医用纯镁骨植入后降解产物的体内代谢及重要脏器分布的定量评价

陆 华 俞懿强 隋佰延 刘 昕 孙 皎

（上海交通大学医学院附属第九人民医院 口腔医学院口腔材料科，国家口腔疾病临床医学研究中心，上海市口腔医学重点实验室，上海市口腔医学研究所，上海生物材料研究测试中心，上海 200011）

近年来，医用纯镁作为新一代的“智能绿色材料”，成为可降解医用植入材料领域的焦点。相比传统的不锈钢和钛基材料，它不仅具有与人体骨组织匹配的力学性能（力学强度和弹性模量），而且表现出良好的生物相容性和成骨活性[1-3]。高纯镁（99.99 wt.%）抗腐蚀性优于大多数的镁合金[4]，还能有效避免毒性元素释放的风险问题，P Han等报道医用高纯镁在体内外具有良好的成骨活性[5]。然而，作为生物可降解的骨植入材料，由于不需二次手术拆除，医用纯镁会在体内存在相当长的时间。在这期间，它的主要降解产物镁离子是否会引起血镁和尿镁含量的变化，从而影响肝肾功能等尚未见系统研究。本文选择医用纯镁，研究纯镁骨植入后的主要降解产物在体内的代谢及其在重要脏器中的蓄积和定量分布情况，为其临床应用提供重要的安全性方面的评价数据。

1 材料和方法

1.1 主要材料

医用纯镁：直径2 mm，长度6 mm的柱状植入棒，由上海交通大学材料科学与工程学院提供；对照材料：直径2 mm，长度6 mm的柱状HDPE植入棒，由日本Hatano研究所提供。

1.2 主要仪器设备

全自动生化分析仪（Hitachi 7600， Japan）；电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS 7700，安捷伦，美国）。

1.3 实验动物

健康、成年新西兰大白兔24只，购自上海松江松联实验动物场，体重2.2～2.5 kg。实验动物的使用经上海交通大学医学院附属第九人民医院动物伦理委员会批准。

1.4 实验分组及周期

动物编号，随机选择1#～9#兔子植入医用纯镁（实验组），10#～18#兔子植入HDPE（对照组），用于研究体内代谢分布；植入周期分别为4 w、12 w和26 w，每组每期各3只动物。19#～24#兔子植入医用纯镁，研究植入前、后不同时间点的血镁和尿镁等的变化趋势，试验周期为26 w。

1.5 试验方法

1.5.1 骨植入实验

参照ISO1093-6：2016[6]的标准，用2.5%戊巴比妥钠麻醉动物。按常规外科手术要求消毒，沿肌肉间隙暴露胫骨皮质，在胫骨中段用低转速间歇地钻孔（每侧制备3个孔，孔径2 mm，间隔10 mm），并用生理盐水冲洗降温。实验组动物双侧胫骨共植入6个纯镁试样，逐层缝合肌肉、筋膜和皮肤。对照组动物同法操作，植入HDPE。

1.5.2 主要降解产物Mg2+的体内代谢分布

植入后4 w、12 w和26 w分别对实验组和对照组的动物实施安乐死，收集2组的尿液、血液及重要脏器（心、肝、脾、肾、肺），利用ICPMS，检测各组织中降解产物Mg2+的含量。

1.5.3 植入前后体内血镁/尿镁浓度的动态变化

分别在植入前、植入后的1 w、2 w、3 w、4 w、6 w、8 w、10 w、12 w、14 w、16 w、18 w、20 w、22 w、24 w和26 w收集19#～24#每只兔子的尿液各5 mL，运用全自动生化分析仪测定尿镁浓度。分别在植入前及植入后的4 w、8 w、12 w、18 w、22 w、26 w抽取兔血4 mL，离心收集0.5 mL血清后，运用全自动生化分析仪测定血清中的镁浓度以及重要生化指标（血清丙氨酸氨基转移酶、天门冬氨酸氨基转移酶、肌酐及尿酸）的水平。

