可降解镁锌合金肋骨固定器的设计、制备与动物实验研究

闵捷 陈熹 唐华 张绍翔 张小农 秦雄

可降解镁锌合金肋骨固定器的设计、制备与动物实验研究

闵捷1陈熹2唐华1张绍翔3张小农3秦雄2

目的 研究可降解镁锌合金肋骨固定器在肋骨切开复位内固定术中的固定效果及其降解愈合过程，为临床研究提供实验依据。方法 通过生物可降解镁合金材料的筛选与肋骨固定器的设计制备新型可降解镁锌合金肋骨固定器。选取15例Beagle犬构建犬肋骨骨折切开复位内固定动物模型，分为镁锌合金组(实验组，10例)和钢板固定组(对照组，5例)。比较两组犬切口反应、体重变化及并发症情况，术后2、4、8、12周行胸部CT检查，并对胸廓进行CT三维重建。术后4、8、12周，按计划处死实验犬，观察镁锌合金肋骨固定器的降解情况，对实验组骨痂及周围组织进行组织学观察。结果

镁锌合金肋骨内固定器; 肋骨骨折; 动物实验; 生物安全性

肋骨骨折在胸部外伤中很常见，多根多处肋骨骨折可导致连枷胸，严重影响呼吸循环功能。积极的手术治疗不仅可以固定骨折部位，促进骨折愈合，减少肺部并发症，更能保持呼吸、循环功能的稳定。我们与上海交通大学材料科学与工程学院合作，在充分研究了肋骨生物力学特性的基础上，研制了一种可降解镁锌合金肋骨固定器，在进行了系列生物相容性和生物安全性评价后开展了动物实验研究，现将结果报告如下。

材料与方法

一、可降解镁锌合金肋骨固定器的选材、设计与制备

镁锌合金由于具有较高的力学强度、良好的生物相容性，尤其是能够在水存在的条件下被腐蚀降解，逐步成为生物医药材料领域研究的热点内容。选材由全部营养元素组成的医用可降解镁锌系合金材料构成，去除了铝、稀土等毒性元素对人体的潜在危害性，镁锌金属材料在体内的中间和最终降解产物均能被人体分解、吸收或代谢，对人体无毒、无致癌性、无致畸变性等，生物相容性良好。Zn是人体重要的营养元素，与300多种酶正常功能密切相关，同时Zn也是镁锌合金的重要合金化元素，能够有效提供力学强度、调控降解速率。因此，本研究中采用镁锌合金作为肋骨固定器的材料(表1)。

表1 镁锌合金化学成分组成

合金经过350℃，保温2 h、淬火的固溶处理后进行热挤压。挤压温度250℃，挤压速率8mm/s，挤压后棒材直径12 mm，挤压比约为8∶1。图1为金相组织照片，经观察发现:组织由均匀细小的等轴晶组成，且未观察到明显的大块或连续析出相，具有宏观上比较均一的微观组织结构。力学性能:屈服强度167 MPa，抗拉强度279 MPa，延伸率20%，具有较高的综合塑韧性能。

图1 挤压态Mg-Zn合金金相

根据比格犬肋骨外形结构，所设计的可降解镁锌合金肋骨固定器是由4组爪型固定部和3组连接部构成的一体成型板。原材料板厚度1．5 mm;固定器长度35 mm，高度8 mm，宽度12 mm(图2)。同时外表面做粗糙化处理，增大骨-植入物的界面摩擦力，提高肋骨内固定效果。同时具有一定的弯曲弧度，能够与肋骨贴合塑性。

