相對干燥骨髓腔對骨水泥-骨界面結合強度影響的研究

尹一然，張德祥，魯曉波

目前全球每年行關節(jié)置換數(shù)量已達到85萬個，且隨著社會發(fā)展越來越受到重視。在髖關節(jié)置換術后的短時間里骨水泥就可以提供足夠強的穩(wěn)定性，較生物固定具有明顯的優(yōu)越性。在應用骨水泥的過程中有不少并發(fā)癥，一是在術中發(fā)生的骨水泥置入綜合征(bone cement implantation syndrome，BCIS)，它是骨水泥型人工髖關節(jié)置換術中致死致殘的最重要原因;二是術后遠期發(fā)生的并發(fā)癥，其中最主要的是無菌性松動，它是導致假體失敗的重要原因。因此，如何防止假體松動，增加骨水泥-骨界面的結合強度成為目前人工關節(jié)外科的重要課題。本研究目的是創(chuàng)造相對干燥的骨髓腔環(huán)境，觀察其能否提高骨水泥-骨界面的結合強度，延緩骨水泥-骨界面發(fā)生無菌性松動的時間，為臨床應用提供理論依據(jù)。

材料與方法

1 材料

1.1 試驗動物 購活豬16頭，10月齡，體重在122kg左右。

1.2 材料與器械 骨水泥16包(強生公司，40g/包);骨水泥真空攪拌器、骨水泥槍、髓腔銼、自制髓腔栓、高壓脈沖沖洗器、擺鋸、負壓吸引器、直尺等;改良電熱烘干裝置(奉化市溪口駿馬電器廠定制);瀘州醫(yī)學院附屬醫(yī)院CT教研室(16排);60～100倍可調(diào)高倍放大鏡(浙江三格田教學儀器有限公司);四川大學分析測試中心萬能力學實驗機。

2 方法及步驟

2.1 分組 將16頭活豬的32根股骨隨機分為6組，抗拉力實驗組(A1)、對照組(A2)和抗壓力實驗組(B1)、對照組(B2)，每組各6根;影像學實驗組(C1)和對照組(C2)，每組各4根。豬麻醉后取俯臥位，四肢固定并備皮，取股外側切口，常規(guī)消毒鋪巾，切開皮膚及軟組織，分離肌層達，將股骨全段解剖暴露。

2.2 在距股骨內(nèi)外髁6cm處用擺鋸作股骨截骨，截除近端，使其正好暴露骨小梁(髓內(nèi)松質(zhì)骨厚度為3～5mm)，保留遠端。使用髓腔銼沿股骨縱軸方向開通髓腔，直徑為1．2cm，深度為6cm。實驗組豬股骨擴髓后分別用3%過氧化氫、高壓脈沖、1‰腎上腺素紗布填塞髓腔，再用改良的熱烘干裝置(溫度控制在50℃)干燥髓腔;對照組僅用高壓脈沖沖洗髓腔。遠端置入自制髓腔栓，栓子長度為1cm，剩余5cm深度髓腔留用灌注骨水泥。灌注骨水泥:通過真空攪拌器攪拌骨水泥，在骨水泥糊狀期［1］時使用骨水泥槍進行加壓灌注，抗壓力組外留直徑為1cm、高度為0．5cm，抗拉力組外留直徑為2cm、高度為0．5cm骨水泥柱以便進行后期的力學實驗。待骨水泥凝固后從膝關節(jié)處離斷股骨，在原來標記的髓腔栓的近端位置截骨，截除股骨遠端，暴露遠端骨水泥柱。

3 觀察指標

3.1 力學測試 將A1、A2和B1、B2組所得標本在力學試驗機上分別進行抗拉力和抗壓力測試，通過與之相連的計算機記錄實驗所得數(shù)據(jù)。

3.2 影像學測試 將C1、C2組所得標本行CT橫截面掃描，間隔2mm，觀察CT片橫截面，結合緊密者多為骨水泥-骨小梁中無暗黑的低密度帶者，反之，出現(xiàn)暗黑的低密度帶者為結合欠或不緊密。用Barrack標準［2］評定骨水泥對股骨假體柄的把持力。3.3 大體標本觀察 將進行影像學測試后的C1、C2標本沿縱軸剖開，用放大鏡觀察骨水泥及髓腔表面情況。

