硫酸钙骨内植入修复兔包容性骨缺损的力学分析

毕业

作者：陈华，田学忠，张伯勋，于学忠，汪爱媛，胡成栋，崔旭，唐佩福，王岩

【摘要】 ［目的］探讨硫酸钙体内植入后对骨缺损修复活动生物力学性能的影响。

［方法］建立兔股骨远端包容性骨缺损模型，分别用柠檬酸化硫酸钙和Osteosetj片填充修复，术后3、6、13周处死动物，进行1般观察及压凹力学实验分析。

［结果］术后兔运动自如，无跛行，精神及饮食正常，切口愈合好，切口缝线自动脱落。动物处死后组织取材时未见关节腔积液及周围组织炎症反应。

生物力学分析显示：术后3周时人工骨修复骨缺损区抗压缩强度、弹性模量均高于正常股骨髁水平；术后6周时缺损区抗压缩强度、弹性模量较术后3周时水平下降，但低于正常股骨髁水平；术后13周时缺损区抗压缩强度、弹性模量相较6周时水平增高，并接近于正常股骨髁水平。不同时间点人工骨修复区力学强度比较分析显示2种人工骨无显著性差异，但是都显著高于同期空白对照组。

［结论］在硫酸钙降解吸收、缺损区骨修复过程中，其对包容性骨缺损具有1定的力学支撑作用。

柠檬酸化硫酸钙能够发挥Osteosetj片相当的作用。

【关键词】 生物活性材料；柠檬酸化硫酸钙； Osteosetj； 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 Osteosetj 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 Osteosetj tablets.

Key words:bioactive material；

citrated calcium sulphate;

Osteosetj; synthetic bone

临床对植骨材料的需求推动了对人工骨的研究和发展。在众多的无机植骨材料中，硫酸钙以其可降解性、优良的生物相容性及骨传导性得到了广大临床医生认可。

硫酸钙和自体骨复合作为增容剂修复大块骨缺损〔1〕，促进脊柱融合〔2〕，与抗生素复合治疗感染性骨不连〔3〕，作为各种活性因子的控缓释载体〔4～7〕是目前研究的热点问题。

但是此种材料我国完全依赖进口，价格昂贵，对其的研究，我国还停留在煅烧硫酸钙水平。因此2004年9月开始作者与沈阳建筑大学材料工程学院合作〔8〕，制备出了医用外科级α-半水硫酸钙（柠檬酸化硫酸钙，citrated calcium sulphate,CCaS）。本研究以Wright公司Osteosetj片为对照，探讨硫酸钙体内植入后对骨缺损修复活动生物力学性能的影响。

1 材料与方法

1.1 实验动物及仪器

成年雄性新西兰大白兔（解放军总医院动物实验中心提供），体重3.5～4 kg；生物力学试验机（858 Mini BionixⅡ型，美国MTS公司）；圆形不锈钢压凹试验压头（解放军总医院修理所加工制备）。

1.2 包容性骨缺损模型的手术制备

实验用新西兰兔，氯氨酮与速眠新Ⅱ肌肉注射麻醉。

仰卧位，备皮，常规消毒铺巾，选膝关节外侧切口，长约2 cm，切开皮肤、皮下、关节外侧支持带，显露股骨远端，于侧副韧带与兔腓侧韧带起点之间中点处平行膝关节横轴钻1直径5 mm、长12 mm的圆柱形骨缺损。

生理盐水反复冲洗清除骨屑和凝血块，填塞干纱布彻底止血，保持骨面干燥。

1.3 实验分组

成年雄性新西兰大白兔28只，体重3.5～4 kg，分笼饲养。

随机分为3组：A组（14只）左侧植入CCaS（直径4.8 mm,长10 mm圆柱体），右侧植入Osteosetj片；B组（7只）左侧植入CCaS，右侧不植入材料作为对照；C组（7只）左侧不植入材料，右侧植入Osteosetj。

