骨水泥聚合反應(yīng)與冷卻對(duì)骨骼肌熱損傷的關(guān)系

曹建飛，張晟，葉海明，王超，熊奡，辛風(fēng)，張波*

(1.安徽醫(yī)科大學(xué)北大深圳醫(yī)院臨床學(xué)院，廣東 深圳 518036；2.北京大學(xué)深圳醫(yī)院骨關(guān)節(jié)科，廣東 深圳 518036)

實(shí)驗(yàn)研究

骨水泥聚合反應(yīng)與冷卻對(duì)骨骼肌熱損傷的關(guān)系

曹建飛1，2，張晟2，葉海明2，王超2，熊奡2，辛風(fēng)2，張波2*

(1.安徽醫(yī)科大學(xué)北大深圳醫(yī)院臨床學(xué)院，廣東 深圳 518036；2.北京大學(xué)深圳醫(yī)院骨關(guān)節(jié)科，廣東 深圳 518036)

目的模擬骨水泥外溢在周圍骨骼肌中的固化放熱過(guò)程，研究其聚合放熱對(duì)骨骼肌的損傷作用及加予4℃生理鹽水局部灌注冷卻對(duì)損傷的影響。方法選取健康清潔級(jí)SD大鼠12只，雌雄不限，體重220～250 g，采用左右側(cè)對(duì)照，分別在左右側(cè)臀大肌注入現(xiàn)配骨水泥1 mL，同時(shí)右側(cè)加予4℃生理鹽水局部灌注冷卻。采用針式溫度計(jì)連續(xù)測(cè)量?jī)山M骨水泥固化過(guò)程中骨水泥-肌肉界面的溫度變化情況。分別于術(shù)后1 d、4 d、7 d各處死4只，切取與骨水泥接觸部位的肌肉，行常規(guī)石蠟切片，HE染色鏡檢。對(duì)比兩組局部溫度的變化情況以及肉眼、鏡下觀察骨水泥-肌肉界面的肌肉組織形態(tài)學(xué)的改變。結(jié)果兩組局部最高溫度分別為(61.58±2.75)℃和(44.73±2.03)℃，40℃以上持續(xù)時(shí)間分別為(227.83±22.21) s和(53.33±15.79) s，均P<0.01，有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義?；靹蛑磷罡邷囟葧r(shí)間分別為(571.67±7.92) s和(575.00±8.00) s，P>0.05，無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。組織學(xué)上，與骨水泥組相比，骨水泥+4℃水組的局部肌肉組織細(xì)胞形態(tài)改變較輕，炎性細(xì)胞浸潤(rùn)少，組織修復(fù)時(shí)間短。結(jié)論骨水泥聚合反應(yīng)可對(duì)周圍骨骼肌造成熱損傷，加于4℃水局部冷卻可明顯降低局部最高溫度及縮短40℃以上持續(xù)時(shí)間，有效減少炎癥反應(yīng)和縮短修復(fù)時(shí)間。若能合理地應(yīng)用于臨床，將對(duì)預(yù)防術(shù)后感染有一定的參考價(jià)值。

骨水泥；骨骼??；熱損傷；冷卻

骨水泥，化學(xué)名為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)，自20世紀(jì)50年代應(yīng)用于骨科以來(lái)，憑借其自身的特性與優(yōu)勢(shì)，在臨床治療中占有重要的地位。然而，骨水泥在其固化過(guò)程中，會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)釋放出大量的熱量，而在由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程中極易發(fā)生外溢或滲漏，造成臨近組織的熱損傷。有文獻(xiàn)報(bào)道，骨水泥聚合反應(yīng)放熱可對(duì)周圍的骨、軟骨、神經(jīng)、心血管系統(tǒng)及皮膚等組織造成不同程度的損傷，而對(duì)周圍肌肉組織的損傷并未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道[1]。

