微弧氧化表面处理的ZK60镁合金在大鼠体内的降解行为及生物相容性研究

发布时间：2019-09-24 00:50

【摘要】：背景目前用于临床骨折、骨缺损治疗的生物材料主要有金属材料、可降解高分子聚合物以及自体骨、异体骨自然骨等。钛合金、不锈钢等金属材料由于腐蚀及磨损等原因会在体内释放大量毒性离子及碎屑，导致过敏反应、致癌作用；其弹性模量远高于正常骨，造成应力遮挡效应并导致植入物周围骨质疏松甚至再次骨折；骨折愈合后，需二次手术取出内固定材料，给患者带来额外的痛苦以及经济上的负担。可降解高分子聚合物如聚乳酸（PLA）等力学性能较差，降解速度不可控，力学性能衰减迅速，降解产物有炎性刺激作用，可导致延迟组织愈合。用于骨缺损治疗的自体骨数量有限；异体骨价格昂贵，还存在免疫排斥、成骨活较差的缺点。近年来，镁及镁合金作为一种金属可降解材料引起了越来越多的关注。镁及其合金具有活跃的化学性能，能够在生理环境下以电腐蚀的方式自然降解，产物镁离子是人体必需金属元素之一；镁合金的弹性模量更接近自然骨，有效避免应力遮挡效应；镁还具有诱导成骨，促进骨折的愈合作用。在众多种类的镁合金中，挤压态镁合金ZK60在体外实验中表现出良好的抗腐蚀性及生物相容性；微弧氧化表面处理（micro-arc oxidation，MAO）是提高镁合金抗腐蚀性的方法之一，在体外实验中表现出良好的抗腐蚀性和血液生物相容性；二者目前均缺乏体内研究的报道。目前可降解镁合金的体内研究多集中在皮质骨钉的降解研究，但缺乏统一的动物模型标准，镁合金材料的优劣无法进行比较；此外由于皮质骨密度大、强度高、血运较差，且不能完全包埋实验材料，不能客观评估材料的降解特性及生物相容性，观察镁合金材料在松质骨降解的体内研究更有意义。基于上述原因，本研究致力于建立用于可降解镁合金松质骨内降解的简便、统一、有效的小动物实验模型，通过模型研究MAO-ZK60镁合金的体内降解行为，并以临床使用的PLLA作对照，评估MAO-ZK60的成骨性能及生物相容性。具体实验内容分为如下三个部分：第一部分可降解镁合金填充松质骨缺损的动物模型建立目的建立简便、统一、有效的可降解镁合金材料填充股骨远端松质骨缺损的大鼠模型。方法将5只雄性SD大鼠右侧股骨远端的Micro-CT扫描结果导入分析软件进行三维重建，设置松质骨缺损圆柱体兴趣区（Region of interest，ROI）圆心为内上髁最高点，长轴与通髁线重合，调整并记录ROI的最大直径及最大长度以确定缺损区的大小。制备实验材料：MAO-ZK60、ZK60及左旋聚乳酸骨钉（poly-L-lactic acid，PLLA）。将实验材料植入大鼠缺损区，评估模型构建效果。结果根据圆柱体ROI测量结果，结合PLLA的商品规格及方便手术操作，选定骨缺损造模区沿通髁线方向，尺寸为Φ2×6mm。根据造模区大小制备相同规格的实验材料并将实验材料分别植入3组、每组6只大鼠模型中，手术操作简便，定位及填充物植入容易，可重复性好。术后2周Micro-CT扫描显示1例因骨缺损区靠前而导致植入材料外露，，其余内植材料完全包埋于大鼠股骨远端松质骨中，且固定牢靠无位移，周围未出现骨折。造模成功率94.44%。结论可降解镁合金填充松质骨缺损的大鼠模型造模过程操作简便，成功率高，术后观察中模型稳定，是研究可降解镁合金体内降解的良好载体。第二部分微弧氧化表面处理对ZK60镁合金抗腐蚀性影响的体内研究目的研究ZK60镁合金在大鼠松质骨的体内降解行为及MAO的保护作用。方法将Φ2×6mm的MAO-ZK60及未表面处理的ZK60镁合金，按照第一部分方法，植入2组每组6只SD大鼠右侧股骨远端松质骨缺损区,术后当天、2周、4周、8周及12周进行活体Micro-CT扫描，术后26周取材并对样本进行Micro-CT扫描。对扫描结果进行三维重建，分析不同时间点材料外形变化。通过测量不同时间点材料剩余体积，计算材料的降解率，用统计学方法比较两组间差异。结果术后2周发现两种材料表面均出现降解，随植入时间延长范围逐渐扩大，8周时材料主体已不完整。MAO-ZK60在12周和26周分别降解了初始体积的60.8%和73.3%，ZK60分别降解了72.3%和85.0%。MAO-ZK60与ZK60的降解率随着植入时间的延长逐渐降低，且MAO-ZK60组的降解率明显低于对照组。植入26周后MAO-ZK60和ZK60的降解率分别为0.58±0.05mm y-1和0.67±0.04mm y-1，微弧氧化处理可以降低ZK60镁合金约13.8%的降解率。结论 ZK60材料在松质骨内表现出良好的降解性，降解率随着植入时间逐渐下降。微弧氧化表面处理能明显降低ZK60的体内降解率，表现出良好的保护作用。第三部分微弧氧化表面处理的ZK60镁合金体内成骨性能及生物相容性研究目的研究MAO-ZK60镁合金的体内成骨性能及生物相容性方法将Φ2×6mm的MAO-ZK60、ZK60镁合金以及PLLA，按照第一部分方法，植入3组SD大鼠右侧股骨远端松质骨缺损区，于术后2周、12周、26周对植入区进行Micro-CT扫描，观察植入材料周围松质骨反应情况。术后26周取材后，将样本进行不脱钙骨标本制备，分别进行组织学分析和元素分布分析，观察新骨生成情况并分析成骨原因。于术前、术后2周、12周、26周检测血清离子浓度、肝功能、肾功能指标。术后26周对心、肝、脾、肺、肾等重要内脏器官组织进行病理学观察。结果 Micro-CT扫描2D横断面显示：术后2周两组镁合金材料周围均因松质骨坏死溶解出现气体空腔；26周两种镁合金材料周围均出现一层较厚的高密度鞘，考虑为新生骨；PLLA在以上三个时间点均与周围骨组织紧密连接，无气腔产生，周围可见少量新生骨痂。组织学观察可见两组镁合金周围均有大量新骨生成，新骨与材料连接不紧密；PLLA周围被结缔组织包绕，外周可见少量骨痂，材料内部未见骨组织长入。元素分布图显示：残余MAO-ZK60材料周围可见明显Ca、P元素浓聚区，提示新骨的生成；PLLA植入区无明显Ca、P元素浓聚区。三组大鼠肝功能指标GOT、GPT部分值超出参考范围，但三组各时间点间无统计学差异；血清K离子均高于参考范围，但三组各时间点无统计学差异；其余检测结果均在参考值范围内。三组大鼠的心、肝、脾、肺、肾组织病理学观察均未见明显异常。结论与PLLA相比，MAO-ZK60与ZK60镁合金材料均表现出良好的骨诱导、骨传导活性；虽然植入早期有溶骨现象出现，但大鼠肝、肾功能及血清离子浓度无明显影响，对重要内脏器官亦无损伤，表现出了良好的生物相容性。
【图文】：