二、构建犬肋骨骨折切开复位内固定动物模型

实验用比格犬15只，体重12 kg以上，12月龄，雌雄不限，由第二军医大学实验动物中心提供，实验动物生产许可证:SCXK-(沪)2011—0006，实验动物使用许可证号:SYXK(沪)2011—0026。实验过程对动物的处置符合动物伦理学标准，研究方案获得动物伦理委员会批准。构建犬肋骨骨折动物模型，将15只比格犬随机分为镁锌合金组和对照组。镁锌合金组(n=10):即实验组，行可降解镁锌合金肋骨固定器固定;对照组(n=5):行钢板内固定。术中使用耗材及手术器械均于术前进行灭菌处理。手术过程保证无菌操作。

所有动物术前1d禁食，8h禁水，戊巴比妥钠静脉麻醉后气管内插管，机械通气，取仰卧位，右侧胸阔备皮，消毒铺巾，沿第6肋切开皮肤长约5 cm，切开肋间肌显露肋骨，用咬骨钳钳断第6肋骨，彻底止血后将可降解镁锌合金肋骨环抱器依据肋骨曲度塑形后，对骨折处进行包绕固定(图3)，固定时确保断端对位良好，固定牢靠后逐层缝合，局部包扎。术后1周内予青霉素80万IU肌注，1次/d。

三、术后观察及检查

1．一般情况:术后1、4和12周，观察犬饮食、活动、体重的变化，并观察出血、伤口感染以及死亡等发生情况。

2．胸部CT检查:术后2、4、8和12周，所有实验犬进行胸部 CT检查，并对胸廓进行 CT三维重建。

3．骨折断端大体标本及苏木精-伊红(HE)染色:术后4、8和12周，按计划处死实验犬，观察肋骨大体标本及镁锌合金固定器降解情况，在骨折断端取约为1 cm2的骨痂作为标本，制作成7～8 μm切片并做HE染色，观察骨折愈合和炎症浸润情况。

四、统计学方法

实验数据采用SPSS 18．0软件进行分析，动物的平均体重用x－±s表示，两组间不同时间点体重比较采用t检验，P＜0．05表示差异有统计学意义。

图2 可降解镁锌合金肋骨固定器结构图。2A为正面图;2B为侧面图 图3 构建犬肋骨骨折切开复位内固定动物模型

结果

一、术后一般情况及并发症

15例实验动物的手术均顺利完成，健康存活，无围手术期死亡。两组实验动物进食好，活动正常，组间差异无统计学意义。比较两组比格犬在不同时间点的体重，发现差异无统计学意义(表2)。对照组无切口感染，1例镁锌合金组犬出现局部切口感染伴积气，予以局部抽液引流、抗感染、补液治疗后愈合。两组均无出血等其他并发症发生。

二、胸部CT检查及三维重建结果

术后2周，对照组和可降解镁锌合金组均固定牢靠，骨折断端对位、对线良好，骨折线清晰可见，可降解镁锌合金固定器形态正常(图4A)。术后4周，两组骨折断端附近有骨痂形成，可降解镁锌合金组骨折断端骨痂较对照组多。术后8周，两组骨折断端骨折线开始模糊，骨痂增多，镁锌合金组可见镁锌合金固定器形态变小，与周围组织分界模糊。术后12周，两组均见骨折线消失，镁锌合金肋骨环抱器已分解消失，骨折愈合，弧度与原肋骨的弧度基本保持一致(图4B)。

表2 各时间点实验组与对照组犬体重比较(x－±s)

图4 植入可降解镁锌合金固定器犬术后三维CT图像。4A为术后2周;4B为术后12周

三、骨折断端愈合及组织学观察结果

术后8周处死实验组犬进行解剖探查，可见包囊形成，构成3～4mm厚坚硬纤维组织层，与肋骨融合形成一个整体，肋骨外表面的镁锌合金金属碎片融合在纤维结缔组织内，肉眼观察镁锌合金表面失去原有金属光泽且边缘不清晰，呈小的碎块状或条索状。HE染色见包裹为纤维结缔组织，含大量成纤维细胞、成纤维母细胞和新生血管，骨质增生，间隙中充满骨髓组织(图5);术后12周实验组大体标本仍可见少量包囊纤维组织层，纤维结缔组织内未见镁锌合金金属碎片，骨折断端愈合良好。组织学观察可见规整的板层骨结构，哈弗氏系统排列规整，有较多明显的骨吸收腔。骨折断端周围炎症反应轻，两组均未见中性粒细胞浸润和组织坏死，两组间炎症性反应无明显差异(图6)。