术后肌肉注射庆大霉素4万u/只，1次，预防感染。分笼饲养，随意活动。术后3、6、13周处死动物。

1.4 观察内容

（1）1般观察：术后每天观察动物的活动、精神、饮食。观察手术部位有无皮肤红肿、感染、渗液以及脓肿。取材时详细观察缺损区周围组织炎症反应。

（2）动物处死后取材股骨髁，剔除周围软组织，垂直膝关节横轴做股骨远端修整（图1）。将样本平置于力学实验机操作台上，表面滴加生理盐水保持样本湿润，用直径4.8 mm圆柱形不锈钢平头置于股骨远端缺损区，施加载荷，预加载荷3 N，加载速度2 mm/min，位移深度1.0 mm，力学测试传感器量程0～1 000 N，测试精度***，记录实验结果，绘制载荷-变形曲线(图2)，读出屈服载荷。计算测试区域强度极限和弹性模量。

图1压凹力学测试

图2正常兔股骨髁压凹试验绘制典型载荷-变形曲线

①强度极限=屈服载荷/4πd2;

②E=S(1-v2)/d［E代表弹性模量；S代表最大斜率（屈服载荷/相对位移）；v代表泊松比，取值为0.2，d代表压头直径］

1.5 数据处理

所有实验数据以均值±标准差（x-±s）形式表示，用Chiss软件包（版本***）进行单因素方差分析。

2 结 果

术后兔运动自如，无跛行，精神及饮食正常。术后1周，切口局部无红肿、流脓、裂开。术后2周切口完全愈合,切口缝线自动脱落。组织取材未见关节腔积液及周围组织炎症反应。

3周时人工骨修复骨缺损区抗压缩强度〔CCaS组(***±***)MPa，Osteosetj组(***±***)MPa〕；弹性模量〔CCaS组(76.9±***)MPa，Osteosetj组(***±***)MPa〕高于正常股骨髁〔抗压缩强度(***±***)MPa，弹性模量(***±***)MPa〕。

6周时缺损区抗压缩强度〔CCaS组(***±***)MPa，Osteosetj组(***±***)MPa〕；弹性模量〔CCaS组(***±***)MPa，Osteosetj组(***±***)MPa〕下降，低于正常股骨髁。

13周时抗压缩强度〔CCaS组(***±***)MPa，Osteosetj组(***±***)MPa〕；弹性模量〔CCaS组(***±***)MPa，Osteosetj组(***±***)MPa〕，较6周时增高接近正常股骨髁。但是人工骨修复区抗压缩强度、弹性模量显著高于空白对照组〔6周时抗压缩强度（***±***）MPa，弹性模量(***±***)MPa；13周时抗压缩强度(***±***)MPa，弹性模量(***±***)MPa〕。不同时间点3、6、13周时，CCaS组和Osteosetj组缺损区压缩强度极限、弹性模量无显著性差异（P＜***）（图3、4）。

3 讨 论

压凹实验测试松质骨力学强度最早追溯到1981年。

Aitken〔9〕首先用压凹实验测试了胫骨远端软骨下骨和松质骨的力学强度，以后许多学者利用该方法对松质骨区的力学强度进行了研究，如Anglin〔10〕对肩关节盂、Katoh〔11〕对髌骨等。

他们研究的区别在于使用压头的直径2～5 mm不等，均垂直于受测骨的平面，加压深度1 mm，通过绘制载荷变形曲线，计算出屈服载荷和弹性模量。本方法避免了传统力学测试制备标准试件的繁琐性及不可控性，方法简单，结果准确可靠。

作者在前期骨内骨组织学研究〔12〕发现缺损区空白植入组仅在缺损区的边缘有新生的骨组织，而中央被骨髓组织填充替代；植入2种硫酸钙后骨缺损均能够修复，并且周围组织均未发现炎症刺激及异物刺激反应。实验中作者还发现经过工艺筛选后制备的柠檬酸化硫酸钙的体内降解速度还略慢于Osteosetj。

在本研究中发现骨缺损区修复过程中空白组缺损区骨质力学强度最差，硫酸钙填充修复组力学强度早期高于正常骨。随着硫酸钙的降解吸收力学强度逐渐降低，在6周时降至最低。随着硫酸钙的降解吸收周围骨组织的修复、力学强度也逐渐恢复，13周时达到最高，恢复至正常松质骨水平。这进1步说明硫酸钙植入松质骨包容性骨缺损区除发挥骨传导作用外，还能够发挥早期力学支撑作用，这为作者临床上使用硫酸钙修复椎体压缩性骨折、跟骨骨折具有重要的指导意义。

图3压缩强度极限-时间曲线

图4弹性模量-时间曲线

【参考文献】

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标签：骨内,硫酸钙,包容性