n-HA/PA66對損傷胸腰椎骨生物力學(xué)屬性的恢復(fù)效果研究

沈偉，林峰，蔣雪梅

（1.重慶大學(xué)，生物流變科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，生物工程學(xué)院，重慶 400030；2.北京大學(xué)，工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系，北京 100871）

n-HA/PA66對損傷胸腰椎骨生物力學(xué)屬性的恢復(fù)效果研究

沈偉1，林峰2，蔣雪梅1

（1.重慶大學(xué)，生物流變科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，生物工程學(xué)院，重慶 400030；2.北京大學(xué)，工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系，北京 100871）

目的 研究經(jīng)傷椎椎弓根植入納米羥基磷石灰/聚酰胺（nanohydroxyapatite/polyamide-66, n-HA/PA66）復(fù)合人工骨粒對損傷胸腰椎體的生物力學(xué)屬性恢復(fù)效果，探究其臨床應(yīng)用價值。方法 選取10具人體T12-L2節(jié)段脊柱標(biāo)本，將其隨機(jī)平分為兩組：自體松質(zhì)骨組（Cancellous Bone, CB）與n-HA/PA66 (NHP)組。椎體損傷后經(jīng)椎弓根植入上述填充物，并自主設(shè)計夾具，利用萬能試驗機(jī)在軸向、前屈、后伸及側(cè)彎四個方向測試椎體功能段T12-L2的剛度與椎體L1的應(yīng)變。結(jié)果 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與CB組相比，NHP組在軸向、前屈及側(cè)彎方向上重建椎體剛度顯著增加（p＜0.05），椎體L1應(yīng)變顯著降低（p＜0.05），表明NHP能較好的恢復(fù)損傷椎體的生物力學(xué)屬性。結(jié)論 n-HA/PA66骨替代物比松質(zhì)骨能更好的恢復(fù)損傷胸腰椎骨的生物力學(xué)性質(zhì)，具有一定的臨床應(yīng)用價值。

生物力學(xué)；n-HA/PA66；自體骨移植；胸腰椎骨折

引言

近年來，胸腰椎骨折的發(fā)病率呈逐年增高趨勢，已成為臨床治療與科學(xué)研究的熱點[1]。然而，目前在很大程度上還無法徹底治愈，其原因是因無法對損傷的椎骨進(jìn)行修復(fù)，特別是生物力學(xué)屬性的修復(fù)。已有的治療系統(tǒng)，如椎弓根釘系統(tǒng)，雖能通過椎體的高度復(fù)位能有效地實現(xiàn)骨折復(fù)位和即刻穩(wěn)定，但因骨缺損導(dǎo)致系統(tǒng)力學(xué)屬性未徹底恢復(fù)而引起后期校正角度丟失、斷釘?shù)纫幌盗袃?nèi)固定失敗問題[2]。鑒于此，Daniaux 等人結(jié)合椎弓根螺釘固定系統(tǒng)與自體松質(zhì)骨移植來治療椎骨骨折[3,4]，達(dá)到了較好的治療效果，但具體的功能指標(biāo)，特別是生物力學(xué)屬性，并沒有得到很好的闡述。

雖然骨移植較好的治療了骨折，但其數(shù)量有限且具有潛在并發(fā)癥，近年來已研發(fā)出多種用來重建椎體、恢復(fù)缺損的骨功能的骨替代物[5]。例如，仿生自然骨成分（磷灰石、膠原）的生物材料，包括，羥基磷灰石（Hap）和聚酰胺66（PA66）[6-8]。由于羥基磷灰石是骨和牙齒的主要無機(jī)鈣磷酸鹽礦物成分，且聚酰胺66具有和骨膠原類似的酰胺鍵和羧基等特殊化學(xué)鍵，因此用羥基磷灰石和聚酰胺66 (n-HA/PA66)的混合材料較單一材料更能滿足自然骨的特性。李玉寶等人混合納米羥基磷灰石和聚酰胺制備了骨替代材料n-HA/ PA66，具有良好的骨傳導(dǎo)性和仿生性能，已應(yīng)用于臨床椎體重建手術(shù)[9,10]。

重建效果的一個重要指標(biāo)是重建椎體與正常椎體的力學(xué)屬性是否相近[11,12]。因此為了評價n-HA/PA66的重建效果，本文選取10具人類脊椎節(jié)段T12-L2通過一系列生物力學(xué)測試，評價n-HA/PA66復(fù)合人工骨粒與自體松質(zhì)骨骨粒對損傷椎體的生物力學(xué)屬性修復(fù)的差異性，為n-HA/PA66復(fù)合材料的臨床應(yīng)用提供體外修復(fù)實驗的力學(xué)屬性恢復(fù)證據(jù)，更好地指導(dǎo)其臨床研究與應(yīng)用。

