图形抽象

生物降解植入金在人体组织。TEM图像显示明显的生物降解植入黄金和re-crystallization溶解金纳米颗粒的不同大小、形状和结晶度。高度结晶的二十面体金纳米颗粒和相应的功率谱上所示。

背景:尽管生物降解的耐久性的重要性金属假肢和黄金植入物的广泛使用,存在缺乏知识关于纯金在组织的稳定性。

方法:我们研究了生物降解网格的精金,镍、铜以及中耳假黄金,铂金或钛。金属被植入大鼠皮肤和人类。金属的溶解和re-crystallization过程使用SEM分析,TEM、功率谱和元素分析由EDX和鳗鱼/ ESI。

结果:生物降解的黄金被检测到,可能是通过求解和re-precipitation植入物周围的黄金。黄金集群、纳米颗粒和中构造被检测到,解散和re-crystallization形成的过程。这个过程的结果变成黄金的迁移旅行者组织。促进细胞丝作为生物分子模板中构造的形成。损失函数的中耳假肢的生物降解是由慢性炎症和纤维化引起的。事实上,类似的过程发现了铂金,但在一个非常低的水平。

结论:贵金属在氧化环境中组织植入物进行生物降解。溶解-再结晶过程可以解释为对酶催化氧化还原过程由活性氧和减少剂抗坏血酸存在于细胞和身体组织。Enymes像髓过氧物酶溶酶体内部的炎症细胞产生hypochloride离子和H²O²可溶解黄金。

一般的意义:关键作用的黄金植入组织的特定的化学环境的化学稳定性和耐久性的功能已被证明。由于广泛使用和黄金植入物的重要性,这一发现是普遍的利益。

观察金属植入物的生物降解和生物材料主要的非贵金属金属,如钛和不锈钢[1,2 - 13]。有时,所谓metallose是可见的在周围组织长期的钛板插入后骨缝术或钛员工治疗脊柱侧弯的骨头。宏观上,metallose可见皮肤[14]。Metallose组织相关罚款扩散分布的金属或金属氧化物微粒(1日)。对应的区域显示一个黑色grey-bluish色彩,即使植入金属银或金的。过去,我们报道一个年轻女士脖子上的纹身皮肤后冲洗被雷击造成部分蒸发的金色装饰链[1]。我们发现黄金粒子大小的她的皮肤30µm 5海里,到2毫米在皮下组织深处。他们大多是包含在吞噬周围,成纤维细胞和外国多核巨细胞如图所示的光学显微镜和透射电子显微镜(TEM)和扫描电镜(SEM)。这些金矿的部分结晶性质证明了高功率透射电子衍射。与金夫人的纹身,有趣的是,在一年后复检的材料沉积的迹象的出现可能的生物降解和re-crystallization的黄金合金首饰链。

根据这些初步的研究结果,在这里,我们研究的生物降解纯金植入大鼠颈部皮肤插入两个月后,由Danscher如图所示,et al . [14]。此外,我们比较实验生物降解的黄金,镍和铜网格以及黄金、铂和钛中耳假肢的老鼠与中耳假肢后长期植入到患者。我们将证明,即使是高贵的精金,这是稳定的长时间用于口腔牙齿植入物可以在身体组织环境遭受生物降解。此外,我们目前的结果形成的结晶性质黄金集群。假说的形成这些金纳米粒子的溶解和re-crystallization过程。这些过程导致广泛的黄金粒子植入物周围的组织和部分远离黄金植入的位置导致炎症和纤维化。

病人资料

已经描述了[1],我们研究了皮肤活检的24岁女士,脖子上有纹身与部分蒸发雷击和冲洗后她的装饰链。根据能量色散X射线衍射分析(EDX),电子能量损失谱(鳗鱼)和原子吸收光谱(AAS),这个黄金链是70%的合金,20%的白银和10%的铜。最初的金链是丢失事故,不幸的是。纹身后的切片是一年。组织固定在4%的戊二醛磷酸缓冲盐(PBS) 1 h,洗在PBS, OsO4柱固定在1%,丙酮脱水,嵌入在环氧树脂环氧树脂(书、瑞士)。

黄金样品

作为黄金生物降解的测试材料,我们用纯金网格,通常用于制备电子显微镜(200目,普莱诺,德国)。网格估计100%黄金的纯度EDX (KEVEX)扫描电镜(DSM 960、蔡司、德国)。相比较而言,铜和镍网格使用(200年土豆泥,普莱诺,德国)。此外,中耳假肢stapedioplasty和治疗部分耳聋的黄金,铂金或钛(史密斯和侄子Inc .巴特莱特TN,美国)植入了比较老鼠的脖子的皮肤下的生物降解。最近,我们使用假肢公司昆兹(亨氏Kunz GmbH Medizintechnik Dußlingen,德国)植入的病人。此外,我们研究了外植体和周围组织在TEM和SEM。

