高纯镁吻合钉与钛合金吻合钉用于兔肠吻合术的对比研究

王啸虎 阎钧 张绍翔 张芦燕

消化道重建是外科重要技术之一。传统的消化道手工吻合技巧要求高，耗时长，术中易损伤组织，导致吻合口感染及吻合口瘘等[1]。吻合器械的出现能有效节省手术时间，提高吻合质量，减少术后并发症的发生，实现消化道重建手术的标准化。吻合钉钉脚、钉臂击发时和吻合后在组织愈合过程中所承受的应力不一样[2]，因此吻合钉材料必须拥有良好的力学性能[3]。根据吻合器及其组件标准（YY0876-2013），吻合钉材料需强度＞240 MPa，爆破压≥3.6 kPa。目前临床吻合钉材料多为钛类金属，它们生物相容性和力学性能良好，但由于是惰性材料，在生物体内常出现疲劳腐蚀，导致局部金属离子积聚，刺激周围炎症、水肿、过度及异常增生等[4]。另一方面，吻合组织在力学愈合期（术后1～3 d），吻合口的结合力完全依赖于吻合钉，而在后期组织纤维化期和成熟期（术后5～7 d），上皮新生、肉芽修复，组织结合力则基本稳定[5]。可见吻合口在愈合过程中依赖吻合钉提供的力学支持是动态变化的，愈合完成后吻合钉的持续存在可能会成为组织的负担。因此，研发可降解吻合钉材料是国内外研究热点。

镁作为生物可降解金属材料具有良好的生物相容性和力学性能[6]。前期研究显示，镁及镁合金材料植入动物体内后局部组织炎症反应较少，能促进肠上皮细胞恢复紧密连接和胶原蛋白合成，保护肠上皮细胞，促进肠道愈合[7-12]。本研究拟比较高纯镁吻合钉与钛合金吻合钉在吻合操作、术后降解以及吻合口愈合方面的实际应用情况，初步探索高纯镁吻合钉应用于兔肠吻合的可行性，为后期镁或镁合金吻合钉的改进以及最终临床转化提供基础实验依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料医用钛合金（Ti-3Al-2.5V，TLC系列）吻合钉购自美国强生爱惜康内镜外科有限公司。高纯镁丝由苏州奥芮济医疗科技有限公司提供，由冷拉拔加工工艺制备，直径0.26 mm，屈服强度（147±8）MPa，抗拉强度（196±5）MPa，延伸率14.6%±5.0%。化学成分主要有锰（Mn）、硅（Si）、镍（Ni）、铜（Cu）、铝（Al）、铁（Fe）和镁（Mg），质量分数分别为0.000 8%、0.002 0%、0.000 2%、0.000 3%、0.000 8%、0.001 5%和99.990 0%。高纯镁吻合钉参照钛合金吻合钉数据，结合材料特性和镁的高应力腐蚀敏感性，加工成图1所示U型，钉内角100°。实验前植入材料均使用29 kGy钴60（cobalt-60，上海世龙科技有限公司）照射密封备用。两种类型的吻合钉均装入75 mm线性切割吻合器（NTLC75，美国强生爱惜康）。

图1 高纯镁吻合钉及尺寸数据示意图

1.2 实验动物分组和处理5～6月龄新西兰大白兔（24只）购自上海斯莱克实验动物有限责任公司，雌雄不限，体质量2.0～2.5 kg，随机分为高纯镁组和钛合金组，每组12只，常规饲养，术前12 h禁食。以3%戊巴比妥钠（30 mg/kg）耳缘静脉注射麻醉，腹部备皮，无菌条件下进行手术操作。沿中腹部正中线逐层切开皮肤，皮下白线腹膜进腹。找到盲肠，两端用纱带临时扎住减少近端远端肠内容物进入手术区域。打开肠腔，用碘伏消毒后，先行盲肠肠管侧侧吻合，再用吻合器关闭肠腔完成吻合。用湿纱布压迫局部吻合口减少出血，吻合口周围碘伏消毒，关闭腹壁，具体实验操作见图2（插页）。记录手术时间。术后单次注射青霉素预防感染，术后4 h后进食、进水，单笼常规饲养，可自由活动。分别于术后第1、2、3周各取每组4只兔子进行剖腹探查。若实验过程中有动物死亡，则立即剖腹探查，明确吻合口愈合情况及死亡原因。