讨论

肋骨骨折在闭合性胸部创伤的发生率非常高，约占85%。近年来研究发现:经切开复位内固定治疗多发肋骨骨折或连枷胸，有利于患者肺扩张、肋骨解剖复位愈合及其早期活动，可以明显缩短住院时间、加速呼吸机脱机并降低肺部并发症和畸形的发生率，取得了显著的疗效［1］。目前临床上使用的内固定器材多以钛合金材料及钢板为主，优点是固定效果好;缺点是长期留存体内，需要二次手术取出，增加了患者的痛苦。理想的肋骨骨折内固定器应具备以下条件:(1)良好的生物相容性，植入体内无不良反应;(2)良好的力学强度，能够维持骨折断端的力学稳定性;(3)良好的生物可降解性，无须二次手术取出;(4)良好的可塑形性，可满足带有弧度的肋骨骨折固定;(5)稳定的理化特性，经各种加工、灭菌不影响其性能［2］。因此，研制出一种具备以上特征的肋骨骨折内固定器是今后发展的必然趋势。

2003年德国人研制了镁锌合金冠脉支架并在动物体内进行实验，开始了镁锌合金在生物医学领域的应用［3］。随着对镁锌合金研究的不断深入，在控制镁锌合金耐蚀性能和力学性能的技术方面取得了很大进展，研究者进一步开展了镁及其合金作为外科植入材料的研究［4］。我们使用的镁锌合金材料全部由营养元素(Mg、Zn、Ca和Fe等)组成，具有良好的生物相容性;其密度和弹性模量更接近天然骨皮质，具有良好的生物力学性能，能有效降低应力遮挡效应;在植入人体后随着人体的自愈合而被吸收降解，无须二次手术取出，具有良好的生物可降解性。本课题组对可降解镁锌合金的合金体系设计、材料制备、力学性能、降解性能以及表面功能涂层改性等方面进行了系统的基础研究工作。前期研究提示，镁锌合金植入体内8周开始明显降解，12周完全降解吸收，并有促进新骨生成的作用，因此是研制肋骨骨折内固定的理想材料［5］。在动物体内的研究表明，可降解镁锌合金环抱器对于血清镁离子、尿素氮和肌酐等没有明显影响，12周的降解过程中对于肝、肾、脾脏及心脏等重要器官也没有明显影响［6-7］。

本研究所使用的肋骨固定器以镁锌合金作为基体，采用人体营养元素Zn作为合金化元素，从而调整镁锌合金的降解速度以利于骨折愈合，同时合金化元素对人体无潜在毒性，避免降解吸收对周围组织的危害。动物实验结果显示:可降解镁锌合金肋骨固定器进行肋骨骨折内固定后，骨折断端对位对线良好，镁锌合金组的骨痂生成较对照组增多，愈合时间与对照组无差异，并且其降解过程与骨折愈合时间相匹配，可达到与钢板内固定同样的手术效果，是肋骨骨折内固定治疗的理想器材，具有良好的应用前景及临床价值。前期研究发现:镁铝合金能促进骨组织形成，有利于界面成骨细胞排列，可显著增加材料周围骨质密度［8］。通过成骨细胞和破骨细胞表面整合素受体调节骨代谢，促进成骨细胞在材料表明的黏附［9-10］。本组镁锌合金实验犬中，有一例肋骨骨折愈合处出现局部明显增生，质地坚硬，体积约1．5cm×2．0cm×2．0cm。病理切片证实为骨质增生。我们推测，骨质过度增生的原因主要是镁锌合金降解速度过快，镁离子在局部的浓度持续增高，从而刺激成骨细胞过度增生。下一步我们将调整镁锌合金肋骨固定器的合金比例，将镁离子释放的速率控制在合适的范围内，再次验证镁锌合金对于骨折断端的骨增生是否存在过度刺激作用。

