镁锌合金植入动物体内的分子生物相容性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.16.010

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (16): 2921-2926.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.16.010

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镁锌合金植入动物体内的分子生物相容性

袁青领¹，阎钧²，郑起²，张绍翔³，张小农³

1郑州大学第一附属医院甲状腺外科，河南省郑州市 450052
2上海交通大学附属第六人民医院普外科，上海市 200233
3上海交通大学材料科学与工程学院，上海市 200240

收稿日期:2012-07-13 修回日期:2012-08-29 出版日期:2013-04-16 发布日期:2013-04-16
通讯作者: 阎钧，博士，主治医师，上海交通大学附属第六人民医院普外科，上海市200233 zhengqi1957@hotmail.com
作者简介:袁青领★，男，1984年生，河南省商丘市人，汉族，2011年上海交通大学毕业，硕士，主要从事甲状腺疾病基础与临床研究。yuanqingling113@sina.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(30901422)。

Molecular biocompatibility of a magnesium-zinc alloy implanted in animals

Yuan Qing-ling¹, Yan Jun², Zheng Qi², Zhang Shao-xiang³, Zhang Xiao-nong³

1 Department of Thyroid Surgery, the First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, Henan Province, China
2 Department of General Surgery, the Sixth Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200233, China
3 School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

Received:2012-07-13 Revised:2012-08-29 Online:2013-04-16 Published:2013-04-16
Contact: Yan Jun, Doctor, Attending physician, Department of General Surgery, the Sixth Hospital Affiliated to Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200233, China zhengqi1957@hotmail.com
About author:Yuan Qing-ling★, Master, Department of Thyroid Surgery, the First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, Henan Province, China yuanqingling113@sina.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 30901422*

摘要/Abstract

摘要：

背景：前期研究显示镁锌合金长期植入动物体内有较好的生物安全性。
目的：观察将镁锌合金植入大鼠盲肠的分子生物相容性。
方法：取72只SD大鼠，随机分成假手术组、纯钛组和镁锌合金组，每组24只。假手术组仅做盲肠切开缝合，纯钛组在盲肠切口周围包埋医用纯钛，镁锌合金组在盲肠切口周围包埋镁锌合金。手术前后检测血清谷丙转氨酶、肌酐、镁离子浓度及血小板衍化生长因子浓度，以及盲肠组织中转化生长因子β1表达情况。
结果与结论：术后相同时间点3组间血清谷丙转氨酶、肌酐、镁离子浓及血清血小板衍化生长因子浓度，以及盲肠组织中转化生长因子β1表达差异无显著性意义(P > 0.05)。镁锌合金组术后不同时间点血小板衍化生长因子浓度明显高于术前水平(P < 0.05)。表明镁锌合金对大鼠肠道伤口愈合无明显影响，在肠道内有较好的分子生物相容性。

关键词: 生物材料, 材料生物相容性, 镁锌合金, 纯钛, 伤口愈合, 分子生物相容性, 盲肠, 丙转氨酶, 肌酐, 镁离子, 血小板衍化生长因子, 转化生长因子β1, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Previous studies have shown that long-term implantation of magnesium-zinc alloy into animals has a good bio-security.
OBJECTIVE: To observe the molecular biocompatibility of biodegradable magnesium-zinc alloy samples implanted into the rat cecum.
METHODS: Seventy-two Sprague Dawley rats were randomly divided into magnesium-zinc alloy group, medical titanium group and sham-operated group, and there were 24 rats in each group. Then magnesium-zinc alloy samples were embedded in the cecum incision in the magnesium-zinc alloy group. The medical titanium was embedded in the medical titanium group, and just suture was done in the sham-operated group. Prior to and after surgery, alanine transaminase, creatinine, magnesium ion concentrations, serum platelet-derived growth factor concentration and the expression of transforming growth factor-β1 in the cecal tissue were detected by immunohistochemistry.
RESULTS AND CONCLUSION: No significant difference was determined in serum aspartate aminotransferase, creatinine, and magnesium ion concentrations, serum platelet-derived growth factor concentration and the expression of transforming growth factor-β1 among the magnesium-zinc alloy group, medical titanium group and sham-operated group at the same time point following surgery (P > 0.05). However, in the magnesium-zinc alloy group, the level of serum platelet-derived growth factor was significantly increased at different time after surgery (P < 0.05). The magnesium-zinc alloy had no harmful effect on wound healing of the rat cecum, and posed a good biocompatibility with the rat cecum.

Key words: biomaterials, material biocompatibility, magnesium-zinc alloys, pure titanium, wound healing, molecular biocompatibility, cecum, aspartate aminotransferase, creatinine, magnesium ion, platelet-derived growth factor, transforming growth factor-beta 1, National Natural Science Foundation of China

中图分类号:

R318

袁青领，阎钧，郑起，张绍翔，张小农. 镁锌合金植入动物体内的分子生物相容性[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(16): 2921-2926.

Yuan Qing-ling, Yan Jun, Zheng Qi, Zhang Shao-xiang, Zhang Xiao-nong. Molecular biocompatibility of a magnesium-zinc alloy implanted in animals[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(16): 2921-2926.

