腹腔镜消化道重建术中所用胃肠吻合钉的研究现状及思考

王思逸，朱甲明，周 敏，那 迪

(中国医科大学附属第一医院肿瘤外科，辽宁 沈阳，110002)

胃癌仍是全球第三大癌症死亡原因[1]，结直肠癌患者死亡人数约占全球每年确诊癌症的相关死亡患者的10%[2]。对于进展期结直肠癌、胃癌，外科治疗在所有治疗方式中占主导地位[3]。一项72 650例结直肠癌手术病例资料中，直肠癌手术占57.9%。自上个世纪腹腔镜技术诞生以来，随着摄像机技术的进步，腹腔镜手术在短时间内快速发展。1987～1990年，腹腔镜技术不仅应用于简单的腹部手术，如阑尾切除术，还应用于更加复杂的胆囊切除术[4]。自1993年后，腹腔镜技术几乎可用于所有消化系统疾病的手术治疗[4]。这对消化道肿瘤切除术后的消化道重建而言，无疑是一次革命性的转变。胃切除术后的消化道重建约有130年历史，自1893年Billroth行胃远端切除术后Billroth Ⅰ式吻合重建开始，各种重建方式应运而生，但至今尚无统一、具有循证医学高级别证据的明确意见。消化道重建是极为复杂的，在进行消化道重建吻合的过程中我们需注意：(1)选择合理的吻合方法，把握吻合对象的构造、组织功能特点；(2)把握异常情况如消化道炎性水肿时的变化特点，选择安全合理的吻合方式；(3)技术操作时应把握使用器械、材料的特性及其对组织的影响，如缝合吻合材料的物理损伤及引起的炎性反应[5]。对于经过充分训练的临床医生，上述前两条几乎不成问题。因此，对于吻合材料的选择成为广泛议论的热点。

随着腔镜手术的不断推广，机械吻合器逐渐显现出巨大优势。机械吻合相较手工缝合具有相当大的优势[6]。与传统手工缝合相比，机械吻合不仅可缩短手术时间，对手工操作难以涉及的狭小地带可精准把握，而且还能减少组织损伤与出血从而缩短术后住院时间[7]。机械吻合器的出现也使低位直肠前切除成为可能，避免了行经腹会阴联合直肠前切除术，改善了低位直肠癌患者的术后生活质量。在消化道重建的术后并发症中，重建带来的吻合口漏、吻合口狭窄、出血是临床医生关注的焦点，在如何减少吻合口并发症的调查研究中，吻合方式及吻合材料成为减少这些并发症的可选项。

1 目前使用的钛合金机械吻合钉及其优势

机械吻合器类似于订书机，其内部也有与订书钉一样的吻合钉，术中，术者通过操作吻合器等机械吻合器内部的吻合钉受到力的作用，发生形状变化，牢牢地固定对合组织[8]。在普通外科消化道重建手术中，被广泛用于吻合钉制造的材料为纯Ti、Ti-3Al-2.5V及Ti-6Al-4V。

钛合金作为生物医用材料的优势[9]主要有：(1)密度小。在常温下钛合金密度仅为4.5 g/cm3。对于患者而言，术后吻合钉会长期存在于体内，若使用大量密度过高的材料作为机械吻合钉使用，不仅会使患者感受到植入物带来的重量增加，也会增加吻合口漏的风险，由于患者术后下床活动时吻合口还未完全愈合，吻合钉的重力作用会额外增加吻合口张力。钛合金重量轻，操作更方便。(2)无磁性。钛合金作为胃肠吻合钉不会增加患者术后远期面对磁场时的负担。(3)弹性模量低。钛合金受外力作用时容易变形，这一点至关重要，作为机械吻合钉使用时，若挤压作用无法使吻合钉成功变形，后果非常严重。未发生形变的吻合钉或残留于钉槽内或洒落于患者腹腔内，对吻合是无效的，若无效吻合钉过多，会增加术后吻合口漏的风险[10]。(4)耐腐蚀。钛及钛合金优异的耐腐蚀性使其不容易在人体环境如肠液中被腐蚀。(5)高强度，高韧性。钛合金不会因使用后受外力作用轻易断裂、弯曲，保证术后吻合口能正常有效愈合。

钛钉吻合器大大缩短了手术时间、减少了术后吻合口相关并发症，但由于钛钉的不可降解性，吻合钉无法被周围组织吸收。这些吻合钉作为类似植入物在体内长期残留。术后不仅会影响CT断层扫描及一系列影像学检查，也会给患者增加心理负担。相关病例报道了钛合金吻合钉造成严重的异物肉芽肿。此外，对于低位直肠前切除术后患者，残留吻合钉会增加直肠前切除综合征的发生率。因此，在消化道重建手术的吻合材料使用方面，需要有更好的选择。从长远考虑，消化道重建手术需要一种新的吻合材料，既能在术后胃肠道切口愈合时提供有效的支撑，也能在消化道功能完全恢复后有效降解。因此，实现这种理想状态的最优解决方法就是使用生物可降解吻合钉。

