可降解镁锌合金肋骨固定器应用于肋骨骨折内固定的动物实验研究

秦　雄，闵　捷，陈　熹，唐　华，张绍翔，张小农，苏宜江，徐志飞



·论著·

可降解镁锌合金肋骨固定器应用于肋骨骨折内固定的动物实验研究

秦雄，闵捷，陈熹，唐华，张绍翔，张小农，苏宜江，徐志飞

【摘要】目的构建犬肋骨骨折动物模型，研究新型可降解镁锌合金肋骨固定器在切开复位内固定术中的固定效果及其降解愈合过程。方法实验用比格犬15只，体重12kg以上，12月龄，雌雄不限，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(10只)和钢板固定对照组(5只)，比较两组饮食、活动、切口反应、体重变化及血液生化检查，术后2、6、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。结果两组饮食、活动、体重变化、血生化检查等差异均无统计学意义；1例镁锌合金组1只犬出现局部切口感染伴积气，予以局部抽液引流、抗炎补液治疗后愈合。术后12周HE染色见肋骨骨折已经愈合，界限不清，间隙中充满骨髓组织；胸部CT检查及三维重建示骨折断段愈合良好，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，具有固定牢靠、弹性模量低、力学性能佳、可降解等特性，无需再次手术取出，具有良好的应用前景及临床价值。

【关键词】肋骨骨折； 镁锌合金； 固定器； 动物模型； 犬

作者单位： 200080 上海，上海第一人民医院胸外科(秦雄，陈熹，苏宜江)； 200003 上海，上海长征医院胸外科(闵捷，唐华，徐志飞)； 200240 上海，上海交通大学材料学院(张绍翔，张小农)

肋骨骨折在胸部创伤中很常见，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，促进骨折的愈合，更能保持呼吸、循环功能的稳定，减少肺部并发症。笔者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，研制了一种新型可降解镁锌合金肋骨固定器。本实验旨在探讨新型可降解镁合金肋骨固定器在肋骨骨折切开复位内固定术中的可行性、安全性及其降解过程，为临床应用提供科学依据。

材料与方法

1制备可降解镁锌合金肋骨固定器

选材全部由营养元素组成的医用可降解镁锌系合金材料构成[原理：Mg+2H2O=Mg2++H2+2OH-镁的高负电极位(-2.37eV),决定了镁与水的易反应性]，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，且对人体无毒、无致癌性、无致畸变性等，生物相容性良好。

L-929 细胞毒性(MTT)实验结果表明，不同浓度镁锌合金浸提液对L-929细胞增殖均没有造成影响。根据ISO 10993-5:1999标准，细胞毒性可以定为0～1级，表明镁锌合金对L-929细胞无明显细胞毒性(图1)。

*P>0.05

根据比格犬肋骨外形结构、力学及生物特点进行形状设计，以减少对肋间肌、血管及神经的损伤。可降解镁锌合金肋骨固定器由4组爪型固定部和3组连接部构成的一体成型板,长为35mm，高为8mm，宽度约12mm(图2)，具有一定的弯曲弧度，能够与肋骨贴合塑性，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。

图2　可降解镁锌合金肋骨固定器结构图

2构建犬肋骨骨折动物模型

实验用比格犬15只，体重12kg以上，12月龄，雌雄不限。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(10只)行可降解镁锌合金肋骨固定器固定,对照组(5只)行钢板内固定。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，右侧胸廓备皮，消毒铺巾，沿第六肋骨切开皮肤长约5cm，切开肋间肌显露肋骨，用咬骨钳钳断第六肋骨，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。采用常州华森肋骨固定器械对骨折处包绕固定(图3)，固定时确保断端对位良好，固定牢靠后逐层缝合。术后1周内予青霉素80万U肌注，1次/d。

图3　构建犬肋骨骨折切开复位内固定动物模型

3术后观察及检查

3.1一般情况及外周血生化检查术后1、4、12周，观察犬饮食、活动、体重变化，并观察出血、伤口感染以及死亡等发生情况。全部实验犬进行血液生化检查，观察血清镁离子、尿素氮、肌酐、谷丙转氨酶和肌酸激酶的数值变化。

3.2胸部CT检查术后2、6、12周，全部实验犬进行胸部CT检查，并对胸廓进行CT三维重建。

3.3骨折端大体标本及HE染色术后4、8、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，在骨折端取约为1cm2的骨痂作为标本,制作成7～8μm切片并做HE染色，观察骨折愈合和炎性浸润情况。