1 材料和方法

1.1 標(biāo)本制備

選取10具無骨折、畸形、腫瘤等疾患的成人尸體脊柱標(biāo)本，隨機(jī)分成兩組（自體松質(zhì)骨組（CB組），n-HA/PA66組（NHP組）。截取T12-L2節(jié)段，保留所有椎間韌帶和關(guān)節(jié)囊，剔除椎骨的椎旁肌、脂肪和結(jié)締組織。將椎體T12和 L2包埋于表面平整的正方體自凝牙托粉模具中，使椎體L1位于正中。將處理好的標(biāo)本用雙層塑料袋密封，放入-20°C 冰柜中保存待用，實驗前將其逐級解凍直至恢復(fù)至室溫。

1.2 骨折模型建立

據(jù)文獻(xiàn)報道[13]，由以下步驟構(gòu)建胸腰椎骨折模型:

1. 椎體的預(yù)損傷處理：用直徑為2 mm的鉆頭在標(biāo)本椎體L1的前部打3-4個孔；

2. 椎體損傷處理：用擺錘沖撞試驗機(jī)（型號JB-300）以5 m/s沖撞速度和30?擺角落錘正向沖擊預(yù)損傷的標(biāo)本，制造椎體前中柱骨折；

3. 形態(tài)上鑒定骨折模型。

1.3 損傷椎體重建

骨折后，通過手術(shù)的辦法經(jīng)椎弓根植入法對損傷的椎體后伸撐開植入自體骨或復(fù)合人工骨。CB組植入取自棘突和椎板的松質(zhì)骨骨粒，大小約為3 mm×3 mm× 3 mm；NHP組植入由四川國納有限公司提供的n-HA/PA66復(fù)合人工骨粒，直徑約為1000-4000 nm。

1.4 生物力學(xué)屬性測試

1. 標(biāo)本預(yù)處理：椎骨損傷前后剔除表面肌肉露出堅硬的骨組織，在椎體L1的待測部位用氰基丙烯酸鹽粘合劑粘貼應(yīng)變式傳感器，隨后將標(biāo)本置于特制夾具中（如圖1所示），在萬能材料試驗機(jī)Instron 1011上進(jìn)行生物力學(xué)屬性測試；

2. 生物力學(xué)屬性測試：椎骨損傷前及重建修復(fù)后都采取相同的實驗方案采集椎骨生物力學(xué)屬性參數(shù)。首先在試驗機(jī)上設(shè)置50 N的最大載荷，以1 mm/min的軸向位移速率預(yù)加載椎體三次，每次加載間隔60秒，消除骨松弛和蠕變的影響。隨后設(shè)置500 N的最大載荷，以1 mm/min的軸向位移速率在軸向、前屈、后伸、及左/右側(cè)彎等四個對損傷前及重建后的椎體進(jìn)行力學(xué)加載，用Instron試驗機(jī)自帶的PC系統(tǒng)及自編軟件分別實時記錄標(biāo)本的載荷-位移與椎體L1應(yīng)變，每秒采集10個數(shù)據(jù)點，各方向上重復(fù)加載五次。

圖1 特制鋼夾具用于施加不同方向的載荷Fig. 1 Steel fixture was specially designed for the application of loads

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用第五次加載所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析。椎體標(biāo)本的剛度由載荷-位移曲線的斜率所得，椎體L1段的應(yīng)變由最大載荷500 N時應(yīng)變片的應(yīng)變所得。所有數(shù)據(jù)都采用Origin 8.5數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，用t檢驗分析兩組間的顯著性差異，p＜0.05為具有統(tǒng)計性差異。

2 實驗結(jié)果

2.1 椎體骨折損傷

本實驗利用擺錘沖撞試驗?zāi)M意外傷害等情況損傷椎體，成功構(gòu)建椎體骨折損傷模型。圖2所示的是經(jīng)擺錘沖撞機(jī)損傷的椎體，由圖可知，沖撞實驗破壞了椎體預(yù)損傷部位，使得椎體完整性及連續(xù)性遭到破壞，符合椎體骨折損傷的指標(biāo)，證明本實驗成功損傷了椎體可用于后續(xù)研究。