图2 动物实验图（a：肠管横切碘伏消毒肠腔；b：高纯镁和钛合金吻合钉行肠侧侧吻合术；c～e：高纯镁和钛合金吻合钉行肠切割闭合）

1.3 指标测定

1.3.1 吻合口评估3%戊巴比妥钠腹腔注射麻醉后取原腹部切口进腹，找到肠吻合口，评估吻合口愈合情况以及周围脓肿、炎症渗出等情况。参照Nair等[13]的肠粘连评分法计算吻合口粘连评分：0分，无粘连；1分，吻合口与内脏或腹壁间有1条粘连带；2分，吻合口与内脏或腹壁间有2条粘连带；3分，多于2条粘连带而内脏未直接粘连至腹壁；4分，内脏直接粘连到腹壁，而不管粘连带多少。

1.3.2 吻合口压力负载试验分离截取包含吻合口在内约10 cm肠段组织，一端夹闭，另一端连接橡皮导管，丝线结扎固定，连三通后分别接压力监测器和注射泵，将亚甲蓝以8～10 ml/min速度注入肠腔，记下吻合口有液体漏出或压力突然下降时监测器的压力值，定义为肠吻合口破裂压。

1.3.3 观察评价和扫描电子显微镜评估吻合钉降解情况分别于术后第1、2、3周打开各组肠吻合口，肉眼观察评价吻合钉降解残留情况；取下吻合钉，采用扫描电子显微镜（日立S-3700N，日本），配备能量色散X射线光谱系统，评估分析高纯镁吻合钉和钛合金吻合钉的降解情况。

1.4 统计学处理采用SPSS 18.0统计软件。计量资料以表示，两组间比较采用两独立样本t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组手术情况比较两组各成功应用高纯镁吻合钉和钛合金吻合钉行肠吻合术，手术成功率均为100%；手术时间高纯镁组为（35.50±5.85）min，钛合金组为（34.81±4.90）min，差异无统计学意义（P＞0.05）。术后动物饮食、活动均正常，实验期间无动物死亡。

2.2 两组吻合口情况比较两组在各实验时间点剖腹探查均未见肠吻合口瘘和吻合口周围脓肿。各实验时间点两组吻合口粘连评分比较，差异均无统计学意义（均P＞0.05），见表1。剖开肠管观察，两组吻合口均无明显狭窄，黏膜层及浆膜层整齐、光滑，未见明显瘢痕组织形成。

表1 吻合口粘连评分（分）

2.3 两组吻合口破裂压比较术后第1周，高纯镁组肠吻合口破裂压低于钛合金组，术后第2周，高纯镁组肠吻合口破裂压高于钛合金组，但均无统计学差异（均P＞0.05）。术后第3周，两组肠吻合口破裂压相近，差异无统计学意义（P＞0.05），见表2。

表2 吻合口破裂压比较（mmHg）

2.4 两组吻合钉降解情况比较术后各实验时间点肠吻合口均可见完整钛合金吻合钉；扫描电镜下观察可见，各实验时间点钛合金吻合钉基体完整，基体表面有少量沉淀，表面织构清晰，见图3a（插页）。术后1周肠吻合口可见高纯镁吻合钉，钉基体完整；第2周吻合口吻合钉脱落明显，残留吻合钉可见明显降解；第3周吻合口可见少量吻合钉残留，残留吻合钉基体完整。扫描电镜下观察可见，1周后高纯镁吻合钉金属光泽暗淡，表面磨痕消失，出现较为均匀的点状腐蚀，表明氧化和腐蚀的发生；2周后表面呈现不规则花纹团簇，降解产物大多沉淀在整个表面；3周后，找寻残留吻合钉，电镜下显示基体完整，表面呈均匀的腐蚀降解，无明显裂缝裂隙，见图3b（插页）。