分析软件,大鼠

图 2 MicroView2.1 分析软件1.3 Micro-CT 对大鼠股骨远端松质骨缺损兴趣区的测量大鼠在性成熟后骨骼继续发育（骨骺不闭合），参考大鼠的这一生长发育规律，结合我们的实验要求和目的，选择 2 月龄左右大鼠进行实验。将大鼠用戊巴比妥钠（1%）腹腔注射（1ml/200g）麻醉，用 Micro-CT 机对大鼠右侧股骨下段进行扫描，并将扫描所得连续图像导入 MicroView2.1 软件进行分析。调整图像使 Z 轴与通髁线平行，设置兴趣区（Region of interest，ROI）为圆柱体，设置与 Y 值相等使横截面为正圆形，设置单位为 mm。为方便术中定位，我们调整圆柱体 ROI 以内上髁最高点为圆心，长轴与通髁线重合，调整直径及长度的大小使其在不同矢状层面均位于松质骨内，记录圆柱体的最大直径及最大长度。该操作分别由 3 人独立完成，取平均值。如图 3 所示，a、b、c 分别为经股骨外侧髁髁间窝、内侧髁矢状位图形及松质骨缺损选区的位置（黄色 ROI）。

松质骨,股骨远端,选区,3D重建

图 3 大鼠股骨远端 3D 重建图形及松质骨缺损选区的位置2. 结果1 松质骨缺损 ROI 的测量结果5 具 2 月龄 SD 雄性大鼠右侧股骨远端的松质骨缺损 ROI 测量结果：以通为长轴，最大半径为（2.42±0.19）mm，最大长度为（6.32±0.32）mm，见表据实验要求，结合本课题所选用的对照组材料左旋聚乳酸骨钉（poly-L-lacid（PLLA），SMART pins，Linvatec；Conmed Corp.，Largo，FL）的临床使格，我们选择 Φ2×6mm 作为松质骨缺损区的尺寸。
【学位授予单位】：中国人民解放军医学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.08

【参考文献】