图/表（结果） 4

2.1 实验动物一般情况 术后各组动物状态良好，自由活动，饮食饮水正常，皮肤切口处均无出现局部感染、肿胀、坏死、炎症、红肿等情况。72只SD大鼠血清学数据全部进入结果分析，中途无死亡。

2.2 手术前后假手术组、纯钛组及镁锌合金组血清谷丙转氨酶、肌酐和血镁离子浓度检测结果 3组手术前后血清谷丙转氨酶、肌酐和血镁离子浓度变化见图1-3。

由图1-3可以发现，术前3组肝肾功能电解质差异无显著性意义(P均> 0.05)。术后同一时间段镁锌合金组和纯钛组与假手术组肝肾功能电解质相比差异无显著性意义(P > 0.05)。

2.3 ELISA检测假手术组、纯钛组及镁锌合金组手术前后血清血小板衍化生长因子浓度结果 3组术前血清血小板衍化生长因子浓度差异无显著性意义(P > 0.05)。术后同一时间段镁锌合金组和纯钛组与假手术组血清血小板衍化生长因子浓度相比差异无显著性意义(P > 0.05)。镁锌合金组术后各时间节点血清血小板衍化生长因子浓度高于术前(P < 0.05)，见图4。

2.4 假手术组、纯钛组及镁锌合金组术后盲肠组织中转化生长因子β1免疫组织化学表达水平见图5。

术后7 d时：假手术组盲肠组织中转化生长因子β1表达量为0.667±0.174，纯钛组为0.494±0.069，镁锌合金组的表达量明显增加，为0.957±0.072。3组两两相比差异无显著性意义(P > 0.05)。

术后14 d时：假手术组盲肠组织中转化生长因子β1表达量为0.855±0.276，纯钛组为0.490±0.078，镁锌合金组为0.824±0.247。3组两两相比差异无显著性意义 (P > 0.05)。

术后21 d时：假手术组盲肠组织中转化生长因子β1表达量为0.937±0.219，纯钛组为0.577±0.152，镁锌组为0.866±0.200。3组两两相比差异无显著性意义 (P > 0.05)。

术后28 d时：假手术组盲肠组织中转化生长因子β1表达量为0.978±0.147，纯钛组为0.647±0.088，镁锌合金组的表达量略有增加，为1.219±0.177。3组两两相比差异无显著性意义(P > 0.05)。

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引言

材料方法

设计：血液生化指标观察、植入部位X射线观察、肝肾肠病理切片，随机对照动物实验。
时间及地点：于2009年11月至2010年3月在上海交通大学附属第六人民医院动物实验室完成，使用单位许可证号：SYXK(沪)2006-0010。
材料：
镁锌合金和医用纯钛材料：镁锌合金和医用纯钛由上海交通大学材料科学与工程学院提供，尺寸5 mm×1 mm×1 mm，固溶态镁合金含镁94%、锌6%。在金相砂纸上磨至1 000，之后分别在丙酮、乙醇与蒸馏水中超声清洗，实验前紫外照射灭菌消毒2 h或⁶⁰Co照射30 min。
实验动物：雄性SD大鼠72只，体质量250-300 g，平均280 g，由西普尔-必凯实验动物有限公司提供，生产单位许可证号：SCXK(沪)2008-0016。实验过程中对动物的处置参照国家科学技术部2006年发布的《关于善待实验动物的指导性意见》^[9] 。
镁锌合金植入动物体内的分子生物相容性实验主要实验试剂及仪器：
Main reagents and instruments:

实验方法：
动物分组：采用随机区组法将72只大鼠分成假手术组、纯钛组和镁锌合金组，每组24只。
手术方法：盐酸氯胺酮(80 mg/kg)腹腔麻醉成功后，固定大鼠，碘伏消毒皮肤，铺孔巾，分离股静脉，真空管取血约1mL。腹部取正中切口，长约1 cm，盐水纱布覆盖切口周围，逐层切开皮肤、肌肉入腹，无菌干棉球止血，将盲肠从伤口中取出，距盲肠末端约1 cm处，切开长约5 mm小口，与盲肠长径垂直，假手术组仅作切开缝合，纯钛组和镁锌合金组植入医用纯钛和镁锌合金，进行全层缝合及浆肌层加固，检查是否有出血，逐层关腹，术后皮下补9 g/L葡萄糖氯化钠盐水约2 mL，动物苏醒后自由活动，自由饮水和饮食。
主要观察指标：①观察各组大鼠术前、术后饮食，活动情况及切口有无炎症及渗出情况。②术前、术后第7，14，21，28天，全自动血液生化分析仪检测血清谷丙转氨酶、肌酐和血镁离子浓度。③术前、术后14，28 d，抽外周血1 mL，4 000 r/min离心后取血清，检测各组大鼠血清血小板衍化生长因子浓度。④术后第7，14，21，28天，每组每个时间节点处死6只，取盲肠石蜡切片，采用免疫组织化学法检测盲肠组织中转化生长因子β1表达水平。
统计学分析：采用SPSS 17.0软件进行统计分析，统计数据柱形图表示，多组均数间的比较采用单因素方差分析。P < 0.05表示差异有显著性意义。

