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用于肋骨骨折內(nèi)固定的動物實驗研究

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)建犬肋骨骨折動物模型，研究新型可降解鎂鋅合金肋骨固定器在切開復位內(nèi)固定術(shù)中的固定效果及其降解愈合過程。方法實驗用比格犬15只，體重12kg以上，12月齡，雌雄不限，構(gòu)建犬肋骨骨折切開復位內(nèi)固定動物模型，分為鎂鋅合金組(10只)和鋼板固定對照組(5只)，比較兩組飲食、活動、切口反應、體重變化及血液生化檢查，術(shù)后2、6、12周行胸部CT檢查，并對胸廓進行CT三維重建。術(shù)后4、8、12周，按計劃處死實驗犬，觀察鎂鋅合金肋骨固定器的降解情況，對實驗組骨痂及周圍組織進行組織學觀察。結(jié)果兩組飲食、活動、體重變化、血生化檢查等差異均無統(tǒng)計學意義；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、抗炎補液治療后愈合。術(shù)后12周HE染色見肋骨骨折已經(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、力學性能佳、可降解等特性，無需再次手術(shù)取出，具有良好的應用前景及臨床價值。

【關(guān)鍵詞】肋骨骨折； 鎂鋅合金； 固定器； 動物模型； 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，上海長征醫(yī)院胸外科(閔捷，唐華，徐志飛)； 200240 上海，上海交通大學材料學院(張紹翔，張小農(nóng))

肋骨骨折在胸部創(chuàng)傷中很常見，多根多處肋骨骨折可導致連枷胸，嚴重影響呼吸循環(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材料科學與工程學院合作，在充分研究了肋骨生物力學特性的基礎(chǔ)上，研制了一種新型可降解鎂鋅合金肋骨固定器。本實驗旨在探討新型可降解鎂合金肋骨固定器在肋骨骨折切開復位內(nèi)固定術(shù)中的可行性、安全性及其降解過程，為臨床應用提供科學依據(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-鎂的高負電極位(-2.37eV),決定了鎂與水的易反應性]，去除了鋁、稀土等毒性元素對人體的潛在危害性。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，且對人體無毒、無致癌性、無致畸變性等，生物相容性良好。

L-929 細胞毒性(MTT)實驗結(jié)果表明，不同濃度鎂鋅合金浸提液對L-929細胞增殖均沒有造成影響。根據(jù)ISO 10993-5:1999標準，細胞毒性可以定為0～1級，表明鎂鋅合金對L-929細胞無明顯細胞毒性(圖1)。

*P>0.05

根據(jù)比格犬肋骨外形結(jié)構(gòu)、力學及生物特點進行形狀設(shè)計，以減少對肋間肌、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)建犬肋骨骨折動物模型

實驗用比格犬15只，體重12kg以上，12月齡，雌雄不限。實驗過程對動物的處置符合動物倫理學標準，研究方案獲得動物倫理委員會批準。構(gòu)建犬肋骨骨折動物模型。將15只比格犬隨機分為鎂鋅合金組和對照組。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，沿第六肋骨切開皮膚長約5cm，切開肋間肌顯露肋骨，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骨折處包繞固定(圖3)，固定時確保斷端對位良好，固定牢靠后逐層縫合。術(shù)后1周內(nèi)予青霉素80萬U肌注，1次/d。

圖3　構(gòu)建犬肋骨骨折切開復位內(nèi)固定動物模型

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、體重變化，并觀察出血、傷口感染以及死亡等發(fā)生情況。全部實驗犬進行血液生化檢查，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，全部實驗犬進行胸部CT檢查，并對胸廓進行CT三維重建。

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

4統(tǒng)計學方法

結(jié)果

1術(shù)后一般情況及并發(fā)癥

所有15例實驗動物的手術(shù)均順利完成，無圍手術(shù)期死亡。兩組實驗動物進食良好，活動正常，組間無明顯差異。各時間點對比觀察兩組比格犬的體重，差異無統(tǒng)計學意義。對照組無切口感染，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、抗炎補液治療后愈合。兩組均無出血等其他并發(fā)癥發(fā)生。

2外周血生化檢測結(jié)果

兩組實驗動物在術(shù)前1d，術(shù)后1、4、12周，血清鎂離子濃度變化差異無統(tǒng)計學意義；尿素氮、肌酐、谷丙轉(zhuǎn)氨酶和肌酸激酶濃度變化差異也無統(tǒng)計學意義(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，對照組和可降解鎂鋅合金組均固定牢靠，骨折斷端對位、對線良好，骨折線清晰可見，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照組多。術(shù)后8周，兩組骨折斷端骨折線開始模糊，骨痂增多，鎂鋅合金組可見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觀察結(jié)果