室溫下測(cè)得1 mL骨水泥體外聚合反應(yīng)最高溫度達(dá)73.5 ℃，而Selsby[2]研究報(bào)道，當(dāng)肌肉組織溫度超過(guò)40 ℃時(shí)，肌肉中的熱休克蛋白即表達(dá)升高，有潛在的損傷風(fēng)險(xiǎn)。本文模擬單純骨水泥外溢在周圍骨骼肌的固化放熱過(guò)程，研究其聚合放熱對(duì)骨骼肌的損傷作用及加予4 ℃生理鹽水局部灌注冷卻對(duì)損傷的影響。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 健康清潔級(jí)SD大鼠12只，雌雄不限，體重220～250 g，由廣東省醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。實(shí)驗(yàn)期間，室內(nèi)溫度保持在20～25 ℃，相對(duì)濕度保持在50%～70%，每天光照12 h。正常飼養(yǎng)的1周時(shí)間內(nèi)所有大鼠自由進(jìn)食(普通飼料)和飲水。

1.1.2 主要實(shí)驗(yàn)試劑 氯胺酮、速眠新Ⅱ、palcos R骨水泥、多聚甲醛、慶大霉素、生理鹽水.

1.1.3 主要實(shí)驗(yàn)儀器 鼠臺(tái)、針式溫度計(jì)、石蠟包埋機(jī)、HM315輪轉(zhuǎn)式石蠟切片機(jī)(德國(guó)/Microm)、水浴鍋、負(fù)壓吸引器。

1.2 動(dòng)物模型建立及分組 選取健康清潔級(jí)SD大鼠12只，雌雄不限，體重220～250 g，手術(shù)前1 d下背部脊柱兩側(cè)備皮。速眠新Ⅱ與氯胺酮1︰1配比0.4 mL/kg肌肉注射麻醉，取背部正中縱行切口，剪開肌筋膜，沿肌纖維方向鈍性分離左側(cè)臀大肌，注入現(xiàn)配骨水泥1 mL共2枚，平行于脊柱，離中線約10 mm，各植入物間隔約10 mm。同法在對(duì)側(cè)對(duì)稱部位注入1 mL骨水泥，并加用4 ℃生理鹽水灌注，同時(shí)接負(fù)壓吸引器引流。兩組互為對(duì)照。連續(xù)測(cè)量骨水泥-肌肉界面溫度變化，待骨水泥完全固化冷卻，逐層縫合至皮膚。術(shù)后切口以安爾碘消毒，以慶大霉素(2萬(wàn)U/kg)肌注，每天3次。待動(dòng)物蘇醒，放回籠中繼續(xù)飼養(yǎng)。

1.3 取材 分別于術(shù)后1 d、4 d、7 d后，各處死4只實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。沿肌纖維方向切取小塊與骨水泥接觸的臀大肌，大小約4 mm×4 mm×6 mm，自然伸直(勿牽拉)，置于多聚甲醛溶液固定24 h，用于石蠟切片。

1.4 切片和HE染色 石蠟切片：HM315輪轉(zhuǎn)式石蠟切片機(jī)切片，厚為2 μm，然后貼于涂有APES載玻片上，60 ℃烘烤30 min后，室溫保存，常規(guī)HE染色。

2 結(jié) 果

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù) 骨水泥組和骨水泥+4 ℃水組局部最高溫度分別為(61.58±2.75) ℃和(44.73±2.03) ℃，40 ℃以上持續(xù)時(shí)間分別為(227.83±22.21) s和(53.33±15.79) s，均P<0.01，差異有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。混勻至最高溫度時(shí)間分別為(571.67±7.92) s和(575.00±8.00) s，P>0.05，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 兩組大鼠骨水泥接觸界面肌肉的變化

2.2.1 肉眼觀察 骨水泥組：術(shù)后1 d局部肌紋理排列稍紊亂，呈暗紅色，可見(jiàn)少量滲出；術(shù)后4 d，肌紋理紊亂，界限不清，顏色暗紅，可見(jiàn)明顯滲出；術(shù)后7 d，肌紋理模糊，表面可見(jiàn)點(diǎn)狀壞死灶及肉芽組織生長(zhǎng)。骨水泥+4 ℃組：術(shù)后1 d肌紋理較清晰，淺紅色；術(shù)后4 d，肌紋理稍紊亂，界限尚清，暗紅，可見(jiàn)少量滲出；術(shù)后7 d，肌紋理可見(jiàn)，稍模糊，與正常組織無(wú)明顯差異。

