復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥應(yīng)用于脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折的生物力學(xué)研究

武智超，張立才，平 偉，胡 琪

（定州市人民醫(yī)院骨二科，河北 定州 073000）

復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥應(yīng)用于脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折的生物力學(xué)研究

武智超，張立才，平 偉，胡 琪

（定州市人民醫(yī)院骨二科，河北 定州 073000）

目的研究復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥應(yīng)用于脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折的生物力學(xué)效果。方法選取10對老年尸體脛骨近端標(biāo)本，制備成脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折模型；將10對標(biāo)本隨機(jī)分配到觀察組和對照組，分別采用復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥和自體松質(zhì)骨進(jìn)行植骨固定，檢測兩組標(biāo)本的生物相容性以及生物力學(xué)強(qiáng)度。結(jié)果觀察組復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥料浸提液處理后，小鼠結(jié)締組織成纖維細(xì)胞株L929的MTT值以及G0/G1比例、S期比例、G2/M期比例與對照組自體松質(zhì)骨浸提液處理無差異；觀察組標(biāo)本的最大載荷及抗壓剛度值均高于對照組。結(jié)論復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥的最大載荷以及抗壓剛度均更大，且與自體松質(zhì)骨的生物相容性相當(dāng)，是治療脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折的理想材料。

脛骨平臺骨折；復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥；自體松質(zhì)骨；生物力學(xué)

脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折是臨床上較為復(fù)雜的骨折類型，在治療時必須同時達(dá)到關(guān)節(jié)面解剖復(fù)位、強(qiáng)力且牢固的內(nèi)固定。復(fù)位后多存在骨質(zhì)缺損，會影響復(fù)位效果或造成復(fù)位后再塌陷，進(jìn)而導(dǎo)致創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎、關(guān)節(jié)不穩(wěn)定、關(guān)節(jié)功能恢復(fù)不良等并發(fā)癥[1]。因此，需要通過植骨來完成填充支撐、維持脛骨平臺高度[2]。自體骨和磷酸鈣骨水泥(Calcium phosphate cement，CPC)是常用的植骨材料，具有各自的優(yōu)勢和不足之處。近年來，通過對CPC成分的改進(jìn)，使得該材料的生物相容性和力學(xué)強(qiáng)度均得到了改善。在下列研究中，筆者在45%結(jié)晶磷酸鈣(Partially crystallizedcalcium phosphate，PCCP)和45%磷酸氫鈣(Dicalcium phosphate anhydrous、DCPA)組成的CPC基礎(chǔ)上加入了10%聚乳酸-羥基乙酸共聚物(Poly lactic-co-glycolic acid，PLGA)，制作成為復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥，并對該材料的生物力學(xué)情況進(jìn)行了研究。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 磷酸鈣骨水泥CPC由華南理工大學(xué)生物材料研究所提供，成分包括45%PCCP、45%DCPA、10%PLGA。骨水泥穿刺注射針由山東冠龍醫(yī)療用品公司提供，X線骨密度儀由美國HOLOGIC公司提供，力學(xué)測試儀由美國MTS公司提供。

1.2 實驗方法

1.2.1 標(biāo)本制備方法 選擇由南方醫(yī)科大學(xué)解剖教研室提供的10對多聚甲醛浸泡的老年尸體脛骨近端標(biāo)本，其中男性6對，女性4對，年齡48～79歲，平均(68.12±9.03)歲。經(jīng)膝蓋上15 cm至膝蓋下25 cm處截取雙側(cè)膝關(guān)節(jié)共計10對(配對編號，每對標(biāo)注左右)，經(jīng)X線攝片排除骨腫瘤及骨折、畸形等解剖異常情況。清除膝關(guān)節(jié)標(biāo)本的周圍軟組織、離斷膝關(guān)節(jié)，保留對應(yīng)股骨遠(yuǎn)端標(biāo)本，鋸除股骨餒髁。采用骨密度儀測定上述脛骨平臺標(biāo)本的干骺端骨密度(BMD)，其后將標(biāo)本以生理鹽水紗布包裹、塑料袋封裝后置入-20℃冰箱中凍存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折模型制作方法 將10對標(biāo)本按照參考文獻(xiàn)[1]的方法制作脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折模型，具體如下：矢狀面鋸斷脛骨外側(cè)平臺距離皮質(zhì)邊緣1 cm處的平臺骨塊，于脛骨外側(cè)平臺軟骨下約1 cm處用骨鑿制作一個大小約3.0 cm×1.5 cm×1.0 cm的骨缺損區(qū)，隨后鋸斷此缺損區(qū)上方的骨塊，制備相應(yīng)模型。