2 Mg-6Zn可降解机械吻合钉的研究现状

生物可降解吻合材料一直是研究的重点，几乎所有外科医生都希望获得一种可短暂存留于人体组织的吻合材料。在机械吻合方式未广泛应用前，消化道吻合需要外科医生手工缝合，在这一时期，聚合物所制的吻合材料得到了广泛应用，直到目前，仍有许多聚合物缝线应用于消化道重建手术中，或在重建手术中起到辅助作用。但聚合物材料由于力学性能较差，在机械吻合方式出现后慢慢退出了历史舞台。消化道重建手术急需一种可满足所有临床需求的机械吻合钉。

其他医用植入器械如心血管支架也已向生物可降解方向转变，机械胃肠吻合钉目前也有此趋势。对比传统无法降解的钛合金胃肠机械吻合钉，可降解机械吻合钉具有以下优势：(1)可降解。降解后容易被人体吸收。(2)不影响后续CT及MRI等影像学检查。(3)减少形成异物肉芽肿的风险，避免术后形成吻合口狭窄[11]、吻合口梗阻、坏死、瘘等。(4)减轻患者心理压力，避免大部分患者因吻合钉长期残留引起的不适感。

目前生物医用可降解材料有镁及其合金、锌及其合金等，作为生物医用植入材料已被广泛应用于口腔科、骨科、心血管内科。可降解机械吻合钉的设计研究基本也是围绕这几种金属合金展开。当可降解金属合金作为机械胃肠吻合钉被植入体内时，需满足以下基本要求：(1)具有适宜的降解速率，要在吻合钉降解前保持吻合口所需张力。(2)具有良好的生物相容性，即降解产物无毒性，不引起炎症反应，机体组织不会产生过敏反应。(3)具有良好的机械性能，不易断裂。(4)强度高，不易发生形变。可降解机械吻合钉目前正在不断研究中，部分已进入动物实验阶段，研究证实大部分可降解金属合金材料具有作为机械胃肠吻合钉的潜力，其中最具有代表性的就是镁合金及锌合金。镁合金在自然界储量丰富，容易制备，同时也是人体不可或缺的元素之一。镁元素在人体内储量仅次于钠、钾及钙元素，正常标准身材的成年人(70 kg)体内含有1 mol镁元素。镁元素在人体代谢中起着非常重要的作用：(1)作为辅助因子参与体内酶的调节。(2)维持渗透梯度。(3)参与人体内环境pH值的调节。(4)维持肌肉及神经的兴奋性[12]。锌元素也是人体必须元素之一，锌元素在人体细胞分裂、细胞生长、伤口愈合、碳水化合物分解等多种生化功能中发挥着基础性作用。此外，许多蛋白质、酶、转录因子也依赖于锌代谢。缺锌与婴儿、年轻人的身体生长发育障碍、更大的感染风险、认知功能丧失、记忆与行为问题及学习障碍有关[13]。通过将镁、锌合金化并通过不同的制造工艺改良将其作为机械吻合钉应用于消化道重建手术中，或许能在未来得以实现，同时也将改善患者预后。

