镁锶合金膜在犬下颌骨缺损修复中的应用观察

孙溪饶

锦州医科大学附属第二医院，辽宁锦州 121000

牙周病是临床上常见的一类口腔疾病，发病率高，并且危害大，对人们的生活质量影响严重，是临床上导致成人牙列缺损的最主要原因，而严重的牙周炎可以导致牙齿脱落以及颌骨骨质的破坏和吸收[1]。GBR利用生物屏障膜技术，将骨缺损区域与其周围的结缔组织进行隔离，在一个相对封闭的环境里促进植骨材料成骨，最终完成骨缺损的修复，不仅能够解决临床上由于重度牙周炎或因外伤、感染、肿瘤等导致的颌骨缺损，同时也为种植体区域局部骨量不足、种植体周围炎引起的骨吸收等问题提供了新的可供选择的有效治疗方法[2,3]。矿化胶原膜具有骨诱导活性以及良好生物相容性，主要成分纳米羟基磷灰石与Ⅰ型胶原均是骨组织的主要成分，能够促进人类间充质干细胞的成骨分化，有良好的生物相容性、生物可降解性、骨传导性和骨诱导性，但在GBR技术中矿化胶原较差的力学性能容易造成骨再生空间维持困难[4～8]。镁基金属材料的密度和弹性模量与人体的骨组织接近，其抗压性能甚至较硫酸钙、陶瓷等材料更优，有望成为新的引导骨再生屏障膜材料[9～11]。然而镁在体内的快速且不可控制的腐蚀/降解行为，会使其高的机械强度可能较快地丧失，而且在降解过程中产生的氢气会在植入物周围形成氢气囊，引发急性和不利的炎症反应[12,13]。在过往研究中，镁基金属已被广泛研究用于骨组织工程支架，但只有少数研究[14]集中在使用镁基金属作为GBR技术的屏障膜。本研究通过制备犬下颌骨缺损模型，并植入镁锶合金膜，观察其修复效果，旨在评估镁锶合金膜修复骨缺损的可靠性。

1 材料与方法

1.1 镁锶合金膜、矿化胶原膜 镁锶合金膜(1.5wt.%锶)，中国科学院金属研究所提供，尺寸20 mm×20 mm×0.38 mm。矿化胶原膜，北京奥精医药科技有限公司研制生产，尺寸20 mm×20 mm×0.38 mm。

1.2 实验动物 选用雄性健康杂种犬6只，12月龄左右，体质量12～15 kg，由锦州医科大学实验动物中心提供(实验动物伦理审批编号为201808283)。所有犬分笼圈养，自由饮水，定时定量喂食。

1.3 犬下颌骨缺损模型制备、分组及镁锶合金膜、矿化胶原膜的应用 预先拔除6只犬的下颌第2、第3前臼齿。待拔牙创愈合后，于下颌缺牙区分别在颊侧建立箱型骨缺损模型，共计12个骨缺损模型。实验犬术前12 h禁饮食，称重并记录，盐酸塞拉嗪注射液(陆眠宁)以0.1～0.15 mL/kg计量肌注麻醉，麻醉后实验犬取侧卧位固定于试验台上，常规消毒，铺设手术洞巾，阿替卡因肾上腺素注射液局部浸润麻醉。缺牙区于颊侧牙龈梯形切口，分离黏膜暴露骨面，于牙槽嵴顶下约2 mm处建立骨缺损，长度为15 mm，宽度为5 mm，深度为3 mm。12个骨缺损模型随机分为A、B、C组各4个，A组植入镁锶合金膜，B组植入矿化胶原膜，C组不作任何处理。术后连续3 d肌肉注射青霉素以预防感染，并给予适当营养支持。

1.4 犬术后一般情况观察及取材 严密观测所有实验犬的术后状态，包括活动、饮食以及创口状态等，尤其注意实验区域是否出现出血、渗出、肿胀、溢脓、开裂等情况。术后12周处死全部实验犬，取材，观察各组离体实验区域标本牙龈状态及骨缺损愈合丰满度等大体情况。