实验动物

20个白色的雄性老鼠的近交品系(LEW 1 w应变Karlsburg,德国)开始体重200克被用于植入实验。动物被饲养在动物病理学系,罗斯托克大学,再辅以鼠标准饮食和水随意。

移植和移植

老鼠的结合所接受(Parke-Davis,柏林,德国)和Rompun(拜耳勒沃库森,德国)。金、镍和铜网格或金、铂、钛中耳假体置于一个削减的皮肤在右耳后面进入皮下组织。伤口是由两个或三个封闭针和手术针缝合材料。植入后两个月,测试材料移植的组织第二次手术。患者的中耳假体移植失败后的函数麻醉下手术的诊所和门诊部的耳朵,鼻子和喉咙的疾病罗斯托克大学的德国。42外植体的病人,横笛假体与周围组织电子显微镜研究了。

制备的组织和超薄的部分

删除网格或假体与周围的结缔组织固定在4%戊二醛在PBS一小时,洗在同一个缓冲区和后固定在1% OsO4 1 h。包括金属制品的组织在一系列分级的丙酮脱水,嵌入在环氧树脂环氧树脂(书、瑞士)。Semithin和超薄部分准备的超微切片机Ultracut慢波睡眠(莱卡)使用钻石刀(Diatome、比尔、瑞士)。Semithin部分(0.5 - -1.5µm)被用于微观研究光甲苯胺蓝染色后的偏振模式。

电子显微镜研究

透射电子显微镜:超薄部分进行了研究后contrastation与醋酸双氧铀及柠檬酸铅或没有在80千伏contrastation TEM(蔡司902 EM), 120千伏TEM(蔡司天秤座120)或200千伏TEM(飞利浦厘米200 FEG)。高分辨率透射电镜拍摄与Gatan SlowScan相机。图像的功率谱计算与Gatan数码显微照片的软件。

扫描电镜:中耳stapedioplasty和治疗部分耳聋研究假肢植入/移植前后的SEM DSM 960(德国蔡司)。

元素分析

估计植入或展示的基本组成元素分布,我们使用分析电子显微镜。在我们使用EM 902鳗鱼移动过滤,静电镜子类型Castaing / Ottismeyer, CCD相机(Proscan德国)、奔腾电脑EFTEM软件包(卓奥林巴斯姐姐,德国)。120年天秤座,我们鳗鱼分析使用一个2 kω过滤和CCD相机(Proscan德国)或EDX系统(EDAX)。SEM DSM 960,我们分析了由EDX系统构成的化学元素(KEVEX)。

生物降解研究

图1显示了黄金发育在皮肤组织巨噬细胞(组织细胞)一年后的冲洗,部分蒸发的装饰链的脖子小姐,发表在[1]。除了颗粒状,球状金粒子,纵向粘或它结构和tangle-like追踪观察。详细的TEM检测表明,粘或它是中空的,像金纳米管结构。记得这些不同的形状结构的自组装纳米结构。纳米粒子的形状规整和组织等上层建筑的形成似乎是不太可能的直接结果冲过去。

因为蒸发金装饰链的夫人是一个合金的黄金,白银和铜我们研究的过程可能的生物降解后精金网格的颈部皮肤下植入老鼠。证明假设所观察到的纳米粒子组装模式没有出现主要由flash在皮肤下蒸发,但re-crystallization和re-arrangement金原子发生在细胞内储存的黄金时期在氧化和还原过程的影响下,我们决定植入纯金网格(而不是合金)。经过两个月的沉淀,周围组织的移植的网格显示非晶态黄金集群(小球)约5至10 nm大小(图2)。他们靠近金属表面,这是x射线非晶态。此外,金沉淀也可以检测到在较大距离黄金网格矩阵的结缔组织。金沉淀成纤维细胞和组织细胞内积累。细胞内,金纳米粒子被吞噬溶酶体内部积累和残余机构(图3)。而额外的球状细胞沉淀和黄金集群主要是形状,拉长的胞内积累黄金往往是形式,comma-like或pipe-shaped。这已经观察可能表示一个bio-templating对细胞内颗粒形状的影响。

