硫酸鈣骨內植入修復兔包容性骨缺損的力學(xué)分析

作者：陳華，田學(xué)忠，張伯勛，于學(xué)忠，汪愛(ài)媛，胡成棟，崔旭，唐佩福，王巖

【摘要】  ［目的］探討硫酸鈣體內植入后對骨缺損修復活動(dòng)生物力學(xué)性能的影響。［方法］建立兔股骨遠端包容性骨缺損模型，分別用檸檬酸化硫酸鈣和Osteoset?片填充修復，術(shù)后3、6、13周處死動(dòng)物，進(jìn)行1般觀(guān)察及壓凹力學(xué)實(shí)驗分析。［結果］術(shù)后兔運動(dòng)自如，無(wú)跛行，精神及飲食正常，切口愈合好，切口縫線(xiàn)自動(dòng)脫落。動(dòng)物處死后組織取材時(shí)未見(jiàn)關(guān)節腔積液及周?chē)�組織炎癥反應。生物力學(xué)分析顯示：術(shù)后3周時(shí)人工骨修復骨缺損區抗壓縮強度、彈性模量均高于正常股骨髁水平；術(shù)后6周時(shí)缺損區抗壓縮強度、彈性模量較術(shù)后3周時(shí)水平下降，但低于正常股骨髁水平；術(shù)后13周時(shí)缺損區抗壓縮強度、彈性模量相較6周時(shí)水平增高，并接近于正常股骨髁水平。不同時(shí)間點(diǎn)人工骨修復區力學(xué)強度比較分析顯示2種人工骨無(wú)顯著(zhù)性差異，但是都顯著(zhù)高于同期空白對照組。［結論］在硫酸鈣降解吸收、缺損區骨修復過(guò)程中，其對包容性骨缺損具有1定的力學(xué)支撐作用。檸檬酸化硫酸鈣能夠發(fā)揮Osteoset?片相當的作用。

【關(guān)鍵詞】  生物活性材料；檸檬酸化硫酸鈣； Osteoset?； 人工骨

    Abstract:［Objeetive］To report the repairing offect of cancellous bone defect with calcium sulphate.［Method］A defect 5mm in diameter and 12 mm in deep,which was drilled in the lateral aspect of rabbit lateral femoral condyle,was filled with CCaS（Citrated Calcium Sulphate）cylinder or Osteoset? tablets respectively.Rabbits were killed 3,6,13 weeks after surgery.And then general oberservations and mechanical analyzing were conducted.［Result］After surgery,rabbits had good movements,spirits and eating,good healing of incision.There was no arthroedema and inflammatory response around the joints.Mechanical analyzing reports:both anti-compressive strength and elasticity coefficient in the artificial bone repair bone defect area 3 weeks after surgery,were higher than in that of normal femur condyle;Anti-compressive strength and elasticity coefficient in the defect area 6 weeks,which drop comparing to 3 weeks,was lower than that of normal femur condyle;Anti-compressive strength and elasticity coefficient 13 weeks,which is higher than 6 weeks,is approaching normal.Mechanics intensity of two groups in the different time had no significant difference,but was significantly higher than one of the same time blank group.［Conclusion］To some extent,Calcium Sulphate has mechanical supportive effects on cancelloues bone defect in spite of the absorption and degradation of Calcium Sulphate.There is no significant difference between Citrated Calcium Sulphate and Osteoset? tablets.

    Key words:bioactive material；  citrated calcium sulphate;  Osteoset?;  synthetic bone

    臨床對植骨材料的需求推動(dòng)了對人工骨的研究和發(fā)展。在眾多的無(wú)機植骨材料中，硫酸鈣以其可降解性、優(yōu)良的生物相容性及骨傳導性得到了廣大臨床醫生認可。硫酸鈣和自體骨復合作為增容劑修復大塊骨缺損〔1〕，促進(jìn)脊柱融合〔2〕，與抗生素復合治療感染性骨不連〔3〕，作為各種活性因子的控緩釋載體〔4～7〕是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。但是此種材料我國完全依賴(lài)進(jìn)口，價(jià)格昂貴，對其的研究，我國還停留在煅燒硫酸鈣水平。因此2004年9月開(kāi)始作者與沈陽(yáng)建筑大學(xué)材料工程學(xué)院合作〔8〕，制備出了醫用外科級α-半水硫酸鈣（檸檬酸化硫酸鈣，citrated calcium sulphate,CCaS）。本研究以Wright公司Osteoset?片為對照，探討硫酸鈣體內植入后對骨缺損修復活動(dòng)生物力學(xué)性能的影響。