1.5 犬下颌骨块超微结构观察及骨体积分数计算 犬下颌骨实验区域取材，制备A、B、C组目标骨块(近远中向约20 mm、高度约10 mm)，X线显微镜设置扫描电压80 kV，曝光时间1 s，样本沿垂直轴旋转360°采集1 600张投影，投影像素尺寸22.481 4 μm。使用滤波反投影算法重建投影数据，随后使用Avizo Fire软件进行处理和可视化。在A、B、C组的实验区域选取一个1 mm×1 mm大小的感兴趣区域(ROI)，在此ROI基础上选取一个1 mm×1 mm×1 mm大小的立方体感兴趣体积区域(VOI)，观察A、B两组目标骨块超微结构，计算A、B、C三组VOI区域骨体积分数，分析比较A、B、C三组成骨效果。

1.6 犬下颌骨块切片的骨组织结构观察 将经过上述XRM检测的A、B、C组实验区标本放置于多聚甲醛溶液(4%，4 ℃)中，固定48 h，再经24 h流水冲洗后，乙醇梯度脱水、合成树脂浸润约8 h，包埋后使用EXAKT系统切磨制备硬组织学切片，甲苯胺蓝染色后封片，置于光镜下进行硬组织学观察，分析比较A、B、C三组新生骨组织结构。

1.7 犬肝、肾、牙龈组织病理学观察 取犬肝、肾及实验区域牙龈组织，10%中性甲醛溶液固定剪切后的较小组织块，流水冲洗，梯度乙醇脱水，二甲苯透明处理后浸蜡包埋，切片后行HE染色，封片，光镜下进行组织病理学观察，分析A、B两组材料植入后实验犬主要脏器及牙龈结构有无异常。

2 结果

2.1 各组大体观察结果 所有实验犬生存状态良好，术后首日状态低迷，之后恢复正常，进食良好。各实验犬均为一期愈合，未见材料暴露及创口感染。术后12周，A组植骨区外形轮廓较饱满，质地坚硬；B组植骨区外形丰满度稍逊，质地尚可；C组因未作任何处理，外形轮廓塌陷。

2.2 各组X线射线显微镜检测结果 术后12周，A、B两组实验区均无植骨材料及膜材料影像，实验区充满新生骨小梁组织，新生骨断面呈现立体的网状多孔结构，分析VOI区域可见排列紧密、有序的粗大骨小梁；C组对应区域内新生骨小梁排列相对疏松、细小。A、B、C组骨体积分数分别为43.92±1.25、43.67±1.18、20.73±1.02，A、B组分别与C组比较，P均<0.05。

2.3 各组硬组织学观察结果 A、B两组植骨材料及膜材料均完全降解无残留，新生编织骨充填于骨缺损区域，互相交错、有序排列，切片均呈现出多孔网状结构。C组仅见少许新生骨组织，且局限于骨缺损边缘附近。

2.4 各组肝、肾、牙龈组织病理学观察结果 各组犬可见其肝脏细胞及组织结构正常，未见炎症反应；结构完整的肝小叶中心中央静脉清晰可见，胞核大而清晰，位于肝细胞中央位置。各组犬肾脏细胞及组织结构正常，未见炎症反应；肾小球正常且散在分布，边缘完整且规则，不规则的近曲小管管腔较小，胞质嗜酸性；规则的远曲小管尚规则，胞质呈弱嗜酸性。各组犬牙龈均可见其细胞及组织结构正常，未见炎症反应；可见角化或不全角化的复层鳞状上皮，上皮钉突较多且细长，深入固有层内。