4统计学方法

结果

1术后一般情况及并发症

所有15例实验动物的手术均顺利完成，无围手术期死亡。两组实验动物进食良好，活动正常，组间无明显差异。各时间点对比观察两组比格犬的体重，差异无统计学意义。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、抗炎补液治疗后愈合。两组均无出血等其他并发症发生。

2外周血生化检测结果

两组实验动物在术前1d，术后1、4、12周，血清镁离子浓度变化差异无统计学意义；尿素氮、肌酐、谷丙转氨酶和肌酸激酶浓度变化差异也无统计学意义(表1～3)。

±s)

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3胸部CT检查及三维重建结果

镁锌合金肋骨固定器采用可降解镁锌合金材料，在完全降解前可以在X线上显影。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4)。术后4周，两组骨折端附近有骨痂形成，可降解镁锌合金组骨折断段骨痂较对照组多。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5)。

图4术后2周三维CT 图5术后12周三维CT

4骨折断段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(图6)。HE染色见包裹为纤维结缔组织，含大量成纤维细胞、纤维母细胞和新生血管，骨质增生，间隙中充满骨髓组织；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，骨折断段愈合良好(图7)。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。骨折断段周围炎症反应轻，两组均未见中性粒细胞浸润和组织坏死，两组间炎性反应无明显差异。

图6 a.术后8周大体见镁锌合金碎片 b.HE染色纤维结缔组织伴组织增生

图7 a.术后12周大体见骨折断段愈合良好 b. HE染色间隙充满骨髓组织

讨论

肋骨骨折在闭合性胸部创伤的发生率非常高，约占85%[1]。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患者，有利于肺扩张、肋骨解剖复位愈合和患者早期活动，可以明显减少住院时间、加速呼吸机脱机并减少肺部并发症和畸形，取得了显著的疗效[2]。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: (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，无需二次手术取出； (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[3]。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。

镁合金材料全部由营养元素(Mg、Zn、Ca、Fe等)组成，镁及镁合金具有以下优势[4-8]:(1)具有良好的生物相容性：镁是人体内含量最多的阳离子之一,是人体不可缺少的重要营养元素，对神经、肌肉、骨和心脏功能具有重要影响。几乎参与人体内所有的新陈代谢过程,可见镁作为生物医用材料具有良好的生物安全性基础。(2)具有良好的生物可降解性：镁及镁合金具有很低的标准电极电位(-2.37V),在含有氯离子的人体生理环境中可腐蚀降解,在植入人体后随着人体的自愈合而被吸收降解,无需二次手术取出。(3)具有良好的生物力学性能：镁与镁合金的密度约为1.7g/cm,与人骨密度(1.75g/cm)接近；镁及镁合金的弹性模量约为45GPa,更接近天然骨皮质的弹性模量和机械强度，能有效降低应力遮挡效应，符合理想化肋骨内固定器的要求。随着人们对镁合金的不断深人研究，在控制镁合金耐蚀性能和力学性能的技术方面得到很大的提高，研究者开始进一步开展镁及其合金作为外科植人材料的研究。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[9]。随着对镁锌合金的不断深入研究，在控制镁锌合金耐蚀性能和力学性能的技术方面得到很大的提高。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[10-12]。

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的毒性，避免降解吸收对周围组织的危害。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[13]。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[14-15]。笔者的动物实验结果显示：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。新型可降解镁锌合金肋骨固定器具有固定牢靠、弹性模量低、力学性能佳、可降解等特性，无需再次手术取出，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。

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(本文编辑： 黄小英)

·临床问答·

问题2： Plion骨折治疗的注意事项

解答：Plion骨折治疗方案中应注意几个方面的问题：(1)注意保护骨折端及软组织以避免进一步损伤，防止皮肤坏死、骨外露及内固定物外露等并发症，使骨折尽快愈合；(2)尽量复位胫骨关节面，保持肢体长度，复位固定下胫腓关节，缺损处使用自体骨或异体骨植骨；(3)对开放性损伤患者有限使用内固定，必要时联合使用外固定架。

(李继庆解放军477医院骨科，湖北 襄阳410210)

作者单位： 455000 河南,安阳市第三人民医院骨科二病区

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)

通讯作者：徐志飞，E-mail:xu_zhi_fei@yahoo.com.cn

基金项目：上海市卫生局科研课题(20114235)

【中图分类号】R 683.1

【文献标识码】A【DOI】 10.3969/j.issn.1009-4237.2016.02.010

文章编号：1009-4237(2016)02-0098-05