1.6 统计学分析

利用SPSS软件对实验数据进行统计学分析，实验组与对照组相比，P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 ICP-MS分析Mg2+的体内代谢分布

ICP-MS分析结果如表1 所示，体内分布研究结果表明，纯镁试样植入后4 w、12 w、26 w，与对照相比，体内重要脏器（心、肝、脾、肾、肺）组织中Mg2+浓度未发生显著变化（P＞0.05）。

表1 ICP法分析骨植入后不同时间点动物体内的Mg2+浓度 （μg/g）

体内代谢研究结果显示，植入后4 w、12 w和26 w，血液中Mg2+浓度未发生显著的升高或降低，与对照组之间的差异没有统计学意义（P＞0.05），而尿液中Mg2+浓度在植入后4 w和12 w时有升高趋势，与对照相比差异具有统计学意义（P＜0.05），到26 w可恢复到正常水平。

2.2 植入前后的血镁浓度变化

血生化分析结果显示：相比植入前，纯镁植入后的血清镁浓度仅发生很小幅度的波动，未见显著的升高或降低（图1）。而且各时期的血清镁浓度的标准差均很小，说明不同个体间的差异也不大，该指标较为稳定可靠。

图1 纯镁植入前后动物的血清镁浓度变化

2.3 植入前后的尿镁浓度变化

尿液生化分析结果显示：纯镁植入前后的尿镁浓度未发生显著的升高或降低（图2），无时间依赖性变化。仅在6 w到8 w阶段出现了短时的小幅上升，到10 w时又回落到之前的水平。而且各时期的尿镁浓度的标准差均很小，说明不同个体间的差异也不大，该指标较为稳定。

图2 纯镁植入前后动物的尿液镁浓度变化

2.4 植入前后主要血生化指标的变化

在纯镁植入前后，实验动物的血清丙氨酸氨基转移酶（ALT）、天门冬氨酸氨基转移酶（AST）和血清肌酐（CR）水平未发生显著性变化（图3A，B）；血清尿酸（UA）的浓度均在4 w时较植入前显著降低，但在4 w后均稳定维持在较低水平（图3C，D）。

图3 纯镁植入前后4种主要的血清生化指标的变化

3 讨论

医用纯镁作为一类预期应用于口腔、心血管和骨科领域的可降解类生物材料，由于会在体内存在相当长的时间，因此，揭示医用纯镁的长期全身毒性，探究其主要降解产物（镁离子）在生物体内的分布和代谢规律，对于系统评价材料的长期生物安全性显得尤为重要。

研究结果表明，纯镁试样植入后4 w、12 w和26 w，与对照组相比，体内重要脏器（心、肝、脾、肾、肺）组织中Mg2+浓度未发生显著变化（P＞0.05），提示医用纯镁材料在骨植入26 w内其降解产物Mg2+未在体内重要脏器发生蓄积。体内代谢研究结果显示，与对照组相比，植入后4 w、12 w、26 w，血液中Mg2+浓度未发生显著的升高或降低（P＞0.05），且血镁水平在植入后26 w之内无时间依赖性变化，基本保持稳定，提示纯镁金属的降解并未快速产生大量的Mg2+释放入血液，因而未引起血清镁含量的明显升高。而尿液中Mg2+浓度在植入后4 w和12 w时与对照相比有升高趋势（P＜0.05），到26 w回落到正常水平，提示纯镁金属材料的降解产物Mg2+可能经肾脏代谢后由尿液排出。

