硫酸鈣骨內植入修復兔包容性骨缺損的力學分析

硫酸鈣骨內植入修復兔包容性骨缺損的力學分析

作者：陳華，田學忠，張伯勛，于學忠，汪愛媛，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生物力學性能的影響。［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，術后3、6、13周處死動物，進行1般觀察及壓凹力學實驗分析。［結果］術后兔運動自如，無跛行，精神及飲食正常，切口愈合好，切口縫線自動脫落。動物處死后組織取材時未見關節腔積液及周圍組織炎癥反應。生物力學分析顯示：術后3周時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；術后6周時缺損區抗壓縮強度、彈性模量較術后3周時水平下降，但低于正常股骨髁水平；術后13周時缺損區抗壓縮強度、彈性模量相較6周時水平增高，并接近于正常股骨髁水平。不同時間點人工骨修復區力學強度比較分析顯示2種人工骨無顯著性差異，但是都顯著高于同期空白對照組。［結論］在硫酸鈣降解吸收、缺損區骨修復過程中，其對包容性骨缺損具有1定的力學支撐作用。檸檬酸化硫酸鈣能夠發揮Osteoset?片相當的作用。

【關鍵詞】  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了對人工骨的研究和發展。在眾多的無機植骨材料中，硫酸鈣以其可降解性、優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〕是目前研究的熱點問題。但是此種材料我國完全依賴進口，價格昂貴，對其的研究，我國還停留在煅燒硫酸鈣水平。因此2004年9月開始作者與沈陽建筑大學材料工程學院合作〔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生物力學性能的影響。

    1  材料與方法

    1.1  實驗動物及儀器

    成年雄性新西蘭大白兔（解放軍總醫院動物實驗中心提供），體重3.5～4 kg；生物力學試驗機（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制備

    實驗用新西蘭兔，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，選膝關節外側切口，長約2 cm，切開皮膚、皮下、關節外側支持帶，顯露股骨遠端，于側副韌帶與兔腓側韌帶起點之間中點處平行膝關節橫軸鉆1直徑5 mm、長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?。術后肌肉注射慶大霉素4萬u/只，1次，預防感染。分籠飼養，隨意活動。術后3、6、13周處死動物。

    1.4  觀察內容

    （1）1般觀察：術后每天觀察動物的活動、精神、飲食。觀察手術部位有無皮膚紅腫、感染、滲液以及膿腫。取材時詳細觀察缺損區周圍組織炎癥反應。（2）動物處死后取材股骨髁，剔除周圍軟組織，垂直膝關節橫軸做股骨遠端修整（圖1）。將樣本平置于力學實驗機操作臺上，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，力學測試傳感器量程0～1 000 N，測試精度0.05%，記錄實驗結果，繪制載荷-變形曲線(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壓凹力學測試

    圖2正常兔股骨髁壓凹試驗繪制典型載荷-變形曲線  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）進行單因素方差分析。2  結  果

    術后兔運動自如，無跛行，精神及飲食正常。術后1周，切口局部無紅腫、流膿、裂開。術后2周切口完全愈合,切口縫線自動脫落。組織取材未見關節腔積液及周圍組織炎癥反應。

    3周時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、彈性模量顯著高于空白對照組〔6周時抗壓縮強度（1.69±0.32）MPa，彈性模量(6.64±1.02)MPa；13周時抗壓縮強度(2.06±0.39)MPa，彈性模量(8.12±1.41)MPa〕。不同時間點3、6、13周時，CCaS組和Osteoset?組缺損區壓縮強度極限、彈性模量無顯著性差異（P＜0.01）（圖3、4）。

    3  討  論

    壓凹實驗測試松質骨力學強度最早追溯到1981年。Aitken〔9〕首先用壓凹實驗測試了脛骨遠端軟骨下骨和松質骨的力學強度，以后許多學者利用該方法對松質骨區的力學強度進行了研究，如Anglin〔10〕對肩關節盂、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，通過繪制載荷變形曲線，計算出屈服載荷和彈性模量。本方法避免了傳統力學測試制備標準試件的繁瑣性及不可控性，方法簡單，結果準確可靠。

