陸 華 俞懿強(qiáng) 隋佰延 劉 昕 孫 皎

（上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院 口腔醫(yī)學(xué)院口腔材料科，國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，上海市口腔醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市口腔醫(yī)學(xué)研究所，上海生物材料研究測試中心，上海 200011）

近年來，醫(yī)用純鎂作為新一代的“智能綠色材料”，成為可降解醫(yī)用植入材料領(lǐng)域的焦點(diǎn)。相比傳統(tǒng)的不銹鋼和鈦基材料，它不僅具有與人體骨組織匹配的力學(xué)性能（力學(xué)強(qiáng)度和彈性模量），而且表現(xiàn)出良好的生物相容性和成骨活性[1-3]。高純鎂（99.99 wt.%）抗腐蝕性優(yōu)于大多數(shù)的鎂合金[4]，還能有效避免毒性元素釋放的風(fēng)險(xiǎn)問題，P Han等報(bào)道醫(yī)用高純鎂在體內(nèi)外具有良好的成骨活性[5]。然而，作為生物可降解的骨植入材料，由于不需二次手術(shù)拆除，醫(yī)用純鎂會(huì)在體內(nèi)存在相當(dāng)長的時(shí)間。在這期間，它的主要降解產(chǎn)物鎂離子是否會(huì)引起血鎂和尿鎂含量的變化，從而影響肝腎功能等尚未見系統(tǒng)研究。本文選擇醫(yī)用純鎂，研究純鎂骨植入后的主要降解產(chǎn)物在體內(nèi)的代謝及其在重要臟器中的蓄積和定量分布情況，為其臨床應(yīng)用提供重要的安全性方面的評價(jià)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 主要材料

醫(yī)用純鎂：直徑2 mm，長度6 mm的柱狀植入棒，由上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院提供；對照材料：直徑2 mm，長度6 mm的柱狀HDPE植入棒，由日本Hatano研究所提供。

1.2 主要儀器設(shè)備

全自動(dòng)生化分析儀（Hitachi 7600， Japan）；電感耦合等離子質(zhì)譜儀（ICP-MS 7700，安捷倫，美國）。

1.3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

健康、成年新西蘭大白兔24只，購自上海松江松聯(lián)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物場，體重2.2～2.5 kg。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的使用經(jīng)上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.4 實(shí)驗(yàn)分組及周期

動(dòng)物編號，隨機(jī)選擇1#～9#兔子植入醫(yī)用純鎂（實(shí)驗(yàn)組），10#～18#兔子植入HDPE（對照組），用于研究體內(nèi)代謝分布；植入周期分別為4 w、12 w和26 w，每組每期各3只動(dòng)物。19#～24#兔子植入醫(yī)用純鎂，研究植入前、后不同時(shí)間點(diǎn)的血鎂和尿鎂等的變化趨勢，試驗(yàn)周期為26 w。

1.5 試驗(yàn)方法

1.5.1 骨植入實(shí)驗(yàn)

參照ISO1093-6：2016[6]的標(biāo)準(zhǔn)，用2.5%戊巴比妥鈉麻醉動(dòng)物。按常規(guī)外科手術(shù)要求消毒，沿肌肉間隙暴露脛骨皮質(zhì)，在脛骨中段用低轉(zhuǎn)速間歇地鉆孔（每側(cè)制備3個(gè)孔，孔徑2 mm，間隔10 mm），并用生理鹽水沖洗降溫。實(shí)驗(yàn)組動(dòng)物雙側(cè)脛骨共植入6個(gè)純鎂試樣，逐層縫合肌肉、筋膜和皮膚。對照組動(dòng)物同法操作，植入HDPE。

1.5.2 主要降解產(chǎn)物Mg2+的體內(nèi)代謝分布

植入后4 w、12 w和26 w分別對實(shí)驗(yàn)組和對照組的動(dòng)物實(shí)施安樂死，收集2組的尿液、血液及重要臟器（心、肝、脾、腎、肺），利用ICPMS，檢測各組織中降解產(chǎn)物Mg2+的含量。

1.5.3 植入前后體內(nèi)血鎂/尿鎂濃度的動(dòng)態(tài)變化

分別在植入前、植入后的1 w、2 w、3 w、4 w、6 w、8 w、10 w、12 w、14 w、16 w、18 w、20 w、22 w、24 w和26 w收集19#～24#每只兔子的尿液各5 mL，運(yùn)用全自動(dòng)生化分析儀測定尿鎂濃度。分別在植入前及植入后的4 w、8 w、12 w、18 w、22 w、26 w抽取兔血4 mL，離心收集0.5 mL血清后，運(yùn)用全自動(dòng)生化分析儀測定血清中的鎂濃度以及重要生化指標(biāo)（血清丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、肌酐及尿酸）的水平。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

利用SPSS軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，實(shí)驗(yàn)組與對照組相比，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 ICP-MS分析Mg2+的體內(nèi)代謝分布

