鎂鍶合金膜在犬下頜骨缺損修復中的應用觀察

孫溪饒

錦州醫科大學附屬第二醫院，遼寧錦州 121000

牙周病是臨床上常見的一類口腔疾病，發病率高，并且危害大，對人們的生活質量影響嚴重，是臨床上導致成人牙列缺損的最主要原因，而嚴重的牙周炎可以導致牙齒脫落以及頜骨骨質的破壞和吸收[1]。GBR利用生物屏障膜技術，將骨缺損區域與其周圍的結締組織進行隔離，在一個相對封閉的環境里促進植骨材料成骨，最終完成骨缺損的修復，不僅能夠解決臨床上由于重度牙周炎或因外傷、感染、腫瘤等導致的頜骨缺損，同時也為種植體區域局部骨量不足、種植體周圍炎引起的骨吸收等問題提供了新的可供選擇的有效治療方法[2,3]。礦化膠原膜具有骨誘導活性以及良好生物相容性，主要成分納米羥基磷灰石與Ⅰ型膠原均是骨組織的主要成分，能夠促進人類間充質干細胞的成骨分化，有良好的生物相容性、生物可降解性、骨傳導性和骨誘導性，但在GBR技術中礦化膠原較差的力學性能容易造成骨再生空間維持困難[4～8]。鎂基金屬材料的密度和彈性模量與人體的骨組織接近，其抗壓性能甚至較硫酸鈣、陶瓷等材料更優，有望成為新的引導骨再生屏障膜材料[9～11]。然而鎂在體內的快速且不可控制的腐蝕/降解行為，會使其高的機械強度可能較快地喪失，而且在降解過程中產生的氫氣會在植入物周圍形成氫氣囊，引發急性和不利的炎癥反應[12,13]。在過往研究中，鎂基金屬已被廣泛研究用于骨組織工程支架，但只有少數研究[14]集中在使用鎂基金屬作為GBR技術的屏障膜。本研究通過制備犬下頜骨缺損模型，并植入鎂鍶合金膜，觀察其修復效果，旨在評估鎂鍶合金膜修復骨缺損的可靠性。

1 材料與方法

1.1 鎂鍶合金膜、礦化膠原膜 鎂鍶合金膜(1.5wt.%鍶)，中國科學院金屬研究所提供，尺寸20 mm×20 mm×0.38 mm。礦化膠原膜，北京奧精醫藥科技有限公司研制生產，尺寸20 mm×20 mm×0.38 mm。

1.2 實驗動物 選用雄性健康雜種犬6只，12月齡左右，體質量12～15 kg，由錦州醫科大學實驗動物中心提供(實驗動物倫理審批編號為201808283)。所有犬分籠圈養，自由飲水，定時定量喂食。

1.3 犬下頜骨缺損模型制備、分組及鎂鍶合金膜、礦化膠原膜的應用 預先拔除6只犬的下頜第2、第3前臼齒。待拔牙創愈合后，于下頜缺牙區分別在頰側建立箱型骨缺損模型，共計12個骨缺損模型。實驗犬術前12 h禁飲食，稱重并記錄，鹽酸塞拉嗪注射液(陸眠寧)以0.1～0.15 mL/kg計量肌注麻醉，麻醉后實驗犬取側臥位固定于試驗臺上，常規消毒，鋪設手術洞巾，阿替卡因腎上腺素注射液局部浸潤麻醉。缺牙區于頰側牙齦梯形切口，分離黏膜暴露骨面，于牙槽嵴頂下約2 mm處建立骨缺損，長度為15 mm，寬度為5 mm，深度為3 mm。12個骨缺損模型隨機分為A、B、C組各4個，A組植入鎂鍶合金膜，B組植入礦化膠原膜，C組不作任何處理。術后連續3 d肌肉注射青霉素以預防感染，并給予適當營養支持。

1.4 犬術后一般情況觀察及取材 嚴密觀測所有實驗犬的術后狀態，包括活動、飲食以及創口狀態等，尤其注意實驗區域是否出現出血、滲出、腫脹、溢膿、開裂等情況。術后12周處死全部實驗犬，取材，觀察各組離體實驗區域標本牙齦狀態及骨缺損愈合豐滿度等大體情況。