相比之下非贵金属铜和镍网格被植入两个老鼠。两个月后,植入移植。而铜网格完全腐蚀和解决,镍电网只是部分退化。植入物周围的组织是宏观上变色和黑暗的。TEM我们发现大量的成纤维细胞和组织细胞中充满了溶酶体和积累重金属残留的身体。在半薄的部分中,我们观察到大量的肥大细胞紧密连接镍积累吞噬细胞和成纤维细胞。甲苯胺蓝染色后半薄片,组胺生产和储存肥大细胞也可见异染性的红颜色的物种视为对镍过敏反应的植入物(此处没有显示图片与镍和铜网格)。

在平行,我们调查了中耳stapedioplasty假肢,包括黄金、铂金或钛。四个这样的金银丝细工黄金假体和一个假铂金如图4所示。观察到的生物降解这些黄金假体是可比的网格。的积累黄金集群结缔组织矩阵和吞噬细胞取决于应用程序的周期。一些植入操作超过十年。植入物周围的黄金积累增加的时间使用。假肢的丧失功能监测对不同金属的物种。(这里介绍的临床数据,而不是)。黄金假体似乎更短的耐久性比钛或铂金的。我们的结论是,更快的降解可能诱发早期和较强的局部慢性炎症导致损失的功能。

发现用植入金网格,在TEM黄金假体的生物降解是可见的。周围组织和连接矩阵包含沉淀的黄金。有检测到一个梯度金属表面的沉淀或积累黄金粒子进入周围组织。组织增加应用程序时间,金沉淀更流离失所的从原点。相比,钛和铂金,黄金植入物的生物降解是强大。有趣的是,假体低钛的生物降解。不过,我们能够发现的生物降解高贵的铂假肢。铂假肢的材料纯度检查了EDX(图5)。EDX光谱显示八个白金的特征信号,确认材料的纯度高。不能检测到EDX其他元素。

这个高纯铂假肢植入一个老鼠两个月。再两个月后,铂假体周围组织的显示在TEM很少电子致密的连接矩阵和一些颗粒沉淀,累积在溶酶体和剩余的尸体组织细胞和成纤维细胞吞噬作用的沉淀的迹象。他们黑暗元素特定的成像(ESI)(图6)。此外,鳗鱼光谱植入物周围组织的记录。铂的外观鳗鱼中的特定信号光谱证实了解散和re-precipitation铂的植入物(图7)。因此,生物降解的贵金属组织并不局限于黄金。然而,生物降解程度的铂金和黄金相比要低得多。最稳定的钛金属植入物。形成一个稳定的氧化钛表层保护反对进一步化学攻击。有些假体钛表面由公司的硝化更好的耐化学性。

高分辨率透射电镜研究纳米颗粒

生物降解形成的金属集群的黄金电网200千伏TEM研究了。超薄削减黄金网格或中耳的假体可能是通过使用一个钻石刀。这样很薄的部分200千伏电子束的传输和显示当地的金原子有序排列的多晶金网格和植入。微晶的短程秩序由功率谱证明只显示一些山峰a - c(图8)。黄金的超薄切片机切网格允许图像去除圆形状的黄金粒子即使位于臀部的部分(图9)。庞大的黄金电网出现的表面微观结构,而不均匀促进化学攻击。圆形状的粒子是国米的一部分。这些纳米颗粒与晶粒尺寸的多晶ca。2.5海里。

除了这些圆形粒子,一些非常小的金纳米粒子被观察到。这些纳米颗粒的大小不同于一些20 nm。他们表现出不同的形状和atom包装。一些非常小的颗粒形状不规则。可能,他们像粒子生长的早期阶段就像种子(图10)。其他人则更大,圆的形状。此外,许多形状规整的decahedral-like或二十面体粒子被发现(图10)。好解决功率谱显示高度有序排列的黄金二十面体(图11)。二十面体的能量最稳定的结晶纳米(纳米晶体)。

功率谱已经记录了多晶金和几个选择单一纳米粒子(图11)。他们显示不同的模式确认这些粒子的晶体性质与非晶颗粒。塑造了二十面体晶体显示好看和更为复杂的模式显示黄金的高结晶度和远程命令(图11)。相比较而言,功率谱的黄金集群计算基于结构数据的黄金。事实上,他们很好地与实验结果相比较。这些计算独立证实,所观察到集群真正由纯金属黄金。