ICP-MS分析結(jié)果如表1 所示，體內(nèi)分布研究結(jié)果表明，純鎂試樣植入后4 w、12 w、26 w，與對照相比，體內(nèi)重要臟器（心、肝、脾、腎、肺）組織中Mg2+濃度未發(fā)生顯著變化（P＞0.05）。

表1 ICP法分析骨植入后不同時(shí)間點(diǎn)動(dòng)物體內(nèi)的Mg2+濃度 （μg/g）

體內(nèi)代謝研究結(jié)果顯示，植入后4 w、12 w和26 w，血液中Mg2+濃度未發(fā)生顯著的升高或降低，與對照組之間的差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），而尿液中Mg2+濃度在植入后4 w和12 w時(shí)有升高趨勢，與對照相比差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），到26 w可恢復(fù)到正常水平。

2.2 植入前后的血鎂濃度變化

血生化分析結(jié)果顯示：相比植入前，純鎂植入后的血清鎂濃度僅發(fā)生很小幅度的波動(dòng)，未見顯著的升高或降低（圖1）。而且各時(shí)期的血清鎂濃度的標(biāo)準(zhǔn)差均很小，說明不同個(gè)體間的差異也不大，該指標(biāo)較為穩(wěn)定可靠。

圖1 純鎂植入前后動(dòng)物的血清鎂濃度變化

2.3 植入前后的尿鎂濃度變化

尿液生化分析結(jié)果顯示：純鎂植入前后的尿鎂濃度未發(fā)生顯著的升高或降低（圖2），無時(shí)間依賴性變化。僅在6 w到8 w階段出現(xiàn)了短時(shí)的小幅上升，到10 w時(shí)又回落到之前的水平。而且各時(shí)期的尿鎂濃度的標(biāo)準(zhǔn)差均很小，說明不同個(gè)體間的差異也不大，該指標(biāo)較為穩(wěn)定。

圖2 純鎂植入前后動(dòng)物的尿液鎂濃度變化

2.4 植入前后主要血生化指標(biāo)的變化

在純鎂植入前后，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的血清丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（ALT）、天門冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（AST）和血清肌酐（CR）水平未發(fā)生顯著性變化（圖3A，B）；血清尿酸（UA）的濃度均在4 w時(shí)較植入前顯著降低，但在4 w后均穩(wěn)定維持在較低水平（圖3C，D）。

圖3 純鎂植入前后4種主要的血清生化指標(biāo)的變化

3 討論

醫(yī)用純鎂作為一類預(yù)期應(yīng)用于口腔、心血管和骨科領(lǐng)域的可降解類生物材料，由于會(huì)在體內(nèi)存在相當(dāng)長的時(shí)間，因此，揭示醫(yī)用純鎂的長期全身毒性，探究其主要降解產(chǎn)物（鎂離子）在生物體內(nèi)的分布和代謝規(guī)律，對于系統(tǒng)評價(jià)材料的長期生物安全性顯得尤為重要。

研究結(jié)果表明，純鎂試樣植入后4 w、12 w和26 w，與對照組相比，體內(nèi)重要臟器（心、肝、脾、腎、肺）組織中Mg2+濃度未發(fā)生顯著變化（P＞0.05），提示醫(yī)用純鎂材料在骨植入26 w內(nèi)其降解產(chǎn)物Mg2+未在體內(nèi)重要臟器發(fā)生蓄積。體內(nèi)代謝研究結(jié)果顯示，與對照組相比，植入后4 w、12 w、26 w，血液中Mg2+濃度未發(fā)生顯著的升高或降低（P＞0.05），且血鎂水平在植入后26 w之內(nèi)無時(shí)間依賴性變化，基本保持穩(wěn)定，提示純鎂金屬的降解并未快速產(chǎn)生大量的Mg2+釋放入血液，因而未引起血清鎂含量的明顯升高。而尿液中Mg2+濃度在植入后4 w和12 w時(shí)與對照相比有升高趨勢（P＜0.05），到26 w回落到正常水平，提示純鎂金屬材料的降解產(chǎn)物Mg2+可能經(jīng)腎臟代謝后由尿液排出。