1.2.3 骨折修復(fù)方法 將以上10對模型標(biāo)本左右隨機(jī)配對分配為兩組，分為復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥組(觀察組，n=10)，自體松質(zhì)骨組(對照組，n= 10)。兩組標(biāo)本首先復(fù)位外側(cè)平臺骨塊，隨后于平臺下1 cm處鉆孔擰入松質(zhì)骨拉力螺釘兩枚，呈橫排方式進(jìn)行內(nèi)固定。對照組標(biāo)本在平臺下塌陷區(qū)前方骨皮質(zhì)開1 cm×1 cm骨窗，向其內(nèi)填塞自體松質(zhì)骨。觀察組于同一位置將復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥充分碾磨后與生理鹽水按2:5比例調(diào)配攪勻，用骨水泥填充推桿加壓注入骨缺損區(qū)。

1.3 觀察指標(biāo)

1.3.1 生物相容性 取貼壁生長的小鼠結(jié)締組織成纖維細(xì)胞株L929培養(yǎng)，常規(guī)消化、傳代、種在48孔板中，細(xì)胞密度1.5×108/L，每孔500 μl；分別取復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥的浸提液(觀察組)、自體松質(zhì)骨的浸提液(對照組)以及生理鹽水(陰性對照組)各100μl加入細(xì)胞培養(yǎng)孔中，處理24 h后小心吸去上清進(jìn)行細(xì)胞活力檢測和細(xì)胞周期檢測。細(xì)胞活力檢測采用MTT法，具體方法如下：加入160 μl 1640培養(yǎng)基、40 μl 0.5%MTT溶液，孵箱中繼續(xù)培養(yǎng)4 h。而后吸盡上清，每孔加入200 μl DMSO，在搖床上低速振蕩10 min，而后在酶標(biāo)測儀上檢測490 nm處的吸光值。以對照組的吸光值為100，求出觀察組吸光值的相對值。細(xì)胞周期檢測采用流失細(xì)胞法，具體方法如下：胰酶消化細(xì)胞后離心，用含有10%胎牛血清的PBS溶液300 μl重懸細(xì)胞，加入700 μl無水乙醇固定過夜，第二天離心并用PBS洗兩遍，而后用碘化丙啶染色，上流式細(xì)胞儀檢測細(xì)胞周期指標(biāo)。

1.3.2 生物力學(xué)性能 將兩組標(biāo)本固定于MTS858材料試驗機(jī)上，采用垂直軸向壓縮法經(jīng)股骨外髁對脛骨外側(cè)平臺進(jìn)行垂直軸向負(fù)載。預(yù)先給予100～200 N 2 min左右以消除標(biāo)本松弛、蠕變等因素影響。測定最大載荷(反映系統(tǒng)對負(fù)載的最大承受力，以軸向塌陷超過3 mm為判斷失效標(biāo)準(zhǔn))、抗壓剛度(反映系統(tǒng)在軸向負(fù)載下單位量形變所能承受的最大負(fù)荷，以載荷-位移曲線的斜率作為系統(tǒng)抗壓剛度)。待骨水泥凝結(jié)后兩組標(biāo)本攝正位X線片，觀察骨缺損區(qū)填充效果，室溫下放置24 h后用于生物力學(xué)測試。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS18.0軟件錄入數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，計量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差()表示，采用t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義、