4 統(tǒng)計學分析

力學實驗組統(tǒng)計學處理方法采用兩組樣本(A1與A2、B1與B2)配對t檢驗;影像學實驗組(C1與C2)采用χ2檢驗。P≤0．05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

1 力學測試

1.1 在抗拉力實驗中，隨著載荷的增大，當骨水泥被拉出或骨水泥-骨界面發(fā)生松動時各組載荷分別是:A1組(2．17±0．10)KN，A2組(1．81±0．08)KN(表1)。根據(jù)配對t檢驗統(tǒng)計結果，按照α=0．05的檢驗水準，兩組比較差異具有統(tǒng)計學意義(t=6．595，P=0．001)(表2)。

1.2 在抗壓力實驗中，隨著載荷的增大，當骨水泥被壓縮或骨水泥-骨界面發(fā)生松動時各組載荷分別是:B1組(3．25±0．08)KN，B2組(2．85±0．12)KN(表3)。根據(jù)配對t檢驗統(tǒng)計結果，同理，B1與B2具有統(tǒng)計學意義(t=5．381，P=0．003)(表4)。

1.3 抗拉力、抗壓力配對t檢驗兩兩配對見表5。即在干燥髓腔環(huán)境的情況下，骨水泥-骨界面抗拉力和抗壓力的強度明顯大于非干燥情況下，說明干燥的髓腔環(huán)境能夠增強骨水泥-骨界面的結合強度。

表1 A1、A2兩組標本能承受的最大拉力值(KN)

表2 抗拉力實驗數(shù)據(jù)的配對t檢驗表

表3 B1、B2兩組標本能承受的最大壓力值(KN)

表4 抗拉力實驗數(shù)據(jù)的配對t檢驗表

表5 抗拉力、抗壓力配對t檢驗兩兩配對表

2 影像學測試

髓腔相對干燥組的CT斷層片上可見骨水泥截面與骨小梁之間大多數(shù)都嵌合緊密。骨水泥在骨髓腔內(nèi)充填均勻，骨水泥向骨小梁間彌散好，但是隨著截面往近端靠近時會出現(xiàn)少量低密度帶，可能與髓腔內(nèi)骨水泥從遠端至近端受到的壓力梯度逐漸減小有關。對照組的CT斷層片上可見骨水泥截面與骨小梁之間結合稍差。低密度帶較多，其低密度帶明顯較實驗組的寬。實驗組結合緊密者為83個，非結合者為13個，其結合率為86．46%。對照組結合緊密者為64個，非結合者為32個，結合率為66．67%(表6)。根據(jù)χ2檢驗計算公式求得χ2=10．478，P＜0．01，二者具有顯著差異性。