    1  材料與方法

    1.1  實(shí)驗動(dòng)物及儀器

    成年雄性新西蘭大白兔（解放軍總醫院動(dòng)物實(shí)驗中心提供），體重3.5～4 kg；生物力學(xué)試驗機（858 Mini BionixⅡ型，美國MTS公司）；圓形不銹鋼壓凹試驗壓頭（解放軍總醫院修理所加工制備）。

    1.2  包容性骨缺損模型的手術(shù)制備

    實(shí)驗用新西蘭兔，氯氨酮與速眠新Ⅱ肌肉注射麻醉。仰臥位，備皮，常規消毒鋪巾，選膝關(guān)節外側切口，長(cháng)約2 cm，切開(kāi)皮膚、皮下、關(guān)節外側支持帶，顯露股骨遠端，于側副韌帶與兔腓側韌帶起點(diǎn)之間中點(diǎn)處平行膝關(guān)節橫軸鉆1直徑5 mm、長(cháng)12 mm的圓柱形骨缺損。生理鹽水反復沖洗清除骨屑和凝血塊，填塞干紗布徹底止血，保持骨面干燥。

    1.3  實(shí)驗分組

    成年雄性新西蘭大白兔28只，體重3.5～4 kg，分籠飼養。隨機分為3組：A組（14只）左側植入CCaS（直徑4.8 mm,長(cháng)10 mm圓柱體），右側植入Osteoset?片；B組（7只）左側植入CCaS，右側不植入材料作為對照；C組（7只）左側不植入材料，右側植入Osteoset?。術(shù)后肌肉注射慶大霉素4萬(wàn)u/只，1次，預防感染。分籠飼養，隨意活動(dòng)。術(shù)后3、6、13周處死動(dòng)物。

    1.4  觀(guān)察內容

    （1）1般觀(guān)察：術(shù)后每天觀(guān)察動(dòng)物的活動(dòng)、精神、飲食。觀(guān)察手術(shù)部位有無(wú)皮膚紅腫、感染、滲液以及膿腫。取材時(shí)詳細觀(guān)察缺損區周?chē)�組織炎癥反應。（2）動(dòng)物處死后取材股骨髁，剔除周?chē)�軟組織，垂直膝關(guān)節橫軸做股骨遠端修整（圖1）。將樣本平置于力學(xué)實(shí)驗機操作臺上，表面滴加生理鹽水保持樣本濕潤，用直徑4.8 mm圓柱形不銹鋼平頭置于股骨遠端缺損區，施加載荷，預加載荷3 N，加載速度2 mm/min，位移深度1.0 mm，力學(xué)測試傳感器量程0～1 000 N，測試精度0.05%，記錄實(shí)驗結果，繪制載荷-變形曲線(xiàn)(圖2)，讀出屈服載荷。計算測試區域強度極限和彈性模量。

    圖1壓凹力學(xué)測試

    圖2正常兔股骨髁壓凹試驗繪制典型載荷-變形曲線(xiàn)  ①強度極限=屈服載荷/4πd2;②E=S(1-v2)/d［E代表彈性模量；S代表最大斜率（屈服載荷/相對位移）；v代表泊松比，取值為0.2，d代表壓頭直徑］

    1.5  數據處理

    所有實(shí)驗數據以均值±標準差（x-±s）形式表示，用Chiss軟件包（版本1.01）進(jìn)行單因素方差分析。2  結  果

    術(shù)后兔運動(dòng)自如，無(wú)跛行，精神及飲食正常。術(shù)后1周，切口局部無(wú)紅腫、流膿、裂開(kāi)。術(shù)后2周切口完全愈合,切口縫線(xiàn)自動(dòng)脫落。組織取材未見(jiàn)關(guān)節腔積液及周?chē)�組織炎癥反應。