2 結(jié)果

2.1 X線片結(jié)果 觀察組標(biāo)本復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥注入后凝結(jié)時間14～23 min，完全固化時間平均(3.12±0.21)h。經(jīng)X線攝片后顯示，觀察組骨缺損區(qū)充填充分，骨水泥與周圍骨質(zhì)無明顯縫隙，材料在缺損區(qū)周圍松質(zhì)骨內(nèi)滲透擴(kuò)撒；對照組骨缺損區(qū)填入松質(zhì)骨后填充充實，與周圍骨無腔隙遺留。

2.2 生物相容性比較 不同材料浸提液處理后，小鼠結(jié)締組織成纖維細(xì)胞株L929MTT值的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(見圖1A)，細(xì)胞周期G0/G1比例、S期比例、G2/M期比例的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(見圖1B)。

圖1 不同材料浸提液處理后L929細(xì)胞的MTT檢測結(jié)果和細(xì)胞周期檢測結(jié)果

2.3生物力學(xué)性能比較 觀察組的最大載荷及抗壓剛度值均高于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，見表1。

表1 兩組脛骨平臺標(biāo)本的生物力學(xué)性能比較()

表1 兩組脛骨平臺標(biāo)本的生物力學(xué)性能比較()

觀察組對照組t值P值3772.13±583.13 703.82±101.42 32.492＜0.05 1328.15±214.24 231.73±47.16 9.471＜0.05

3 討論

自體骨移植是治療脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折的最常規(guī)思路，具有骨傳導(dǎo)性能優(yōu)良、能夠誘導(dǎo)成骨活性等優(yōu)勢，在臨床中使用較為廣泛[3]。但是，自體骨的供應(yīng)源有限、會對供區(qū)造成較大創(chuàng)傷并遺留疼痛，且在植入后不能立即為脛骨平臺骨折部位提供足夠的支撐力，這也在一定程度上限制了其應(yīng)用價值[4]。磷酸鈣骨水泥是常用的人工骨材料，來源廣泛、制作程序相對簡單，但是CPC植入后的力學(xué)強(qiáng)度不佳且可注射性也不十分理想，還存在可降解性與力學(xué)強(qiáng)度之間匹配、新骨生存速度與材料降解速度不匹配等矛盾[5]。近年來，臨床學(xué)者也致力于對CPC材料的改進(jìn)，包括提高可注射性、加快降解速度、改善力學(xué)強(qiáng)度等，使其能夠在脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折中發(fā)揮更為有效的治療價值[6]。Wang等[7]在2008年的研究中采用PCCP和DCPA制備了新型的CPC，通過體外研究證實了改進(jìn)后CPC的可注射性、生物相容性以及力學(xué)強(qiáng)度均得到了改善。

CPC的物理強(qiáng)度來自于固化采用中結(jié)晶的交織結(jié)合狀態(tài)，在材料的水化過程中，原料中的礦物質(zhì)能夠在溶液中溶解并再次晶體化，是材料固化并達(dá)到一定的物理強(qiáng)度[8]。根據(jù)近年來的研究，人工骨的生物力學(xué)性能主要取決于粉劑的成分、液劑的成分、粉劑和液劑的比例、孔隙大小等等[9]，關(guān)于如何選擇生物力學(xué)強(qiáng)度與孔隙率之間的平衡點仍存在較大爭議。在本研究中，我們在PCCP和DCPA組成的CPC基礎(chǔ)上加入了10%聚乳酸-羥基乙酸共聚物PLGA，可以適當(dāng)?shù)脑黾庸撬嗟目紫堵?，使得?xì)胞粘附、新生骨和血管的長入更為便利，也為營養(yǎng)成分的滲入以及代謝產(chǎn)物的排出提供了通道[10]。首先通過X線檢查對骨水泥的固化情況進(jìn)行了檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)骨水泥與周圍骨質(zhì)無明顯縫隙，材料在缺損區(qū)周圍松質(zhì)骨內(nèi)滲透擴(kuò)撒。這就提示該類型的CPC能夠有效固化且完成對骨缺損部位的填充，可以作為脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折的填充材料。