3 讨论

牙周炎是口腔临床常见的一类疾病，重度牙周炎可引起为严重的牙骨质以及牙槽骨破坏和吸收[15]。除此之外，外伤、肿瘤术后亦或是先天性因素等都可能导致颌骨的骨缺损。针对骨缺损的骨移植术同GBR技术联合应用，效果优于二者的单独使用。GBR屏障膜有保护植骨材料，增加其稳定性的作用，使得植骨材料在骨修复期间不易发生松动或移位的情况，与此同时屏障膜还能在一定程度上减缓植骨材料的降解速率[16]。因此，GBR屏障膜在GBR技术中起着至关重要的作用。目前，GBR膜主要有不可吸收屏障膜如纯钛膜等，以及可吸收屏障膜如Bio-Gide双层胶原膜等[17]，可吸收屏障膜因其具有可生物降解性，能避免患者进行二次手术移除不可吸收屏障膜所需的多余费用及额外承担的痛苦。因此，可吸收屏障膜是目前GBR屏障膜研究的热点[18]。但目前可吸收屏障膜力学性能较差且不易固定，在临床应用中易出现屏障膜移位和难以维持成骨空间等问题[19]。

本实验使用的矿化胶原膜由北京清华大学研发，已广泛应用于临床，具有突出的生物学性能，与其他膜材料相比，矿化胶原膜和成骨细胞有着更高的接触水平。但矿化胶原膜力学性能较差，植入后可能会塌陷而影响成骨效果[20]。金属材料在医用方面历史悠久，相比一些传统的无机非金属医用材料、高分子医用材料，其综合力学性能、加工成型能力更为优异。其中镁基金属相比其他的生物医用金属材料，有着诸多优势，具有可生物降解性，良好的生物相容性和力学性能，并具有优异的成骨活性[21]。有研究表明，作为人体骨骼组成成分的镁，能够促进局部Ca2+沉积，适量Mg2+能够增强成骨细胞活性，锶同镁一样，均为人体必需元素，并且在骨组织中存在着人体内99%的锶，锶作为镁的合金化元素可以增强镁合金的力学性能，并改善其耐腐蚀性，镁锶合金能够促进骨缺损区新生骨组织愈合和矿化[22]。这在我们课题组前期运用镁锶合金修复犬颌骨缺损的实验中也得到了证实[23]。总而言之，镁能够促进骨的修复与再生[24,25]。本实验所用镁锶合金膜(锶1.5wt.%)具有300 MPa的抗压强度，与骨皮质的力学性能相近[26]，在一定程度上可满足GBR技术中维持成骨空间所需的支撑能力。

从实验的各项检测结果中可以看出，A、B两组屏障膜引导的骨再生实验区均充填新生骨组织，且无统计学差异。术后12周X射线显微镜结果显示，A、B两组VOI区域的骨体积分数基本相同，但A、B两组骨体积分数均高于C组；同时，A、B两组实验区骨硬组织学切片均显示出新生骨组织的替代、改建，这表明矿化胶原膜与镁锶合金膜两组新生骨的密度与成骨量基本一致，镁锶合金膜表现出优异的成骨活性。但在X射线显微镜观察结果以及骨硬组织切片观察结果中均未见镁锶合金膜及矿化胶原膜残留的存在，说明本实验中镁锶合金及矿化胶原屏障膜已经完全降解吸收，低于骨组织愈合所需时间(>12周)，材料的降解速率尚未与骨组织愈合过程相匹配。术后12周所有实验犬大体观察和肝、肾组织以及实验区牙龈组织病理学观察结果显示，A、B两组材料实验区手术创口愈合良好，未见感染，各主要脏器及牙龈病理学标本均显示正常组织结构，未见炎细胞浸润，提示本实验所用镁锶合金膜对全身主要脏器和局部软组织的安全性良好，具有良好的生物安全性。

总之，镁锶合金膜与矿化胶原膜相比，具有良好的生物安全性，且成骨效果无明显差异，有望成为未来GBR技术屏障膜候选材料之一，但镁锶合金膜降解速率尚不能与骨组织愈合、再生进程相匹配，今后还需对镁基金属材料耐腐蚀性进行不断优化。