1.5 犬下頜骨塊超微結構觀察及骨體積分數計算 犬下頜骨實驗區域取材，制備A、B、C組目標骨塊(近遠中向約20 mm、高度約10 mm)，X線顯微鏡設置掃描電壓80 kV，曝光時間1 s，樣本沿垂直軸旋轉360°采集1 600張投影，投影像素尺寸22.481 4 μm。使用濾波反投影算法重建投影數據，隨后使用Avizo Fire軟件進行處理和可視化。在A、B、C組的實驗區域選取一個1 mm×1 mm大小的感興趣區域(ROI)，在此ROI基礎上選取一個1 mm×1 mm×1 mm大小的立方體感興趣體積區域(VOI)，觀察A、B兩組目標骨塊超微結構，計算A、B、C三組VOI區域骨體積分數，分析比較A、B、C三組成骨效果。

1.6 犬下頜骨塊切片的骨組織結構觀察 將經過上述XRM檢測的A、B、C組實驗區標本放置于多聚甲醛溶液(4%，4 ℃)中，固定48 h，再經24 h流水沖洗后，乙醇梯度脫水、合成樹脂浸潤約8 h，包埋后使用EXAKT系統切磨制備硬組織學切片，甲苯胺藍染色后封片，置于光鏡下進行硬組織學觀察，分析比較A、B、C三組新生骨組織結構。

1.7 犬肝、腎、牙齦組織病理學觀察 取犬肝、腎及實驗區域牙齦組織，10%中性甲醛溶液固定剪切后的較小組織塊，流水沖洗，梯度乙醇脫水，二甲苯透明處理后浸蠟包埋，切片后行HE染色，封片，光鏡下進行組織病理學觀察，分析A、B兩組材料植入后實驗犬主要臟器及牙齦結構有無異常。

2 結果

2.1 各組大體觀察結果 所有實驗犬生存狀態良好，術后首日狀態低迷，之后恢復正常，進食良好。各實驗犬均為一期愈合，未見材料暴露及創口感染。術后12周，A組植骨區外形輪廓較飽滿，質地堅硬；B組植骨區外形豐滿度稍遜，質地尚可；C組因未作任何處理，外形輪廓塌陷。

2.2 各組X線射線顯微鏡檢測結果 術后12周，A、B兩組實驗區均無植骨材料及膜材料影像，實驗區充滿新生骨小梁組織，新生骨斷面呈現立體的網狀多孔結構，分析VOI區域可見排列緊密、有序的粗大骨小梁；C組對應區域內新生骨小梁排列相對疏松、細小。A、B、C組骨體積分數分別為43.92±1.25、43.67±1.18、20.73±1.02，A、B組分別與C組比較，P均<0.05。

2.3 各組硬組織學觀察結果 A、B兩組植骨材料及膜材料均完全降解無殘留，新生編織骨充填于骨缺損區域，互相交錯、有序排列，切片均呈現出多孔網狀結構。C組僅見少許新生骨組織，且局限于骨缺損邊緣附近。

2.4 各組肝、腎、牙齦組織病理學觀察結果 各組犬可見其肝臟細胞及組織結構正常，未見炎癥反應；結構完整的肝小葉中心中央靜脈清晰可見，胞核大而清晰，位于肝細胞中央位置。各組犬腎臟細胞及組織結構正常，未見炎癥反應；腎小球正常且散在分布，邊緣完整且規則，不規則的近曲小管管腔較小，胞質嗜酸性；規則的遠曲小管尚規則，胞質呈弱嗜酸性。各組犬牙齦均可見其細胞及組織結構正常，未見炎癥反應；可見角化或不全角化的復層鱗狀上皮，上皮釘突較多且細長，深入固有層內。