術(shù)后8周處死實驗組犬進行解剖探查見包囊形成，構(gòu)成3～4mm厚堅硬纖維組織層，與肋骨融合形成一個整體，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染色見包裹為纖維結(jié)締組織，含大量成纖維細胞、纖維母細胞和新生血管，骨質(zhì)增生，間隙中充滿骨髓組織；術(shù)后12周實驗組大體標本仍可見少量包囊纖維組織層，纖維結(jié)締組織內(nèi)未見鎂鋅合金金屬碎片，骨折斷段愈合良好(圖7)。組織學觀察可見規(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輕，兩組均未見中性粒細胞浸潤和組織壞死，兩組間炎性反應無明顯差異。

圖6 a.術(shù)后8周大體見鎂鋅合金碎片 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]。近年來研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)切開復位內(nèi)固定治療多發(fā)肋骨骨折或連枷胸患者，有利于肺擴張、肋骨解剖復位愈合和患者早期活動，可以明顯減少住院時間、加速呼吸機脫機并減少肺部并發(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)點是固定效果好，缺點是長期留存體內(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)固定器應具備: (1) 良好的生物相容性，植入體內(nèi)無不良反應； (2) 良好的力學強度，能夠維持骨折斷端的力學穩(wěn)定性； (3) 良好的生物可降解性，無需二次手術(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。

鎂合金材料全部由營養(yǎng)元素(Mg、Zn、Ca、Fe等)組成，鎂及鎂合金具有以下優(yōu)勢[4-8]:(1)具有良好的生物相容性：鎂是人體內(nèi)含量最多的陽離子之一,是人體不可缺少的重要營養(yǎng)元素，對神經(jīng)、肌肉、骨和心臟功能具有重要影響。幾乎參與人體內(nèi)所有的新陳代謝過程,可見鎂作為生物醫(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準電極電位(-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,無需二次手術(shù)取出。(3)具有良好的生物力學性能：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)的彈性模量和機械強度，能有效降低應力遮擋效應，符合理想化肋骨內(nèi)固定器的要求。隨著人們對鎂合金的不斷深人研究，在控制鎂合金耐蝕性能和力學性能的技術(shù)方面得到很大的提高，研究者開始進一步開展鎂及其合金作為外科植人材料的研究。2003年德國人研制了鎂鋅合金冠脈支架并在動物體內(nèi)進行實驗，開始了鎂鋅合金在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用[9]。隨著對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性能的技術(shù)方面得到很大的提高。本課題組對可降解鎂鋅合金的合金體系設(shè)計、材料制備、力學性能、降解性能以及表面功能涂層改性等方面進行了系統(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周開始明顯降解，12周完全降解吸收，并有促進新骨生成的作用，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，同時合金化元素對人體無潛在的毒性，避免降解吸收對周圍組織的危害。前期研究發(fā)現(xiàn)鎂鋁合金能促進骨組織形成，有利于界面成骨細胞排列，可顯著增加材料周圍骨質(zhì)密度[13]。通過成骨細胞和破骨細胞表面整合素受體調(diào)節(jié)骨代謝，促進成骨細胞在材料表明的黏附[14-15]。筆者的動物實驗結(jié)果顯示：可降解鎂鋅合金肋骨固定器進行肋骨骨折內(nèi)固定后，骨折斷端對位對線良好，鎂鋅合金組的骨痂生成較對照組增多，愈合時間與對照組無差異，并且其降解過程與骨折愈合時間相匹配，可達到與鋼板內(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、力學性能佳、可降解等特性，無需再次手術(shù)取出，是肋骨骨折內(nèi)固定治療的理想器材，具有良好的應用前景及臨床價值。

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(本文編輯： 黃小英)

·臨床問答·

問題2： Plion骨折治療的注意事項

解答：Plion骨折治療方案中應注意幾個方面的問題：(1)注意保護骨折端及軟組織以避免進一步損傷，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)盡量復位脛骨關(guān)節(jié)面，保持肢體長度，復位固定下脛腓關(guān)節(jié)，缺損處使用自體骨或異體骨植骨；(3)對開放性損傷患者有限使用內(nèi)固定，必要時聯(lián)合使用外固定架。

(李繼慶解放軍477醫(yī)院骨科，湖北 襄陽410210)

作者單位： 455000 河南,安陽市第三人民醫(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

基金項目：上海市衛(wèi)生局科研課題(20114235)

【中圖分類號】R 683.1

【文獻標識碼】A【DOI】 10.3969/j.issn.1009-4237.2016.02.010

文章編號：1009-4237(2016)02-0098-05