观察到移植的黄金粒子由于解散将黄金以及re-precipitation溶解黄金植入身体组织结构重组的金颗粒的真实性不同形状相对很长一段时间后确实是一个令人惊讶的和意想不到的现象[17]。Danscher,等人是第一个报道纯金网格内动物的生物降解实验。显然,这一发现是在矛盾的一般知识除外化学稳定性和优秀高贵的黄金的属性。精金是酸性和碱性条件下的化学稳定性以及对溶剂。所以,这种金属是用来长期植入的牙科设备几乎没有问题。

然而,它必须考虑,强烈氧化代理能够溶解甚至高贵的黄金(18 - 20)。例如,黄金是溶于次氯酸盐溶液和氧化酸,像“水里吉斯,“盐酸和硝酸的混合物。这是由于活性非常强的亚硝酰氯的形成[21]和氯自由基在种”状态。事实上,人体组织也是一个为植入“咄咄逼人”的环境。次氯酸盐、过氧化物或羟基自由基也存在于组织提供的过氧化物酶酶溶酶体与过氧化物酶体。此外,活性氧,包括臭名昭著的“自由基”形成细胞呼吸的副产品,可以攻击黄金。络合剂和Cl -阴离子也可以形成稳定的移动与金复合物,它能够通过体液扩散迁移。因此,解散黄金是通过改变化学平衡[21]。此外,杂质和合金与铜和银的黄金可能会降低化学稳定性。所以,腐蚀的金币和古董首饰,当然在很长一段时间,是众所周知的[22]。 Reductive agents in the tissue reduce the dissolved gold again leading to the observed precipitation of gold nanoparticle.

Re-crystallized金纳米粒子稳定性低于笨重的黄金。金粒子的稳定性变化显著的降低粒径微-纳米剂量。表面原子体积增加的比率显著降低粒径。表面原子不太强烈。他们被氧化活性并接受容易溶解剂(23、24)和re-crystallize再次在还原剂柠檬酸和抗坏血酸[25]成不同形状和大小的纳米粒子。一般知道吸附分子,表面活性剂和高分子,如寡肽,影响粒子的大小和形状,并允许,在预期的比例,一个形状和大小金纳米晶体的定向生长和合成纳米金溶胶(25、26)。在身体组织re-crystallization溶解黄金或金纳米粒子成新的形状的结构出现在不同的还原剂和表面活性剂的存在,生物分子、胶束、囊泡和表面像bio-membranes和相关结构[研究]解释形成粒子的种类和结构。亚稳态纳米颗粒,溶解和再结晶或re-precipitation组织是一个非平衡过程。

bio-membranes表面和胶原纤维等纤维可以作为生物分子模板和直接线性或2 -和三维对齐(非球状增长)的黄金纳米颗粒导致上述报道中构造的形成,见夫人的纹身皮肤经过冲洗和蒸发的脖子上装饰链。胶体纳米颗粒从溶液里沉积在衬底上,可以形成各种各样的自发的非平衡模式。这些包括自组织结构如离岛和像虫的领域,连续复杂的网络结构,粘性fingering-like分形结构和微米大小的戒指。成核和生长和亚稳态机制都是负责这些结构[31]。与通常的晶体,这是由三维,严格要求期刊的原子排列,这些结构(mesocrystals)是由高度并行的结晶和控制纳米单元的对齐[32]。

黄金的生物降解以及钛铂组织已经被植入了黄金网格和中耳假肢在老鼠和人类。明显解散的精金和再结晶黄金街区的植入物已被观察到。钛和铂抵制biodegadation比黄金更好。溶解黄金re-precipitated形式的圆形less-ordered纳米颗粒。黄金的重复dissolution-precipitation过程导致迁移到车费了组织,并与相应的组织的炎症和纤维化。重复解散re-crystallization黄金纳米粒子的过程也与此消彼长。水晶的形成和形状规整的十面体的二十面体金纳米晶。他们是热力学青睐,因为他们是最稳定的形式的纳米颗粒在“最后阶段”。

提出了黄金和其他顽固的金属植入物的生物降解主要是由于组织髓过氧化物酶如炎症细胞的溶酶体,内部产生hypochloride过氧化氢离子和H²O²可溶解黄金。事实上,组织提供所有必要条件不纯或形状的纯黄金的生物降解微工具。这也解释了不同形状的结缔组织re-crystallized黄金粒子,圆形或椭球形细胞和更复杂的结构。

最近黄金的观察更强的生物降解植入了一种稀缺的黄金中耳植入假体和其他金银丝细工植入患者长期管理(个人沟通,维克,t)。不同金属的临床评估中耳假体是由维克,et al . (33-36)。

我们感谢Ute舒尔茨电子显微镜中心的罗斯托克的优秀的技术援助。

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