    3周時(shí)人工骨修復骨缺損區抗壓縮強度〔CCaS組(7.87±0.42)MPa，Osteoset?組(8.35±1.21)MPa〕；彈性模量〔CCaS組(76.9±8.03)MPa，Osteoset?組(77.95±11.12)MPa〕高于正常股骨髁〔抗壓縮強度(5.82±1.01)MPa，彈性模量(62.51±8.56)MPa〕。6周時(shí)缺損區抗壓縮強度〔CCaS組(4.51±0.61)MPa，Osteoset?組(4.22±0.24)MPa〕；彈性模量〔CCaS組(33.29±5.61)MPa，Osteoset?組(31.51±4.24)MPa〕下降，低于正常股骨髁。13周時(shí)抗壓縮強度〔CCaS組(6.02±0.42)MPa，Osteoset?組(5.90±0.61)MPa〕；彈性模量〔CCaS組(58.82±7.24)MPa，Osteoset?組(55.93±10.21)MPa〕，較6周時(shí)增高接近正常股骨髁。但是人工骨修復區抗壓縮強度、彈性模量顯著(zhù)高于空白對照組〔6周時(shí)抗壓縮強度（1.69±0.32）MPa，彈性模量(6.64±1.02)MPa；13周時(shí)抗壓縮強度(2.06±0.39)MPa，彈性模量(8.12±1.41)MPa〕。不同時(shí)間點(diǎn)3、6、13周時(shí)，CCaS組和Osteoset?組缺損區壓縮強度極限、彈性模量無(wú)顯著(zhù)性差異（P＜0.01）（圖3、4）。

    3  討  論

    壓凹實(shí)驗測試松質(zhì)骨力學(xué)強度最早追溯到1981年。Aitken〔9〕首先用壓凹實(shí)驗測試了脛骨遠端軟骨下骨和松質(zhì)骨的力學(xué)強度，以后許多學(xué)者利用該方法對松質(zhì)骨區的力學(xué)強度進(jìn)行了研究，如Anglin〔10〕對肩關(guān)節盂、Katoh〔11〕對髕骨等。他們研究的區別在于使用壓頭的直徑2～5 mm不等，均垂直于受測骨的平面，加壓深度1 mm，通過(guò)繪制載荷變形曲線(xiàn)，計算出屈服載荷和彈性模量。本方法避免了傳統力學(xué)測試制備標準試件的繁瑣性及不可控性，方法簡(jiǎn)單，結果準確可靠。

    作者在前期骨內骨組織學(xué)研究〔12〕發(fā)現缺損區空白植入組僅在缺損區的邊緣有新生的骨組織，而中央被骨髓組織填充替代；植入2種硫酸鈣后骨缺損均能夠修復，并且周?chē)�組織均未發(fā)現炎癥刺激及異物刺激反應。實(shí)驗中作者還發(fā)現經(jīng)過(guò)工藝篩選后制備的檸檬酸化硫酸鈣的體內降解速度還略慢于Osteoset?。在本研究中發(fā)現骨缺損區修復過(guò)程中空白組缺損區骨質(zhì)力學(xué)強度最差，硫酸鈣填充修復組力學(xué)強度早期高于正常骨。隨著(zhù)硫酸鈣的降解吸收力學(xué)強度逐漸降低，在6周時(shí)降至最低。隨著(zhù)硫酸鈣的降解吸收周?chē)�骨組織的修復、力學(xué)強度也逐漸恢復，13周時(shí)達到最高，恢復至正常松質(zhì)骨水平。這進(jìn)1步說(shuō)明硫酸鈣植入松質(zhì)骨包容性骨缺損區除發(fā)揮骨傳導作用外，還能夠發(fā)揮早期力學(xué)支撐作用，這為作者臨床上使用硫酸鈣修復椎體壓縮性骨折、跟骨骨折具有重要的指導意義。

    圖3壓縮強度極限-時(shí)間曲線(xiàn)

    圖4彈性模量-時(shí)間曲線(xiàn)

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