在眾多種類的鎂合金中,擠壓態(tài)鎂合金ZK6

3、0在體外實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性及生物相容性;微弧氧化表面處理(micro-arcoxidation,MAO)是提高鎂合金抗腐蝕性的方法之一,在體外實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的抗腐蝕性和血液生物相容性;二者目前均缺乏體內(nèi)研究的報(bào)道。目前可降解鎂合金的體內(nèi)研究多集中在皮質(zhì)骨釘?shù)慕到庋芯?但缺乏統(tǒng)一的動(dòng)物模型標(biāo)準(zhǔn),鎂合金材料的優(yōu)劣無法進(jìn)行比較;此外由于皮質(zhì)骨密度大、強(qiáng)度高、血運(yùn)較差,且不能完全包埋實(shí)驗(yàn)材料,不能客觀評(píng)估材料的降解特性及生物相容性,觀

4、察鎂合金材料在松質(zhì)骨降解的體內(nèi)研究更有意義?；谏鲜鲈?本研究致力于建立用于可降解鎂合金松質(zhì)骨內(nèi)降解的簡(jiǎn)便、統(tǒng)一、有效的小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?通過模型研究MAO-ZK60鎂合金的體內(nèi)降解行為,并以臨床使用的PLLA作對(duì)照,評(píng)估MAO-ZK60的成骨性能及生物相容性。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為如下三個(gè)部分:
　　第一部分：可降解鎂合金填充松質(zhì)骨缺損的動(dòng)物模型建立
　　目的：
　　建立簡(jiǎn)便、統(tǒng)一、有效的可降解鎂合金材料填充股骨遠(yuǎn)端松質(zhì)骨

5、缺損的大鼠模型。
　　方法：
　　將5只雄性SD大鼠右側(cè)股骨遠(yuǎn)端的Micro-CT掃描結(jié)果導(dǎo)入分析軟件進(jìn)行三維重建,設(shè)置松質(zhì)骨缺損圓柱體興趣區(qū)(Regionofinterest,ROI)圓心為內(nèi)上髁最高點(diǎn),長軸與通髁線重合,調(diào)整并記錄ROI的最大直徑及最大長度以確定缺損區(qū)的大小。制備實(shí)驗(yàn)材料:MAO-ZK60、ZK60及左旋聚乳酸骨釘(poly-L-lacticacid,PLLA)。將實(shí)驗(yàn)材料植入大鼠缺損區(qū),評(píng)估模型構(gòu)建效果

6、。
　　結(jié)果
　　根據(jù)圓柱體ROI測(cè)量結(jié)果,結(jié)合PLLA的商品規(guī)格及方便手術(shù)操作,選定骨缺損造模區(qū)沿通髁線方向,尺寸為Φ2×6mm。根據(jù)造模區(qū)大小制備相同規(guī)格的實(shí)驗(yàn)材料并將實(shí)驗(yàn)材料分別植入3組、每組6只大鼠模型中,手術(shù)操作簡(jiǎn)便,定位及填充物植入容易,可重復(fù)性好。術(shù)后2周Micro-CT掃描顯示1例因骨缺損區(qū)靠前而導(dǎo)致植入材料外露,其余內(nèi)植材料完全包埋于大鼠股骨遠(yuǎn)端松質(zhì)骨中,且固定牢靠無位移,周圍未出現(xiàn)骨折。造模成功率94.4

7、4％。
　　結(jié)論：
　　可降解鎂合金填充松質(zhì)骨缺損的大鼠模型造模過程操作簡(jiǎn)便,成功率高,術(shù)后觀察中模型穩(wěn)定,是研究可降解鎂合金體內(nèi)降解的良好載體。
　　第二部分：微弧氧化表面處理對(duì)ZK60鎂合金抗腐蝕性影響的體內(nèi)研究
　　目的：
　　研究ZK60鎂合金在大鼠松質(zhì)骨的體內(nèi)降解行為及MAO的保護(hù)作用。
　　方法：
　　將Φ2×6mm的MAO-ZK60及未表面處理的ZK60鎂合金,按照第一部分方法,植