    作者在前期骨內骨組織學研究〔12〕發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，并且周圍組織均未發現炎癥刺激及異物刺激反應。實驗中作者還發現經過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?。在本研究中發現骨缺損區修復過程中空白組缺損區骨質力學強度最差，硫酸鈣填充修復組力學強度早期高于正常骨。隨著硫酸鈣的降解吸收力學強度逐漸降低，在6周時降至最低。隨著硫酸鈣的降解吸收周圍骨組織的修復、力學強度也逐漸恢復，13周時達到最高，恢復至正常松質骨水平。這進1步說明硫酸鈣植入松質骨包容性骨缺損區除發揮骨傳導作用外，還能夠發揮早期力學支撐作用，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-時間曲線

    圖4彈性模量-時間曲線

【參考文獻】
  〔1〕 Borrelli JJ，Prickett WD，Ricci WM.Treatment of nonunions and osseous defects with bone graft and calcium sulfate［J］.Clin Orthop,2003,411:245-254.

〔2〕 Cunningham B，Oda L，Haggerty C，et al.An investigational study of calcium sulfate for posterolateral spinal arthrodesis-an invivo animal model［R］.Presented at:45th Annual Meeting of Orthopaedic Research Society,1999.

〔3〕 Wilkins R，Kelly C.Use of biodegradable antibiotic beads in orthopaedic infections［J］.Journal of Bone & Joint Surgery-British Volume,2005,87:304.

〔4〕 Rosenblum SF，Frenkel S，Ricci JR，et al.Diffusion of fibroblast growth factor from a plaster of Paris carrier［J］.J Appl Biomater,1993,1:67-72.

〔5〕 Yamazaki Y，Oida S，Akimoto Y，et al.Response of the mouse femoral muscle to an implant of a composite of bone morphogenetic protein and plaster of Paris［J］.Clin Orthop Relat Res，1988，234:240-249.

〔6〕 Kim SG，Chung CH，Kim YK，et al.Use of particulate dentin-plaster of Paris combination with/without platelet-rich plasma in the treatment of bone defects around implants［J］.Int J Oral Maxillofac Implants,2002,1:86-94.

〔7〕 Intini G，Andreana S，Margarone JE，et al.Engineering a bioactive matrix by modifications of calcium sulfate［J］.Tissue Eng,2002,6:997-1008.

〔8〕 陳華,張伯勛,張巨松,等.檸檬酸化半水硫酸鈣作為骨移植替代材料的安全性及其生物相容性評價［J］.中國臨床康復雜志,2005,34:56-58.

〔9〕 Aitken GK，Bourne RB，Finlay JB，et al.Indentation stiffness of the cancellous bone in the distal human tibia.［J］Clin Orthop,1985,201:264-270.

〔10〕 Anglin C，Tolhurst P，Wyss UP，et al.Mechanical properties of glenoid cancellous bone［R］.Proceeding of the First Conference of the ISG，1997，77-81.

〔11〕 Katoh T，Griffin MP，Wevers HW，et al.Bone hardness testing in the trabecular bone of the human patella［J］.J Arthroplasty,1996,4:460-468.

〔12〕 陳華,張伯勛,張巨松,等.檸檬酸化硫酸鈣和Osteoset?動物體內植入比較性研究［J］.中國矯形外科雜志,2006,1:50-52.

【硫酸鈣骨內植入修復兔包容性骨缺損的力學分析】相關文章：

BCP/HAFG-rhBMP-2復合人工骨修復骨缺損的實驗研究03-18

關于跟骨關節內骨折的跟骨鋼板治療分析11-26

股骨干骨折骨不愈合的原因分析03-06

胸腰椎爆裂骨折模型中硫酸鈣骨水泥椎體成形術的生物力學性能03-08

探討撬撥復位中空螺釘內固定治療跟骨骨折03-18

壯骨通痹湯治療老年骨性關節病的臨床觀察03-08

探討復骨健步片治療膝骨性關節炎的臨床療效03-19

骨與關節結核的綜合治療03-16

治療跟骨骨折的臨床體會12-01