圖2 骨折后椎體L1節(jié)Fig.2 Fractured vertebral body L1

2.2 自體骨及n-HA/PA66對損傷椎體剛度恢復(fù)的影響

評價椎體重建效果的重要指標(biāo)之一是剛度，一般情況下，剛度越大椎體抵抗變形的能力越強(qiáng)即穩(wěn)定性越好，表明重建效果較優(yōu)。本實驗在體外模擬在體情況四個方向的運動，實施軸向、前屈、后伸及左/右側(cè)彎壓縮，測量椎體功能節(jié)段T12-L2的形變，進(jìn)而表征椎體的剛度。結(jié)果如表1所示，與完整對照組相比，在四個方向上CB組及NHP組的椎體剛度都未完全恢復(fù)到正常狀態(tài)。利用重建后椎體剛度與損傷前椎體剛度的相對比值作為評價椎體修復(fù)效果的力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果如圖3所示。由結(jié)果可知，與CB組相比，NHP組在軸向、前屈、后伸及左/右側(cè)彎壓四個方向上的剛度恢復(fù)都顯著提高（分別是57%：48%，60%：53%，78%：75%，87%：77%，p＜0.05），表明n-HA/PA66復(fù)合人工骨粒對重建椎體的剛度恢復(fù)具有較好效果。

表 1 功能節(jié)段T12-L2的剛度(N/mm,±s)Tab.1 Stiffness of segment T12-L2 (N/mm,±s)

表 1 功能節(jié)段T12-L2的剛度(N/mm,±s)Tab.1 Stiffness of segment T12-L2 (N/mm,±s)

圖 3：n-HA/PA66和松質(zhì)骨植骨組功能節(jié)段T12-L2的剛度相對完整標(biāo)本剛度的百分比。CB=自體松質(zhì)骨填充，NHP= n-HA/PA66復(fù)合人工骨粒填充。＊p＜0.05, n=5Fig.3: Stiffness of the functional units T12-L2 after cancellous bone grafting and n-HA/PA66 grafting (percentage to intact). NHP= Transpedicular n-HA/PA66 grafting. CB= Transpedicular cancellous bone grafting. ＊p＜0.05, n=5

討論

本研究的主要發(fā)現(xiàn)是，骨替代混合材料n-HA/PA66能較好的恢復(fù)重建椎體的生物力學(xué)屬性，包括增加椎體功能節(jié)段T12-L2的剛度，降低椎體節(jié)段L1的應(yīng)變，都表現(xiàn)為重建椎體的生物力學(xué)性質(zhì)增強(qiáng)，椎體的穩(wěn)定性增高，提高損傷椎體重建的效果。為n-HA/PA66骨替代材料的臨床治療應(yīng)用提供體外水平的生物力學(xué)屬性恢復(fù)證據(jù)，將更好的指導(dǎo)其應(yīng)用。

據(jù)報道[14]，目前主要有三種用于建立胸腰椎骨折模型的方法：1） 擺錘沖擊模型：操作簡便且較易實現(xiàn)但其重復(fù)性差且易造成標(biāo)本其他部位不同程度的損傷；2）椎間盤切除術(shù)：Hsiang-Ho等于2004年使用該方法模擬爆裂性骨折，但該方法與臨床情況差距較大[15]；3）先用電鉆處理椎體造成預(yù)損傷，再用沖擊試驗機(jī)或材料試驗機(jī)壓縮產(chǎn)生骨折[13,16]。通過該方法，比單獨使用沖擊試驗?zāi)芨玫目刂苿?chuàng)傷位置與損傷程度，且比椎間盤切除術(shù)更切合實際。因此，本研究主要采用方法3建立胸腰椎骨折模型，不僅椎體損傷范圍接近實際情況且重復(fù)性較高，較好地模擬了椎體損傷情況，為后續(xù)實驗奠定基礎(chǔ)。