3 討論

牙周炎是口腔臨床常見的一類疾病，重度牙周炎可引起為嚴重的牙骨質以及牙槽骨破壞和吸收[15]。除此之外，外傷、腫瘤術后亦或是先天性因素等都可能導致頜骨的骨缺損。針對骨缺損的骨移植術同GBR技術聯合應用，效果優于二者的單獨使用。GBR屏障膜有保護植骨材料，增加其穩定性的作用，使得植骨材料在骨修復期間不易發生松動或移位的情況，與此同時屏障膜還能在一定程度上減緩植骨材料的降解速率[16]。因此，GBR屏障膜在GBR技術中起著至關重要的作用。目前，GBR膜主要有不可吸收屏障膜如純鈦膜等，以及可吸收屏障膜如Bio-Gide雙層膠原膜等[17]，可吸收屏障膜因其具有可生物降解性，能避免患者進行二次手術移除不可吸收屏障膜所需的多余費用及額外承擔的痛苦。因此，可吸收屏障膜是目前GBR屏障膜研究的熱點[18]。但目前可吸收屏障膜力學性能較差且不易固定，在臨床應用中易出現屏障膜移位和難以維持成骨空間等問題[19]。

本實驗使用的礦化膠原膜由北京清華大學研發，已廣泛應用于臨床，具有突出的生物學性能，與其他膜材料相比，礦化膠原膜和成骨細胞有著更高的接觸水平。但礦化膠原膜力學性能較差，植入后可能會塌陷而影響成骨效果[20]。金屬材料在醫用方面歷史悠久，相比一些傳統的無機非金屬醫用材料、高分子醫用材料，其綜合力學性能、加工成型能力更為優異。其中鎂基金屬相比其他的生物醫用金屬材料，有著諸多優勢，具有可生物降解性，良好的生物相容性和力學性能，并具有優異的成骨活性[21]。有研究表明，作為人體骨骼組成成分的鎂，能夠促進局部Ca2+沉積，適量Mg2+能夠增強成骨細胞活性，鍶同鎂一樣，均為人體必需元素，并且在骨組織中存在著人體內99%的鍶，鍶作為鎂的合金化元素可以增強鎂合金的力學性能，并改善其耐腐蝕性，鎂鍶合金能夠促進骨缺損區新生骨組織愈合和礦化[22]。這在我們課題組前期運用鎂鍶合金修復犬頜骨缺損的實驗中也得到了證實[23]。總而言之，鎂能夠促進骨的修復與再生[24,25]。本實驗所用鎂鍶合金膜(鍶1.5wt.%)具有300 MPa的抗壓強度，與骨皮質的力學性能相近[26]，在一定程度上可滿足GBR技術中維持成骨空間所需的支撐能力。

從實驗的各項檢測結果中可以看出，A、B兩組屏障膜引導的骨再生實驗區均充填新生骨組織，且無統計學差異。術后12周X射線顯微鏡結果顯示，A、B兩組VOI區域的骨體積分數基本相同，但A、B兩組骨體積分數均高于C組；同時，A、B兩組實驗區骨硬組織學切片均顯示出新生骨組織的替代、改建，這表明礦化膠原膜與鎂鍶合金膜兩組新生骨的密度與成骨量基本一致，鎂鍶合金膜表現出優異的成骨活性。但在X射線顯微鏡觀察結果以及骨硬組織切片觀察結果中均未見鎂鍶合金膜及礦化膠原膜殘留的存在，說明本實驗中鎂鍶合金及礦化膠原屏障膜已經完全降解吸收，低于骨組織愈合所需時間(>12周)，材料的降解速率尚未與骨組織愈合過程相匹配。術后12周所有實驗犬大體觀察和肝、腎組織以及實驗區牙齦組織病理學觀察結果顯示，A、B兩組材料實驗區手術創口愈合良好，未見感染，各主要臟器及牙齦病理學標本均顯示正常組織結構，未見炎細胞浸潤，提示本實驗所用鎂鍶合金膜對全身主要臟器和局部軟組織的安全性良好，具有良好的生物安全性。

總之，鎂鍶合金膜與礦化膠原膜相比，具有良好的生物安全性，且成骨效果無明顯差異，有望成為未來GBR技術屏障膜候選材料之一，但鎂鍶合金膜降解速率尚不能與骨組織愈合、再生進程相匹配，今后還需對鎂基金屬材料耐腐蝕性進行不斷優化。