研究背景骨科内固定材料的发展经过了漫长的时间,目前临床用于骨折治疗的内固定材料主要是传统金属如不锈钢及钛合金以及生物可降解高分子材料如聚乳酸等。传统金属植入材料最大的问题是需二次手术取出,另外还存在应力遮挡影响骨愈合,导致骨质疏松,释放的离子引起组织级联炎症反应等问题。生物可降解植入材料是继不锈钢、钛合金等非降解医用植入金属材料之后而发展出来的,一般来说,可降解植入材料是指“植入生物体内后能完全降解,降解产物能被机体吸收、代谢的一类材料”。从20世纪90年代起,体内植入生物医用材料的研究热点开始由生物稳定型材料转变为可降解材料,主要应用于骨固定、骨填充、组织工程、血管支架等领域,能有效地促进受损组织的修复与再生,并可为组织重建提供生长载体和生长空间。现阶段已应用于临床的可降解生物医用材料主要为生物活性陶瓷和高分子材料。可降解生物医用陶瓷材料虽然具有较高的强度,主要缺点是韧性较差,弹性模量过高,易于断裂,材料脆性大,加工困难,而且在体内生理环境中抗疲劳性能较差。可降解生物医用高分子材料主要是聚乳酸(PLA)聚乙醇酸(PGA)及其共聚物制作的夹板,虽已应用于临床,但仍存在不尽人意之处：亲水性差、细胞吸附力较弱、可引起无菌性炎症。可降解高分子的降解过程不可控,导致植入器件的突然失效。临床上发现患者出现非特异性无菌性炎症反应率较高；机械强度不足,存在抗压强度不足的缺陷；聚合物中残留有机溶剂的细胞毒作用,可引起周围组织的纤维化及免疫反应。医用金属材料与医用生物陶瓷和医用高分子材料相比具有高机械强度,抗弯曲疲劳强度,更适合负荷支持应用,医用金属材料继续起着不可缺少的作用。因此开发具有良好力学性能、又可在体内安全降解的新型可降解医用植入材料具有重要意义。近年来,以生物可降解镁合金为主要代表的具有生物可降解特性的新一代医用金属材料的研究受到了人们的特别关注。这类新型医用金属材料巧妙地利用镁合金在人体环境中易发生腐蚀(降解)的特性,来实现金属植入物在体内逐渐降解直至最终消失的医学临床目的。此外,由于镁合金所具有的金属材料特性,其塑性、刚度、加工性能等都要远优于现已开始临床应用的聚乳酸等可降解高分子材料,因而更适于在骨等硬组织修复和心血管介入支架方面的临床应用。可以预测,生物可降解镁合金的医学临床应用,可大大提升现有金属植入器械具备的医疗功能,并可能产生新的医疗效果,从而给广大病患者带来新的福音。镁及镁基材料具有良好生物相容性、骨传导性、可降解性,力学特性与骨组织相似等优点,同时镁离子又是体内必需离子,这使之有希望成为骨科新型可降解植入金属材料。纯镁由于其低耐蚀性并因腐蚀产生大量的氢气,产生严重难以吸收的气肿导致使用受到限制。因此,提高抗腐蚀性能是目前镁合金开发的热点方向。添加合金元素是提高镁的力学性能和抗腐蚀性的重要措施,而保护性涂层能进一步提高镁的抗腐蚀性和生物相容性。研究发现多孔的AZ91D镁合金支架具有适当降解率,可刺激外周骨重建,具有较好的生物相容性。晶体LAE442镁合金具有低腐蚀率和可接受的宿主体内反应,其MgF2涂层可进一步降低腐蚀率。Ca-P涂层镁合金可被转化成羟基磷灰石HA,从而提高镁表面细胞相容性,保护镁合金不被快速腐蚀。目前对于镁铝合金的研究大多为体外实验如浸提液实验,细胞毒性试验,最大致敏实验等,这一系列实验初步证实镁铝合金材料具有良好的细胞相容性,并且不产生细胞毒性。但是体外环境与体内环境存在很多差异,所以体外实验不能替代体内试验的结论,而关于镁铝合金材料体内植入实验的相关报道主要为电镜观察降解成骨,影像学观察降解,体内试验有关生物相容性内容仍然欠缺。作为一种新型的医用可降解金属材料,镁铝合金的生物相容性需要进行体内试验评价。本研究采用中科院金属所研制的镁铝合金(AZ31B,3%AL,1%Zn,其余为镁)通过影像学观察以及组织学观察等方面初步研究其生物相容性情况。目的1.通过对比观察镁铝合金及其涂层动物体内影像学变化评价其生物相容性2.通过镁离子浓度变化评价镁铝合金及其涂层的生物相容性3.通过组织学对比观察评价镁铝合金及其涂层的生物相容性研究方法1.镁铝合金体内影像学观察：实验动物新西兰大白兔16只,分为两组,实验组MgF2涂层镁铝合金圆销组和对照组无涂层镁铝合金圆销组,植入实验兔左右下肢,对比观察两种材料的生物相容性情况。其中7只实验兔在左右侧股骨下端分别植入直径3mm,长10mm的MgF2涂层镁铝合金圆销和无涂层镁铝合金圆销。