醫(yī)用純鎂降解后不可避免地會(huì)產(chǎn)生鎂離子和鎂微粒等產(chǎn)物。這些降解產(chǎn)物進(jìn)入骨髓和體液而后進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。那么它們是否會(huì)引起血液中鎂的升高或蓄積呢？本研究結(jié)果顯示：純鎂植入體內(nèi)后，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的血清鎂含量未發(fā)生異常升高或降低（圖1），這表明高純鎂的降解并沒有快速產(chǎn)生大量的鎂離子進(jìn)入血液，因而未引起血清鎂含量的明顯升高。這一現(xiàn)象與Mg-1Ca和ZEK100鎂合金植入后的血清鎂結(jié)果相符[7，8]。成人體內(nèi)的鎂元素50%存在于骨骼，45%在細(xì)胞內(nèi)液，細(xì)胞外液的鎂元素僅占5%。在細(xì)胞外液，鎂的含量僅次于鈉、鉀、鈣而居第4位。眾所周知，鎂元素在許多生理過程中發(fā)揮了重要作用，是多種重要生物酶的激活劑。例如堿性磷酸酶、磷酸變位酶、己糖激酶、焦磷酸酶、肌酸激酶等的催化作用都須有鎂離子的激活[9]。鎂也是組成DNA、RNA及核糖體大分子結(jié)構(gòu)所必需的元素之一，參與維持正常的神經(jīng)和肌肉功能。血清鎂是反應(yīng)肝腎功能的重要指標(biāo)之一。嚴(yán)重肝腎功能異常疾病如慢性腎炎少尿期、急性或慢性腎功能衰竭和急性病毒性肝炎等均會(huì)引起血清鎂的異常升高。純鎂植入前后各時(shí)期的血清鎂濃度未見異常升高（圖1），說明純鎂的降解產(chǎn)物既沒有引起機(jī)體鎂元素的代謝紊亂，也未影響正常的肝腎功能。這可能是因?yàn)榧冩V在體內(nèi)降解較為緩慢，產(chǎn)生的鎂離子并未突釋進(jìn)入血液，而且逐步產(chǎn)生的一定濃度的鎂離子還利于骨組織新生。

血液中的鎂離子最終經(jīng)過腎臟濾過進(jìn)入尿液，本研究發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)動(dòng)物在26 w的植入周期內(nèi)，純鎂植入前后的尿液鎂含量也未發(fā)生顯著變化（圖2），這表明純鎂的降解并沒有快速產(chǎn)生大量的鎂離子經(jīng)由尿液排泄。由此提示，緩慢降解產(chǎn)生的鎂離子是逐漸勻速地排泄出體外，因而不會(huì)引起尿鎂濃度大幅度的波動(dòng)。

盡管已經(jīng)證明醫(yī)用純鎂降解產(chǎn)生的鎂離子未引起血液和尿液中的鎂異常升高，那么這些鎂離子是否會(huì)在經(jīng)過肝臟代謝和腎臟濾過時(shí)蓄積在組織器官中而引起肝腎功能異常呢？這是純鎂生物安全性的重要方面。為此，我們對血清中與肝腎功能密切相關(guān)的生化指標(biāo)進(jìn)行了長期動(dòng)態(tài)監(jiān)測。丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（ALT）廣泛存在于各種器官組織中，肝細(xì)胞中ALT含量最多。當(dāng)肝臟發(fā)炎時(shí)轉(zhuǎn)氨酶就會(huì)從肝細(xì)胞釋放到血液中，因此，血清ALT是評價(jià)肝臟功能和肝細(xì)胞受損的重要指標(biāo)。與ALT類似，正常血清中天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（AST）含量很低，但當(dāng)肝細(xì)胞或心肌細(xì)胞受損時(shí)胞漿內(nèi)的AST釋放入血漿。AST是反映肝細(xì)胞壞死的重要指標(biāo)，可以和ALT結(jié)合起來反映肝功能的狀況。本研究結(jié)果顯示，在醫(yī)用純鎂植入后各時(shí)期ALT和AST的水平均未發(fā)生顯著升高（圖3A，B），提示純鎂植入物的降解產(chǎn)物經(jīng)肝臟代謝時(shí)沒有引起肝細(xì)胞損傷和肝功能異常。

腎臟是降解產(chǎn)物排出體外的重要器官，為了研究醫(yī)用純鎂降解產(chǎn)物對腎臟功能的影響，我們動(dòng)態(tài)監(jiān)測了兩個(gè)重要的腎功能生化指標(biāo)，即血肌酐和血尿酸。肌酐是肌肉代謝產(chǎn)生的小分子物質(zhì)，幾乎全部通過腎小球?yàn)V過隨尿液排出體外。血肌酐是反應(yīng)腎功能的靈敏指標(biāo)，它的升高意味著腎功能異常。尿酸是嘌呤分解代謝的最終產(chǎn)物，腎臟功能受損會(huì)導(dǎo)致血尿酸濃度顯著升高，因此血尿酸檢測是診斷腎功能受損的有效手段。醫(yī)用純鎂植入后各時(shí)期的動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果顯示，血肌酐和血尿酸的濃度均未出現(xiàn)明顯增高（圖3C，D）。這有力地證明新型純鎂的降解產(chǎn)物沒有引起腎功能的損害。由此推測緩慢降解產(chǎn)生的鎂尚在機(jī)體清除的能力之內(nèi)，而不會(huì)蓄積在肝腎組織中。

4 結(jié)論

綜上所述，由于醫(yī)用純鎂在體內(nèi)發(fā)生長期緩慢的降解，降解過程中并沒有快速產(chǎn)生大量的鎂離子進(jìn)入血液而導(dǎo)致血鎂異常升高，且降解產(chǎn)物經(jīng)腎臟排泄出體外，既未引起肝腎功能異常，也未導(dǎo)致尿鎂的顯著增高。由此提示，醫(yī)用純鎂作為一種預(yù)期用于骨組織的可降解類生物材料，在體內(nèi)顯示了良好的生物安全性。