医用纯镁降解后不可避免地会产生镁离子和镁微粒等产物。这些降解产物进入骨髓和体液而后进入循环系统。那么它们是否会引起血液中镁的升高或蓄积呢？本研究结果显示：纯镁植入体内后，实验动物的血清镁含量未发生异常升高或降低（图1），这表明高纯镁的降解并没有快速产生大量的镁离子进入血液，因而未引起血清镁含量的明显升高。这一现象与Mg-1Ca和ZEK100镁合金植入后的血清镁结果相符[7，8]。成人体内的镁元素50%存在于骨骼，45%在细胞内液，细胞外液的镁元素仅占5%。在细胞外液，镁的含量仅次于钠、钾、钙而居第4位。众所周知，镁元素在许多生理过程中发挥了重要作用，是多种重要生物酶的激活剂。例如碱性磷酸酶、磷酸变位酶、己糖激酶、焦磷酸酶、肌酸激酶等的催化作用都须有镁离子的激活[9]。镁也是组成DNA、RNA及核糖体大分子结构所必需的元素之一，参与维持正常的神经和肌肉功能。血清镁是反应肝肾功能的重要指标之一。严重肝肾功能异常疾病如慢性肾炎少尿期、急性或慢性肾功能衰竭和急性病毒性肝炎等均会引起血清镁的异常升高。纯镁植入前后各时期的血清镁浓度未见异常升高（图1），说明纯镁的降解产物既没有引起机体镁元素的代谢紊乱，也未影响正常的肝肾功能。这可能是因为纯镁在体内降解较为缓慢，产生的镁离子并未突释进入血液，而且逐步产生的一定浓度的镁离子还利于骨组织新生。

血液中的镁离子最终经过肾脏滤过进入尿液，本研究发现：实验动物在26 w的植入周期内，纯镁植入前后的尿液镁含量也未发生显著变化（图2），这表明纯镁的降解并没有快速产生大量的镁离子经由尿液排泄。由此提示，缓慢降解产生的镁离子是逐渐匀速地排泄出体外，因而不会引起尿镁浓度大幅度的波动。

尽管已经证明医用纯镁降解产生的镁离子未引起血液和尿液中的镁异常升高，那么这些镁离子是否会在经过肝脏代谢和肾脏滤过时蓄积在组织器官中而引起肝肾功能异常呢？这是纯镁生物安全性的重要方面。为此，我们对血清中与肝肾功能密切相关的生化指标进行了长期动态监测。丙氨酸氨基转移酶（ALT）广泛存在于各种器官组织中，肝细胞中ALT含量最多。当肝脏发炎时转氨酶就会从肝细胞释放到血液中，因此，血清ALT是评价肝脏功能和肝细胞受损的重要指标。与ALT类似，正常血清中天冬氨酸氨基转移酶（AST）含量很低，但当肝细胞或心肌细胞受损时胞浆内的AST释放入血浆。AST是反映肝细胞坏死的重要指标，可以和ALT结合起来反映肝功能的状况。本研究结果显示，在医用纯镁植入后各时期ALT和AST的水平均未发生显著升高（图3A，B），提示纯镁植入物的降解产物经肝脏代谢时没有引起肝细胞损伤和肝功能异常。

肾脏是降解产物排出体外的重要器官，为了研究医用纯镁降解产物对肾脏功能的影响，我们动态监测了两个重要的肾功能生化指标，即血肌酐和血尿酸。肌酐是肌肉代谢产生的小分子物质，几乎全部通过肾小球滤过随尿液排出体外。血肌酐是反应肾功能的灵敏指标，它的升高意味着肾功能异常。尿酸是嘌呤分解代谢的最终产物，肾脏功能受损会导致血尿酸浓度显著升高，因此血尿酸检测是诊断肾功能受损的有效手段。医用纯镁植入后各时期的动态监测结果显示，血肌酐和血尿酸的浓度均未出现明显增高（图3C，D）。这有力地证明新型纯镁的降解产物没有引起肾功能的损害。由此推测缓慢降解产生的镁尚在机体清除的能力之内，而不会蓄积在肝肾组织中。

4 结论

综上所述，由于医用纯镁在体内发生长期缓慢的降解，降解过程中并没有快速产生大量的镁离子进入血液而导致血镁异常升高，且降解产物经肾脏排泄出体外，既未引起肝肾功能异常，也未导致尿镁的显著增高。由此提示，医用纯镁作为一种预期用于骨组织的可降解类生物材料，在体内显示了良好的生物安全性。