2.2.2 鏡下觀察 正常肌肉組織細(xì)胞大小一致，呈多角形相嵌分布，多核，位于周邊，未見(jiàn)炎細(xì)胞浸潤(rùn)、肌纖維壞死及再生等變化(見(jiàn)圖1)。

圖1 正常肌細(xì)胞鏡下所見(jiàn)(HE，×100)

圖2 骨水泥組術(shù)后1 d局部細(xì)胞充血、水腫(HE，×100) 圖3 骨水泥組術(shù)后4 d時(shí)部分細(xì)胞破裂，胞質(zhì)溢出，染色不均，少量炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，以嗜酸性粒細(xì)胞為主(HE，×100) 圖4 骨水泥組術(shù)后7 d時(shí)細(xì)胞出現(xiàn)壞死，大量炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，以巨噬細(xì)胞為主(HE，×100)

圖5 骨水泥+4℃水組術(shù)后1 d，局部細(xì)胞無(wú)明顯充血、輕度水腫(HE，×100) 圖6 骨水泥+4℃水組術(shù)后4 d時(shí)部分細(xì)胞輪廓圓潤(rùn)，胞質(zhì)深染不一，未見(jiàn)明顯細(xì)胞破裂(HE，×100) 圖7 骨水泥+4℃水組術(shù)后7 d時(shí)，細(xì)胞形態(tài)近乎正常，個(gè)別細(xì)胞出現(xiàn)壞死，未見(jiàn)明顯炎性細(xì)胞浸潤(rùn)(HE，×100)

3 討 論

本文通過(guò)在大鼠身上模擬單純骨水泥外溢在骨骼肌中的固化放熱過(guò)程，并加于4℃水局部冷卻進(jìn)行對(duì)比，由大體觀察及HE染色鏡檢結(jié)果，1 mL骨水泥的聚合放熱可導(dǎo)致骨骼肌細(xì)胞的損傷甚至壞死，而4℃水冷卻可顯著降低局部最高溫度，縮短40℃以上持續(xù)時(shí)間，有效減輕骨骼肌的組織形態(tài)學(xué)改變。

眾所周知，局部軟組織的損傷情況與感染有著密切的關(guān)系。而感染作為關(guān)節(jié)置換術(shù)后常見(jiàn)并發(fā)癥之一，在過(guò)去的幾年里，雖其發(fā)生率已降到1%～2%，但對(duì)于外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)，仍舊是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因?yàn)樗鼤?huì)增加治療成本，延長(zhǎng)治療時(shí)間，且難以治愈，功能預(yù)后不佳，致死致殘率高[3]。隨著我國(guó)人口老齡化的到來(lái)，老年性股骨頸骨折、股骨頭壞死的病例越來(lái)越多，人工關(guān)節(jié)手術(shù)的發(fā)展也十分迅速，尤其髖、膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)例數(shù)每年倍增，不可避免地涉及到骨水泥的安全問(wèn)題。骨水泥聚合反應(yīng)放熱可不同程度地?fù)p傷到周圍組織，常導(dǎo)致局部感染、患處的感覺(jué)或功能障礙、無(wú)菌性骨溶解及假體的早期松動(dòng)，從而影響手術(shù)成功率及遠(yuǎn)期療效[4]。因此，有效地減輕或預(yù)防局部軟組織的損傷，可一定程度上降低感染的發(fā)生率，提高手術(shù)療效，從而減少經(jīng)濟(jì)成本及社會(huì)成本。

針對(duì)如何減輕或預(yù)防骨水泥聚合反應(yīng)的熱損傷，K?rrholm[5]總結(jié)前人已有的經(jīng)驗(yàn)提出以下方案：a)減少骨水泥用量；b)使用金屬植入物；c)預(yù)冷假體植入物、骨水泥或骨；d)通過(guò)添加重金屬或熔化結(jié)晶單體來(lái)增加骨水泥的熱容量；e)減慢骨水泥聚合反應(yīng)速率；f)通過(guò)增加粉液比、添加含水凝膠或粒狀聚合物來(lái)降低單體比例。不少專家學(xué)者也正在不懈努力的探索可行方案，但尚未系統(tǒng)運(yùn)用于臨床。