表6 實驗組C1與對照組C2結合數(shù)/結合率

3 大體標本觀察

實驗組骨水泥柱表面干凈，有大量細小突起，骨小梁表面清潔，有大量與骨水泥結合的骨小梁孔。對照組骨水泥表面呈暗紅色，細小突起少，骨小梁孔較少且表面被一層膜所覆蓋。

討 論

人工關節(jié)置換術假體固定分為骨水泥固定和生物學固定兩大類，骨水泥固定具有術后早期固定牢靠等特點，目前在臨床上大量應用。在關節(jié)假體髓內(nèi)固定中骨水泥主要通過機械交鎖作用提供良好的假體穩(wěn)定性［3］。臨床回顧性分析表明，造成骨水泥固定假體后期發(fā)生無菌性松動的主要原因是骨水泥-骨界面嵌合強度不夠［4］。而骨水泥-骨界面接合失敗主要是骨水泥-骨界面微動增加使骨水泥-骨界面分離，導致骨水泥碎裂產(chǎn)生磨屑，并進入骨水泥-骨界面的緣故［5］。如何在早期就增加骨水泥-骨界面的穩(wěn)定性，研究人員主要嘗試通過改進骨水泥的治療;骨水泥攪拌技術革新;創(chuàng)造良好的髓腔環(huán)境等提升效果。宋烜赫等［6］通過使用高壓脈沖沖洗骨髓腔，結果表明高壓脈沖沖洗加刷洗可顯著增強骨水泥-骨界面的結合強度。說明骨髓腔比骨水泥更能影響骨水泥-骨界面的嵌合能力。

本研究在抗拉力及抗壓力實驗中，隨著載荷的增大，當骨水泥被拉出或骨水泥-骨界面發(fā)生松動時各組載荷分別是:A1組(2．17±0．10)KN，A2組(1．81±0．08)KN，B1組(3．22±0．08)KN，B2組(2．85±0．12)KN，根據(jù)配對t檢驗統(tǒng)計結果，按照α=0．05的檢驗水準，抗拉力組與抗壓力組皆具有統(tǒng)計學意義(P＜0．05)。即在相對干燥髓腔環(huán)境的情況下形成的骨水泥-骨界面抗拉力和抗壓力的強度明顯大于非干燥情況下，說明干燥的髓腔環(huán)境能夠增強骨水泥-骨界面的結合強度。由于骨髓腔經(jīng)干燥后骨髓腔中滲血明顯減少，在骨髓腔骨小梁表面形成的莢膜減少，骨小梁與骨水泥結合數(shù)量和面積增加，造成了本實驗實驗組與對照組在力學測試上的顯著差異。同時，骨水泥-骨界面結合強度的增強，一個穩(wěn)定封閉的界面便在此形成，從而可以阻止某些物質(zhì)如引起炎性反應、骨溶解和骨松動的磨損顆粒、炎性細胞和細胞因子進入骨-骨水泥界面，炎性反應、免疫反應和溶骨反應均得到有效的抑制，從而減少了關節(jié)置換術后松動的發(fā)生率。另外，髓腔相對干燥組的CT橫掃片上可見骨水泥截面與骨小梁之間大多數(shù)都嵌合緊密。骨水泥在骨髓腔內(nèi)充填均勻，骨水泥向骨小梁間填充侵潤良好;對照組的CT橫截面上可見骨水泥與骨小梁之間結合稍差。低密度帶較多，其低密度帶明顯較實驗組的寬。二者具有顯著差異性，即干燥的髓腔環(huán)境可以增加骨水泥-骨界面的微鎖程度，增強骨水泥-骨界面的穩(wěn)定性及強度。

［1］楊述華，邱貴興．關節(jié)置換外科學［M］．北京:清華大學出社，2005:50．

［2］Barrack RL，Mulroy RD Jr，Harris WH．Improved cementing techniques and femoral component loosening in young patients with hip arthroplasty:a 12-year radiographic review［J］．JBone Joint Surg(Br)，1992，74(3):385-389．

［3］Charnley J．Anchorage of the femoral head prostbesis to the shaft of the femur［J］．J Bone Joint Surg(Br)，1960，42(1):28-30．

［4］王毅，同峰，末殿臣，等．骨水泥振動器的研制及其對骨水泥骨界面影響的實驗研究［J］．中華外科雜志，2008，46(6):431-433．

［5］Schrnalzried TP，Maloney WJ，Jasty M，et al．Autopsy studies of the bonecement interface in well-fixed cemented total hip arthroplasties［J］．J Arthroplasty，1993，8(2):179-188．

［6］宋烜赫，張波，步萬庶，等．骨髓腔沖刷對骨水泥-骨界面結合強度的影響［J］．哈爾濱醫(yī)科大學學報，2003，37(3):242-246．