纯镁具有较高的生物相容性，但纯镁耐腐蚀性能差，其降解特点是分段降解，不能在吻合口愈合期间发挥完整的力学性能。纯锌也具有良好的生物相容性，但作为可降解金属，在人体内过量可导致细胞毒性[14]，且纯锌极限抗拉强度小于200 MPa，不适于大多情况。因此镁、锌常通过合金化，增强其耐腐蚀性能及力学性能，其合金作为胃肠机械吻合钉目前已进行了广泛研究。其中最具有代表性、最具应用前景的是Mg-6Zn胃肠吻合钉。Mg-6Zn的密度为1.82 g/cm3，弹性模量为(42.3±0.1)GPa，屈服强度为(169.5±3.6)MPa，抗拉强度为(279.5±2.3)MPa，延伸率为18.8%±0.8%，抗压强度为(433.7±1.4)MPa，降解速率为3天(0.20±0.05)mm yr-1/30天(0.07±0.02)mm yr-1。在消化道重建术后，吻合口将经历一个复杂的愈合过程，大致可概括为三个阶段：渗出期、增殖期、修复期[15]。此过程是多细胞参与的，其中胶原纤维起着至关重要的作用[16]。Ⅰ型胶原纤维参与瘢痕组织形成，Ⅲ型胶原纤维作用于切口愈合的早期阶段。Ⅰ型胶原与Ⅲ型胶原的比例影响吻合口愈合初期形成的结缔组织张力，与术后吻合口漏具有相关性。Wang等[17]对比了Mg-6Zn机械吻合钉(实验组)与钛合金机械吻合钉(对照组)在植入肠道后对肠道胶原代谢的影响，发现Mg-6Zn合金机械吻合钉在植入肠道后第三周开始降解，且降解产物多沉淀于材料表面；实验组术后第一周血清Mg含量开始增加，但第二周呈逐渐下降趋势。根据实验组胶原组织免疫组化结果来看，Mg-6Zn合金对Ⅰ型胶原及Ⅲ型胶原有促进作用，且同时间接抑制了与Ⅰ、Ⅲ型胶原降解有关的基质金属蛋白酶1及基质金属蛋白酶3的表达。在肠道愈合环境下，Mg-6Zn合金机械吻合钉通过促进胶原纤维生成从而促进细胞外基质的合成，达到吻合口快速愈合的目的，由此可见，Mg-6Zn可作为目前钛合金吻合钉的替代。在吻合口愈合的增殖阶段，新生血管大量生成。转化生长因子-β、血管内皮生长因子、碱性成纤维细胞生长因子在血管生成过程中充当信号载体，其中转化生长因子-β1可诱导其细胞因子发挥作用，是整个血管生成过程中的“扳机点”[18]。肿瘤坏死因子-α是介导炎症的重要因子，在慢性炎症中起重要作用[19]。Yan等[20]探究了Mg-6Zn合金吻合钉对肠道愈合过程中细胞因子的影响作用，研究得出Mg-6Zn合金可促进血管生成过程中转化生长因子-β的表达，进而间接促进血管内皮生长因子、碱性成纤维细胞生长因子等细胞因子的表达，促进吻合口愈合。随着Mg-6Zn降解析出高浓度的Zn2+抑制肿瘤坏死因子-α的表达，从而减轻术后吻合口的炎症。Mg-6Zn应用于胃肠外科领域具有巨大潜能，其不仅仅作为提供张力的吻合钉存在，降解产物也为消化道重建术后吻合口愈合带来正面影响。不同胃肠吻合钉合金性能的比较见表1。

表1 不同胃肠吻合钉合金性能的比较

3 面临的问题

3.1 钛合金吻合钉面临的问题 生物相容性是指生命体组织对非活性材料产生反应的一种性能，一般是指材料与宿主之间的相容性。生物材料植入人体后，对特定的生物组织环境产生影响与作用，生物组织对生物材料也会产生影响与作用，两者的循环作用一直持续，直至平衡或植入物被去除。生物相容性可分为生物学反应与材料反应两部分，其中生物反应包括血液反应、免疫反应、组织反应；材料反应主要表现在材料物理与化学性质的改变。将钛合金机械吻合钉植入消化道后，不仅会对生物体产生特殊的反应，材料本身也会发生物理及化学性质的变化。

钛合金机械吻合钉长期被认为是一种惰性材料，即作为机械吻合钉植入后几乎不发生化学反应。这一观点与钛合金表面形成的薄层钝化膜有关[21]。然而在炎症反应阶段，白细胞产生的过氧化氢等仍然可以穿过钝化膜，从而导致钛合金腐蚀[21]。体内微量元素分析可作为钛合金降解的一项证据，如在钛合金(Ti-6Al-4V)植入患者的头发中检测到铝元素[22]。钛合金并不是完全没有生物毒性，对于钛合金毒性的主要集中点是钛合金(Ti-3Al-2.5V及Ti-6Al-4V)中的钒元素[23]。此外，Haynes等使用钛铝钒(Ti-Al-V)、钴铬颗粒进行大鼠腹腔巨噬细胞实验，钴铬产生了高毒性反应，而Ti-Al-V增加了炎症诱导介质的释放，如前列腺素E2、白细胞介素-1、白细胞介素-6、肿瘤坏死因子[24]。更有研究表示，在人血清中，Ti-Al-V金属颗粒与血清中的蛋白质结合产生的复合物将引起淋巴细胞反应，反应程度与蛋白质分子量成正比[25]。这些观点与钛合金作为生物医用材料具有无毒性的优势[9]相悖，这也是我们寻找更加合适的机械吻合钉材料的理由。