骨水泥單體與粉劑，從開始混合至最終固化，可分為濕砂期、粘絲期、面團(tuán)期、固化期四個(gè)時(shí)期。本實(shí)驗(yàn)中，選擇在面團(tuán)期注入骨水泥，加用低溫生理鹽水灌注，并無(wú)改變骨水泥的粉液比。另外，冷水灌注局限于骨水泥表面，降低外部溫度，而有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在改變外部溫度的情況下，并不改變骨水泥的生物力學(xué)特性[6]。Belkoff等[7，8]臨床醫(yī)生在椎體成形術(shù)中，降溫處理骨水泥，也并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何不良副作用。Rothstock等[9]在髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，使用水冷卻與兩種不同材質(zhì)髖臼杯(鈷鉻合金和聚乙烯)進(jìn)行對(duì)照研究，測(cè)量髖臼水泥界面的骨水泥固化溫度，發(fā)現(xiàn)兩種材質(zhì)髖臼杯的未冷卻組峰值溫度均達(dá)70℃，而鈷鉻合金髖臼杯的冷卻組可降至50℃以下。作者認(rèn)為水冷卻和(或)使用金屬植入物，可有效降低骨水泥固化溫度，而并未發(fā)現(xiàn)對(duì)骨水泥性能有明顯影響。

綜上所述，臨床上在使用骨水泥的同時(shí)，加于可控溫度的冷水局部灌注冷卻，方法操作簡(jiǎn)單，材料容易獲得，減輕炎癥反應(yīng)及組織損傷明顯，而對(duì)骨水泥的性能無(wú)明顯影響，若能合理地應(yīng)用于臨床，將對(duì)預(yù)防術(shù)后感染有一定的參考價(jià)值。

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RelationshipbetweenCoolingandThermalInjuryonSkeletalMuscleInducedbyBoneCementPolymerization

CAO Jian-fei1，2，ZHANG Sheng2，YE Hai-ming2，etal

(1.Anhui Medical University Peking University Shenzhen Hospital Clinical College，Shenzhen 518036，China；2.Peking University Shenzhen Hospital Orthopedics，Shenzhen 518036，China)

ObjectiveTo establish the model of polymethylmethacrylate curing process in surrounding skeletal muscle，to research the thermal injury to muscle cells and evaluate the effect of fluid cooling with 4℃ saline.MethodsThere weere 12 SD rats in each group.Group A were injected with 1 mL bone cement in the left gluteus maximus，while group B were injected with 1 mL bone cement in the right gluteus maximus and continuous irrigation cooling with 4℃ saline at the same time.The temperature at the muscle-cement interface of both groups were recorded with needle thermometer.Each 4 of the Rats in both groups were euthanized at 1，4，7 days following the injury.The muscle at the muscle-cement interface was sectioned，stained with hematoxylin，and submitted to histological analysis.ResultsThe maximum temperature of both groups respectively were (61.58±2.75) ℃ and (44.73±2.03) ℃.The time with temperature above 40 ℃ were (227.83±22.21) s and (53.33±15.79) s(P<0.01).Time from start of mixing to maximum temperature were (571.67±7.92) s and (575±8.00) s(P>0.05).In histology，compared with group A，the muscle tissue of group B had lighter morphological changes，less inflammatory cell infiltration and shorter tissue repair time.ConclusionBone cement polymerization can cause thermal injury to the surrounding skeletal muscle，continuous irrigation cooling with 4 ℃ saline can significantly reduce the the maximum temperature，shorten seconds with temperature above 40 ℃，reduce inflammatory cell infiltration and shorten tissue repair time.It will have value in preventing postoperative infection.

bone cement；skeletal muscle；thermal injury；cooling

1008-5572(2014)06-0524-04

深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201202012)；*本文通訊作者：張波

R318.08

：A

2014-03-17

曹建飛(1988- )，男，研究生在讀，安徽醫(yī)科大學(xué)北大深圳醫(yī)院臨床學(xué)院，518036。