讨论

外科消化道吻合术后良好的吻合口愈合是手术成功的标志，也是消化道重建的保证[^10]。创伤愈合是一个细胞、细胞递质和细胞外基质参与的动态过程，血小板和炎症细胞首先进入创口，分泌细胞因子等，趋化成纤维细胞、巨噬细胞，促进新血管生成和合成胶原纤维，愈合强度取决胶原合成和降解的平衡^[11-13] 。胃肠道重建不仅仅是形态学上的重建，更重要的是吻合口周围细胞的再生及分化，同时也是肠黏膜损伤后多种生长因子与凋亡因子相互作用的修复过程，更是肠道免疫细胞及其调节因子和基因对肠上皮细胞调节增殖、成熟及分化的严密调节过程^[14-17] 。在消化道吻合的愈合中良好的血管生成与血液供应对创面愈合、组织再生至关重要。目前认为吻合口愈合可分为3期，即力学愈合期、组织愈合期及成熟期^[18-19] 。缝合是通过缝线的拉力将吻合口的两端拉合在一起，只是完成了组织的对合即力学愈合，而组织愈合才是真正的愈合。吻合器的吻合材料是金属钉，其特点是组织相容性好，异物刺激引起的炎性反应最轻，有利于吻合口愈合。实验使用的镁、锌等全营养素组成的镁合金其弹性模量约为45GPa，更接近人体的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应；镁与镁合金的密度约为1.7g/cm³，与人骨密度(1.75g/cm³)接近，远低于典型应用的Ti-6Al-4V(4.47g/cm³)的密度，能够提供良好的力学愈合^[7]。

生长因子参与创面愈合，创面愈合受多种因素调控，其中多种生长因子在创面愈合过程中具有重要作用，主要有血小板衍化生长因子和转化生长因子 β1^[20-22] 。血小板衍化生长因子能促使中性粒细胞分泌溶菌酶、中性蛋白酶以及阴离子过氧化物，以便清除创伤部位的坏死组织和病原性微生物，对成纤维细胞、平滑肌细胞、单核细胞、中性粒细胞等有趋化吸引作用，并强力刺激成纤维细胞增殖及诱导其合成胶原和纤维连接蛋白等成分，形成肉芽组织，促进创面愈合^[23-24] 。转化生长因子β1促进成纤维细胞的迁移、增殖与合成分泌Ⅰ、Ⅱ型胶原和纤维连接蛋白等；刺激成纤维细胞产生内源性转化生长因子β1，形成正反馈刺激作用；在创面愈合过程中，转化生长因子β1还可通过基因调节蛋白，增强胶原基因的表达，促进胶原的聚积^[25-26] 。肠道中的转化生长因子β1对维持肠道稳态很重要。转化生长因子β1对小肠隐窝细胞作用主要表现在，它是抑制小肠隐窝细胞增殖并诱导其凋亡的主要调节因子，诱导小肠隐窝细胞分化，此过程通过smad3介导，它还参与提高上皮屏障通透性的调节^[27-28] 。手术损伤的剧烈刺激及金属异物的植入可以导致肠道内环境突然变化，引起肠组织内这些细胞因子表达的改变，最终发生重要的形态和功能重新适应以对抗损伤性变化，促进恢复并维持健康平衡状态。

实验通过动态检测肠组织中血小板衍化生长因子和转化生长因子β1的变化，为明确有效诊断肠道金属植入物对肠上皮影响提供有价值的评价指标和依据。实验结果显示镁锌合金植入大鼠肠道后，在手术前后不同时间点，与假手术组和纯钛组相比，血小板生长因子浓度差异无显著性意义，在术后不同时间点，镁锌合金组盲肠组织中转化生长因子β1表达与假手术组和纯钛组相比差异无显著性意义，其盲肠伤口愈合良好，无明显充血水肿，未见明显炎症细胞浸润，这可以在分子水平证实镁锌合金不影响伤口愈合。

实验将镁锌合金和医用纯钛分别植入大鼠盲肠后不同时间段的检测结果表明：镁锌合金组与纯钛组和假手术组同一时间段谷丙转氨酶、肌酐和血镁浓度比较差异无显著性意义(P > 0.05)；镁锌合金组、纯钛组和假手术组的血清血小板衍化生长因子浓度和盲肠组织中转化生长因子β1表达量在同一时间点的差异无显著性意义(P > 0.05)；镁锌合金材料对肝肾功能均没有毒性反应，在一定程度上说明了材料在实验动物体内的安全性。镁及其合金具有优良的综合力学性能与人体良好的生物相容性，以及生物可降解吸收性等特点，作为一类新型医用植入材料具有巨大的优势和潜力。但由于镁及其合金的耐蚀性能差，加之人体内是一个复杂的腐蚀环境，因此镁及镁合金的医用研究还需要进一步开展^[29-30] 。随着研究的深入与系统，镁及其合金作为医用植入材料的优势将会进一步展现，其临床应用领域也将会更加开阔。

镁锌合金植入动物体内的分子生物相容性

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