图5 植入可降解镁锌合金固定器犬术后8周大体和组织学观察结果。5A为镁锌合金碎片;5B为HE染色后见纤维结缔组织伴组织增生，×200 图6 植入可降解镁锌合金固定器大术后12周犬体和组织学观察结果。6A为骨折断端愈合良好;6B为HE染色间隙充满骨髓组织，×200

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Design，preparation and animal experimental study of biodegradable Mg-Zn alloy rib contractor

Min Jie1，Chen Xi2，Tang Hua1，Zhang Shaoxiang3，Zhang Xiaonong3，Qin Xiong2．1Department of Thoracic Surgery，Changzheng Hospital，the Second Military Medical University，Shanghai 200003，China;2Department of Thoracic Surgery，First People’s Hospital，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200080，China;3School of Materials Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China

Qin Xiong，Email:q-x@263．net

Objective To investigate the effects of biodegradable Mg-Zn alloy rib contractor in rib internal fixation and its degradation process，in order to provide experimental evidence for clinical study．Methods The novel biodegradable Mg-Zn alloy rib contractor was prepared．Fifteen Beagle dogs were used to establish the model of animal multiple ribs fracture，and were divided into Mg-Zn alloy group(experiment group，n=10)and steel panel group(control group，n=5)．Rib internal fixation was performed in each dog．The incision reaction，body weight and incidences of postoperative complications were compared between two groups．Chest CT examinations were performed 2，4，8 and 12 weeks after operation，and CT three dimensional reconstruction of thoracic cage was done．The dogs were sacrificed 4，8 and 12 weeks after operation，the degradation of Mg-Zn alloy rib contractor was observed，and the histopathological features of callus were examined in experiment group．Results There was no perioperative death in two groups，and there was no significant difference in body weight and incidences of postoperative complications between two groups．Incision infection occurred in one dog in experiment group，which was healed after proper management．Twelve weeks after operation，HE staining demonstratedexamination and three-dimensional reconstruction indicated that the rib fracture was healed and Mg-Zn alloy was completely degraded．Conclusion Biodegradable Mg-Zn alloy is feasible for rib internal fixation，with no unfavorable effect on the surrounding tissues，which may have a good clinical prospect．

Mg-Zn alloy rib internal contractor; Rrib fracture; Animal study; Biosafety

2014-12-09)

(本文编辑:周珠凤)

10．3877/cma．j．issn．2095-8773．2015．01．011基金项目:上海市卫生局科研资助项目(20114235)

200003 上海，第二军医大学附属长征医院胸外科1;200080 上海交通大学附属第一人民医院胸外科2;200240 上海交通大学材料科学与工程学院3

秦雄，Email:q-x@263．net

that the rib fracture was healed，with unclear borderline and no inflammatory cell infiltration．Chest CT

两组犬均无围手术期死亡，体重变化、活动情况均无差异;1例镁锌合金组犬出现局部切口感染伴积气，予以局部抽液引流、抗感染补液治疗后愈合。术后12周，苏木精-伊红(HE)染色见肋骨骨折已经愈合，界限不清，无炎症细胞浸润;胸部CT检查及三维重建示骨折断端愈合良好，镁锌合金肋骨环抱器已完全降解。结论 可降解镁锌合金肋骨固定器是肋骨骨折内固定治疗的理想器材，降解过程中对骨折周围组织无不良影响，无须再次手术取出，具有良好的应用前景及临床价值。

闵捷，陈熹，唐华，等．可降解镁锌合金肋骨固定器的设计、制备与动物实验研究［J/CD］．中华胸部外科电子杂志，2015，1 (1):63-68．