McDonald等[11]已經(jīng)對該類型的CPC材料進(jìn)行了研究，并發(fā)現(xiàn)該材料可以在24周內(nèi)被完全降解并被新生的骨小梁所取代，無明顯的排斥反應(yīng)和毒副反應(yīng)。在本研究中，我們通過尸體標(biāo)本建立脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折的模型，并從生物相容性和生物力學(xué)性能兩方面比較了復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥與自體松質(zhì)骨的應(yīng)用價值。自體松質(zhì)骨的最大優(yōu)勢在于生物相容性良好，為新生骨的形成創(chuàng)造有利條件[12]，而本研究對CPC材料進(jìn)行了改進(jìn)，并通過分析不同材料浸提液對小鼠結(jié)締組織成纖維細(xì)胞的影響來反映生物相容性。我們分別檢測了細(xì)胞活力和細(xì)胞周期，由結(jié)果可知復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥浸提液的MTT值以及G0/G1比例、S期比例、G2/M期比例與自體松質(zhì)骨浸提液。這就說明改進(jìn)后的復(fù)合型CPC材料與自體松質(zhì)骨具有相當(dāng)?shù)纳锵嗳菪?。人體在正常步態(tài)下膝關(guān)節(jié)外側(cè)能夠承受最大的壓力約為3倍體質(zhì)量的40%，一個體質(zhì)量60 kg的患者單側(cè)膝關(guān)節(jié)外側(cè)能夠承受的最大力量約為720 N[13]，而本研究中所采用的復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥的最大載荷為(3 772.13±583.13)N，明顯高于自體松質(zhì)骨，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于膝關(guān)節(jié)外側(cè)最大負(fù)荷的5倍。同時，我們還發(fā)現(xiàn)改良后CPC的抗壓剛度也高于自體松質(zhì)骨。這就說明復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥的物理性能優(yōu)于自體松質(zhì)骨。

綜上所述，復(fù)合型可注射磷酸鈣骨水泥的最大載荷以及抗壓剛度均更大，且與自體松質(zhì)骨的生物相容性相當(dāng)，是治療脛骨平臺SchatzkerⅡ型骨折的理想材料。

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Biomechanical study on composite type injectable calcium phosphate bone cement in TypeⅡSchatzker tibialplateau fractures.

WU Zhi-chao,ZHANG Li-cai,PING Wei,HU Qi.Second Department of Orthopedics,People's Hospital of Dingzhou,Dingzhou 073000,Hebei,CHINA

ObjectiveTo study the biomechanical effects of composite type injectable calcium phosphate bone cement in TypeⅡSchatzker tibial plateau fractures.MethodsTen couples of elderly cadavers(mice)proximal tibia specimens were collected and prepared for SchatzkerⅡtibial plateau fracture model;10 couples of specimens were randomly divided into observation group and control group,given respectively composite type injectable calcium phosphate bone cement and autogenous cancellous bone for bone grafting fixation.Biocompatibility and biomechanics of the two groups were compared.ResultsAfter the composite type injectable calcium phosphate bone cement extract liquor treatment in observation group,the MTT value and G0/G1ratio,S ratio,G2/M ratio of connective tissue fibroblast cell line L929 had no difference with that of the control group;but the maximum load and compression stiffness values of observation group were higher than those of the control group.ConclusionThe maximum load and compression stiffness values of composite type injectable calcium phosphate bone cement are larger,and its biocompatibility is equal with that of the autogenous cancellous bone.It is thus an ideal material for TypeⅡSchatzker tibial plateau fractures.

Tibial plateau fracture;Composite type injectable calcium phosphate bone cement;Autogenous cancellous bone;Biomechanics

R683.42

A

1003—6350（2014）23—3467—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2014.23.1355

2014-07-18)

河北省保定市科技局2011年科研立項課題（編號：20131104001）

武智超。E-mail：zhanglicai88@163.com