8、入2組每組6只SD大鼠右側(cè)股骨遠(yuǎn)端松質(zhì)骨缺損區(qū),術(shù)后當(dāng)天、2周、4周、8周及12周進(jìn)行活體Micro-CT掃描,術(shù)后26周取材并對(duì)樣本進(jìn)行Micro-CT掃描。對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行三維重建,分析不同時(shí)間點(diǎn)材料外形變化。通過測(cè)量不同時(shí)間點(diǎn)材料剩余體積,計(jì)算材料的降解率,用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法比較兩組間差異。
　　結(jié)果：
　　術(shù)后2周發(fā)現(xiàn)兩種材料表面均出現(xiàn)降解,隨植入時(shí)間延長范圍逐漸擴(kuò)大,8周時(shí)材料主體已不完整。MAO-ZK60在12周和26周

9、分別降解了初始體積的60.8%和73.3%,ZK60分別降解了72.3%和85.0%。MAO-ZK60與ZK60的降解率隨著植入時(shí)間的延長逐漸降低,且MAO-ZK60組的降解率明顯低于對(duì)照組。植入26周后MAO-ZK60和ZK60的降解率分別為0.58±0.05mm?y-1和0.67±0.04mm?y-1,微弧氧化處理可以降低ZK60鎂合金約13.8%的降解率。
　　結(jié)論
　　ZK60材料在松質(zhì)骨內(nèi)表現(xiàn)出良好的降解性,降解率

10、隨著植入時(shí)間逐漸下降。微弧氧化表面處理能明顯降低ZK60的體內(nèi)降解率,表現(xiàn)出良好的保護(hù)作用。
　　第三部分：微弧氧化表面處理的ZK60鎂合金體內(nèi)成骨性能及生物相容性研究
　　目的：
　　研究MAO-ZK60鎂合金的體內(nèi)成骨性能及生物相容性
　　方法：
　　將Φ2×6mm的MAO-ZK60、ZK60鎂合金以及PLLA,按照第一部分方法,植入3組SD大鼠右側(cè)股骨遠(yuǎn)端松質(zhì)骨缺損區(qū),于術(shù)后2周、12周、26周對(duì)植入

11、區(qū)進(jìn)行Micro-CT掃描,觀察植入材料周圍松質(zhì)骨反應(yīng)情況。術(shù)后26周取材后,將樣本進(jìn)行不脫鈣骨標(biāo)本制備,分別進(jìn)行組織學(xué)分析和元素分布分析,觀察新骨生成情況并分析成骨原因。于術(shù)前、術(shù)后2周、12周、26周檢測(cè)血清離子濃度、肝功能、腎功能指標(biāo)。術(shù)后26周對(duì)心、肝、脾、肺、腎等重要內(nèi)臟器官組織進(jìn)行病理學(xué)觀察。
　　結(jié)果：
　　Micro-CT掃描2D橫斷面顯示:術(shù)后2周兩組鎂合金材料周圍均因松質(zhì)骨壞死溶解出現(xiàn)氣體空腔;26周兩種

12、鎂合金材料周圍均出現(xiàn)一層較厚的高密度鞘,考慮為新生骨;PLLA在以上三個(gè)時(shí)間點(diǎn)均與周圍骨組織緊密連接,無氣腔產(chǎn)生,周圍可見少量新生骨痂。組織學(xué)觀察可見兩組鎂合金周圍均有大量新骨生成,新骨與材料連接不緊密;PLLA周圍被結(jié)締組織包繞,外周可見少量骨痂,材料內(nèi)部未見骨組織長入。元素分布圖顯示:殘余MAO-ZK60材料周圍可見明顯Ca、P元素濃聚區(qū),提示新骨的生成;PLLA植入?yún)^(qū)無明顯Ca、P元素濃聚區(qū)。三組大鼠肝功能指標(biāo)GOT、GPT部分值