骨替代材料n-HA/PA66已廣泛應(yīng)用于骨科疾病創(chuàng)傷后重建的臨床治療手術(shù)中[17]，相比于其他骨替代材料，n-HA/ PA66有較好的仿生功能、理化特性，且能更好地改善損傷或丟失的骨功能[8,18]。因此本研究主要比對了n-HA/PA66與自體松質(zhì)骨對損傷椎體重建后生物力學(xué)屬性的恢復(fù)情況，探究n-HA/PA66的臨床應(yīng)用價值。與以往的研究相比（模擬脊柱生理狀態(tài)運動），本研究自主設(shè)計加載組件，通過簡化夾具減少了人工計算誤差，且適用于水平比較[12,19]。并利用Instron材料試驗機(jī)模擬生理運動，分別測量軸向、前屈、后伸及側(cè)彎四方向上重建椎體的剛度及應(yīng)變恢復(fù)情況。結(jié)果表明，n-HA/PA66組在軸向、前屈及側(cè)彎方向上較自體松質(zhì)骨組能更好的增加損傷椎體的剛度以及降低應(yīng)變，增強(qiáng)重建椎體的生物力學(xué)屬性，在后伸上沒有顯著性差異。后伸上沒有差異性有點，但不完全讓人驚訝，因為椎體的運動是多因素多層次的力學(xué)運動過程，或許這個結(jié)果挺重要的，但是超出了本研究關(guān)注的重點。

目前為止，經(jīng)椎弓根植骨手術(shù)雖已取得較好的臨床治療效果，但其在防止矯正角度丟失及生物力學(xué)屬性恢復(fù)等方面還存在爭議性[20,21]。例如，Ebelke等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)椎骨增強(qiáng)術(shù)的病人22個月后幸存率達(dá)100%[22]。然而，Knop等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)椎弓根植入松質(zhì)骨填充術(shù)的有些病人36個月后校正角度丟失10.1[23]。矯正角度的丟失可能是由于松質(zhì)骨生物力學(xué)強(qiáng)度不足導(dǎo)致，本研究的結(jié)果也發(fā)現(xiàn)單獨的n-HA/PA66填充不能達(dá)到正常脊柱的生物力學(xué)屬性，因此后期研究與臨床治療必須輔以前路固定器械等來固定和強(qiáng)化椎體。

結(jié)論

本文給出了n-HA/PA66復(fù)合人工骨粒對損傷胸腰椎體的生物力學(xué)屬性恢復(fù)效果的數(shù)據(jù)：通過軸向、前屈、后伸及側(cè)彎四個方向的測試發(fā)現(xiàn)，與CB組相比，NHP組在軸向、前屈及側(cè)彎方向上重建椎體剛度顯著增加（p＜0.05），椎體L1應(yīng)變顯著降低（p＜0.05），表明NHP能較好的恢復(fù)損傷椎體的生物力學(xué)屬性。表面n-HA/PA66骨替代物比松質(zhì)骨能更好地恢復(fù)損傷胸腰椎骨的生物力學(xué)性質(zhì)，呈現(xiàn)一定的臨床應(yīng)用價值。但其也不能達(dá)到正常脊柱的生物力學(xué)強(qiáng)度，因此也有待進(jìn)一步的研究。

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The E ff ects of n-HA/PA66 in Biomechanical Properties of Injured Thoracolumbar Vertebrae

Shen Wei1, Lin Feng2, Jiang Xuemei1
(1.Key Laboratory of Biorheological Science and Technology, Chongqing University, Chongqing, 400030, China; 2.Department of Mechanics and Engineering Science, College of Engineering, Peking University, 100871, Beijing)

In this paper, the e ff ects of n-HA/PA66 as the transpedicular graft material in biomechanical properties in treating thoracolumbar fractures was addressed, and investigated the value of clinic application. Methods: Ten T12-L2 vertebrae were harvested from human cadavers and randomized devided into two groups: Cancellous Bone (CB) and n-HA/PA66 (NHP). Implant the graft material after vertebral injure, measured the sti ff ness of functional units (T12-L2) and strain of L1 by the use of self-designed fi xture and material testing machine. Results: Our results show that, compared to CB, the sti ff ness of T12-L2 was signi fi cantly increased in NHP (p＜0.05), and the strain of L1 was signi fi cantly decreased (p＜0.05), demonstrating that NHP can better recover the biomechanical properties of injured vertebra. Conclusions: n-HA/PA66 is better than cancellous bone in mechanics for reconstruction of thoracolumber fractures, having some clinical value. However, n-HA/PA66 grafts alone can not recover the biomechanical properties of injured vertebra to that of intact vertebrae, so further studies are needed.

Biomechanics; n-HA/PA66; Autogenous bone; Thoracolumbar fracture

G804

A

10. 11967/ 2017150105

G804

A DOI：10. 11967/ 2017150105

國家自然科學(xué)基金青年基金（編號：31400805)

蔣雪梅（1979年），女，副教授，主要研究方向：生物力學(xué)與流變學(xué)方向，及藥物分析方向。E-Mail: jiangxuemei@cqu.edu.cn.