另外7只兔在左右侧胫骨上端分别植入直径3mm,长10mm的MgF2涂层镁铝合金圆销和无涂层镁铝合金圆销。2只兔子在竖脊肌左右侧分别植入直径3mm,长10mmm的MgF2涂层镁铝合金圆销和无涂层镁铝合金圆销。术后观察兔子的活动、进食、睡眠、创口、皮下气肿及纤维囊情况。于术后当日、4w、12w对植入镁铝合金的股骨远端以及胫骨上端进行X线拍片,于术后12周对背阔肌中植入镁铝合金材料及其周围软组织情况进行肉眼观察,评价两种材料的生物相容性情况。2.镁离子变化观察：术前1d、术后2w、4w、8w、12w对实验动物进行抽血化验,测量血清镁离子浓度,应用重复测量方差分析进行统计分析。检验水准α=0.05。3.镁铝合金组织学评价：术后12周处死实验动物,取出双侧股骨,胫骨。PBS缓冲液清洗,固定液固定,制作金属-骨组织界面硬组织切片并进行Masson染色对比观察；术后12周处死实验动物,取肝,肾组织制作组织HE染色切片,进行光镜下观察,病理学以及组织学分析组织形态结构变化并与正常肝肾组织切片进行比较,评价肝肾组织毒性情况。结果1.影像学以及血清镁离子浓度观察1.1术后一般情况：所有兔子麻醉清醒后活动良好,进食正常,睡眠良好,术后创口愈合良好,均无皮下气肿,无皮肤过敏情况,两组均未见圆销周围纤维囊形成。1.2X线拍片植入后当天拍片,两组圆销植入位置良好,与周围骨组织接触较紧密,植入物与骨组织间未见间隙。植入4w后,MgF2组圆销与骨组织紧密结合,形状无明显改变,与术后影像学表现相似。镁铝合金组圆销与骨组织间出现轻微空白影,两组圆销周围均未出现骨质吸收溶解情况。植入12w时镁铝合金组圆销周围细小空隙基本消失,植入物与骨组织间结合较紧密,有新生致密骨生成,未见骨质改变以及气体影。MgF2组骨组织与植入物间出现较小空白影,圆销周围有新生致密骨形成。两组骨质正常,X线未见骨质结构变化。两组圆销周围骨组织均未见骨质吸收及溶解现象。1.3肉眼观察12周时背阔肌中无涂层镁铝合金圆销出现降解,表面出现凹陷,较均匀,与周围肌肉组织结合紧密,肌肉组织未见颜色改变,未形成纤维状条索,肉眼观察未发现降解后产生的灰黑色产物。MgF2涂层镁合金材料涂层基本降解,肉眼可见黑色涂层颜色消失,外观大致与无涂层组相仿,周围组织一般情况可,未见组织外观改变,肉眼观察未发现降解后产生的灰黑色产物。1.4术前1d、术后8w和12w血清镁离子浓度统计学分析无显著性差别(F=1.081,P=0.410)。2.硬组织切片的观察12W时,植入物骨组织界面硬组织切片Masson染色可见镁铝合金组骨组织与植入物之间结合良好,之间有少量纤维组织包膜形成,植入物出现较均匀降解,有骨质均匀长入。MgF2组植入物边缘略不规则,与周围骨质间存在较多量纤维组织包膜。相比MgF2组,镁铝合金组植入物降解更明显,材料周围纤维组织更少。肉眼观察见兔背部两侧镁合金均出现不同程度降解,其中MgF2涂层基本降解,镁合金金属棒表面出现腐蚀,而镁铝合金组圆销呈现较均匀降解。与肉眼观察结果相仿。提示镁铝合金及其涂层材料均具有良好组织相容性,而镁铝合金组降解速度快于涂层组。3.肝肾组织切片观察12周肝肾组织切片观察未见肝肾组织毒性。12周两组肝组织切片显示：由肝细胞单行排列成凹凸不平的板状结构为肝索,围绕中央静脉呈放射状排列,并互相连接成网。肝细胞体积较大,多边形,内含1-2个核,位于中央,核仁明显,胞质染嗜酸性。肝血窦腔不规则,可见体积较大,具有突起的星形细胞。小叶间动脉腔小而圆,管壁厚,中膜有环形平滑肌。小叶间静脉腔大壁薄,管腔不规则小叶间胆管由单层立方上皮构成,胞质清亮,核圆着色较深。未见聚集炎症细胞以及组织结构改变。极少量单核细胞散在分布。12周两组肾组织切片显示：肾小囊壁层为单层扁平上皮,脏层紧贴血管表面与毛细血管的内皮分不开,两层之间的空腔为肾小囊腔,肾小管管腔小而不规则,上皮细胞为单层立方或锥体形,细胞游离面有刷状缘,核圆位于近基底部,胞质呈强嗜酸性染成深红色.未见组织结构破坏及炎性改变。结论1.镁铝合金和MgF2涂层镁铝合金均能与周围骨质发生紧密结合,生物相容性良好2.镁铝合金植入动物体内后不改变动物体内镁离子浓度,植入后2种材料均无皮下气肿和纤维囊形成,提示两种材料生物相容性良好。3.镁铝合金和MgF2涂层镁铝合金无体内肝肾组织毒性反应,具有良好生物相容性。4.镁铝合金及其MgF2涂层可有效减缓镁铝合金的腐蚀率。