图3 术后第1、2、3周两组吻合钉降解情况（a1～3：术后第1、2、3周肠吻合口完整钛合金吻合钉；a4～6：术后第1、2、3周扫描电镜下钛合金吻合钉基体完整；b1：术后第1周肠吻合口高纯镁吻合钉基体完整；b2：术后第2周吻合钉脱落，残留吻合钉可见明显降解；b3：术后第3周吻合口少量吻合钉残留；b4：术后第1周，扫描电镜下吻合钉出现较为均匀的点状腐蚀；b5：术后第2周，扫描电镜下吻合钉表面呈现不规则花纹团簇，降解产物沉淀；b6：术后第3周，扫描电镜下残留吻合钉表面呈均匀腐蚀降解）

3 讨论

目前临床上常用的胃肠道吻合器械有线性吻合器、弧形吻合器和管状吻合器等，这些吻合器械操作简单，可有效节省手术时间，减少术野狭小、位置较深部位的吻合难度，实现了胃肠道吻合技术的标准化，推进了微创手术的发展[14]。但随着医疗技术的发展以及患者对生存生活质量要求的提高，吻合钉体内的长期残留在引起一些不良反应的同时，也给患者造成了一定的生理心理负担[15]。因此，在医学、材料学和工程学等学科跨越式交叉发展的基础上，寻找替代的可降解吻合钉材料是探索和研究的热点。镁是人体必需元素，其降解产物可被机体代谢吸收并排出体外，具有良好的生物安全性和相容性，由镁和全营养素组成的镁合金制备可生物降解医用材料具有可行性。相对于传统的生物医用材料如不锈钢、钛合金等，镁及镁合金弹性模量相对较低，作为植入材料使用时应力遮挡效应较小[16]。同时有研究显示，镁合金在降解过程中还会产生一定的生物功能，如成骨效应、促血管化和促伤口愈合等[17-18]。因此，新型镁合金可降解医疗器械具有巨大的应用潜力和广阔的市场前景。

提高新型材料机械力学性能以确保在吻合过程中的顺利塑形，在愈合早期提供足够结合力，以及提升耐腐蚀性能以保证愈合完成前不会快速崩解是目前医学材料科学的主要研究方向。本研究使用的高纯镁吻合钉降解速度较慢，钉内角角度可调整，保证了吻合钉残余应力的平衡分布。研究发现，高纯镁吻合钉在吻合器推杆推进过程中无明显卡顿，组织切割闭合良好，具有良好的塑形能力。两组吻合口在各实验时间点均未见明显脓肿和瘘，吻合口粘连评分差异无统计学意义，两组吻合口切开观察黏膜层及浆膜层整齐、光滑，无明显狭窄。吻合口破裂压检测显示两组吻合钉早期提供的结合力相似，后期高纯镁吻合钉脱落后吻合口破裂压在两组间亦无明显差异。术后各实验时间点吻合钉降解的大体评估和扫描电镜观察显示，钛合金吻合钉基体完整，基体表面结构清晰，高纯镁吻合钉在术后第2周开始出现降解脱落，降解腐蚀在整个实验过程较为缓和，无明显钉体崩裂。以上结果提示，高纯镁吻合钉在肠吻合术中具有较好的耐腐蚀性能，与钛合金吻合钉相比，其降解过程可以与肠道愈合所需的动态结合力以及愈合时间相匹配，在降解的同时达到与钛合金吻合钉同样的肠吻合愈合效果。

高纯镁吻合钉植入体内后，其降解速率受吻合部位及周围复杂的内环境影响，同时不同的饮食结构也会导致降解过程存在一定差异[19]。随着植入时间延长，降解产物的覆盖，细胞组织的黏附包裹，吻合部位活动所施加的作用力等，吻合钉的降解速率和降解模式会不断发生变化。研究显示，镁合金丝材在体外浸泡试验和新西兰兔体内植入试验中存在较为明显的降解速率差异，体内腐蚀速率要远低于体外的降解速率，降解产物元素图谱分析提示两者存在一定的差异[20]。动物体内不同部位植入试验提示，镁合金材料在胃和肠道的降解速率和降解产物不同，可能与胃和肠道不同的酸碱环境以及蠕动模式不同有关[21]。因此，在本研究的基础上，后续要关注高纯镁吻合钉在无组织状态下塑形后的应力分布以及不同组织吻合后不同时间点的钉体应力分布，通过能谱分析不同吻合部位吻合钉的降解产物成分，评估高纯镁吻合钉对于吻合组织的生物学作用，通过材料加工工艺和表面改性等方法进行改进和完善。