到底是什么导致了钛合金的腐蚀？这一点可能与生物体组织对被植入的钛合金产生的影响作用有关。消化道重建手术的切口可能污染，属于Ⅱ级手术，原因是术中术者很难保证消化道内容物不流入腹腔。这一过程造成了术后消化道切口可能有一段时间处于炎症期。当钛合金被作为机械吻合钉植入消化道时，钛合金吻合钉是被切口处的消化道组织包裹的。吻合钉所处的周围环境包含了大部分的炎症期细胞生理产物，如白蛋白及过氧化氢(H2O2)[26]，同时也存在许多消化液。有研究证明，H2O2会降低纯钛的耐腐蚀性，与钛表面的TiO2钝化膜改变有关[27]。对于Ti-6Al-4V合金而言，生物环境中H2O2的增加会促进合金体系的腐蚀，Ti、Al、V析出增多。白蛋白将小幅度引起合金腐蚀后Ti析出量增加。白蛋白与H2O2协同效应引起Ti-6Al-4V腐蚀速率增加，且腐蚀对Ti-6Al-4V合金β相破坏较大[28]。目前来看，钛合金胃肠吻合钉并未出现因植入周围环境腐蚀造成力学性能下降的情况，其力学性能在吻合口愈合期间仍能保持较好状态。但在术后长期过程中，钛合金并非不发生任何腐蚀降解，其降解后析出的其他金属元素所造成的影响甚至并发症是我们此后需要考虑的重点。

3.2 Mg-6Zn面临的问题 目前大部分对于Mg-6Zn合金机械吻合钉的报道都是有益的，似乎大多数的研究都在为Mg-6Zn合金作为目前机械吻合钉的最优替换方案提供正面的证据，但事实上，Mg-6Zn合金的确存在一些负面效应，如对肠上皮细胞周期的负面影响。在Mg-6Zn合金与肠上皮细胞相互作用的过程中，存在许多细胞周期调节因子，如细胞周期蛋白D1[29]、细胞周期蛋白依赖性激酶4[30]、p21[31]。其中细胞周期蛋白D1是一种原癌基因，可将细胞外信号与细胞周期之间建立有效联系[32]。大部分癌症的发生是由基因易位而表达细胞周期蛋白D1。细胞周期蛋白依赖性激酶4这种关键蛋白在细胞周期从G1期到S期发挥重要作用。p21是细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂家族的重要成员，与肿瘤抑制作用密切相关，也通过抑制周期素依赖激酶复合物活性，协调细胞周期、DNA复制。p21可以与p53共同构成细胞周期G1检查站，使不经修复的损伤DNA无法通过，减少受损DNA的积累，从而达到抑癌作用[33]。Wang等[34]通过实验评估植入Mg-6Zn合金吻合钉后的肠上皮细胞细胞周期蛋白D1、细胞周期蛋白依赖性激酶4、p21表达，探究Mg-6Zn合金机械吻合钉是否具有良好的生物相容性。研究发现，Mg-6Zn合金快速腐蚀所造成的碱性环境不利于肠上皮细胞的细胞周期循环，会导致肠上皮细胞周期的停滞。因此，解决Mg-6Zn合金腐蚀后的碱性环境影响，将为Mg-6Zn合金作为机械胃肠吻合钉提供更有利的证据。钛合金吻合钉及Mg-6Zn吻合钉优缺点的比较见表2。

表2 钛合金吻合钉及Mg-6Zn吻合钉优缺点的比较

4 总结与展望

根据目前的研究现状，可降解机械吻合钉的研究重心应放在以下方面：(1)吻合钉材料的生物相容性，尽可能降低合金材料降解后产物对植入生物体环境的影响及生物体环境对合金材料本身的影响。(2)吻合钉材料的力学性能及强度，保持吻合钉使用前后即通过挤压变形植入消化道前后力学性能不受影响，不因形变而造成弯曲部位受力降低或因重建后消化道张力导致吻合钉形变部位发生二次变形。(3)吻合钉材料的降解特性，既应保持可降解吻合钉具有较好的降解速率，能在消化道愈合前提供张力维持消化道暂时功能，并在愈合后达到部分降解或完全降解，也应保持可降解吻合钉不因降解而改变其本身的力学性能。根据患者及临床医生的需求现状，可降解吻合钉材料的研究不能仅局限于材料本身，还应考虑改善可降解吻合钉的治疗价值，如通过涂层加以抗菌特性，预防术后感染；通过降解产物与被植入生物体组织(消化道组织)之间的影响作用，改善吻合口愈合状态。

尽管腹腔镜消化道重建手术所使用的机械胃肠吻合钉的研究已取得一定进展，但目前尚未应用于临床，归根结底还是研究不够充分。从临床角度而言，也是出于对患者的考虑，只有将所有情况尤其极其特殊的情况都考虑其中，设计一种几乎可适合所有场景的机械吻合钉，才能逐步进行临床试验。消化道的范围很大，自口腔延续为咽、食管、胃、小肠、大肠，终于肛管，每一段的消化道功能、消化液环境也有所区别。我们所考虑的不只局限于某种手术，而是适于全消化道吻合术的机械吻合钉。因此，对于可降解机械吻合钉仍有很大的研究空间。