同种异体骨支撑架结合自体骨和DBM治疗股骨头坏死的生物力学研究.docx

同种异体骨支撑架结合自体骨和DBM治疗股骨头坏死的生物力学研究.docx

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同种异体骨支撑架结合自体骨和DBM治疗股骨头坏死的生物力学研究

同种异体骨支撑架结合自体骨和DBM治疗股

骨头坏死的生物力学研究

作者：

梅荣成，杨述华，杨操，李宝兴，苏成忠，李进，邹利军，徐亮，郑东，汪岚

【摘要】［目的］研究同种异体骨支撑架结合自体骨和脱钙骨基质（decalcifiedbonematrix,DBM）植入治疗股骨头坏死生物力学变化。

［方法］建立羊双侧股骨头坏死模型，4周后分为4组：

单纯行髓芯减压组（A组）、髓芯减压后植入自体松质骨和OSTEOSET2DBM组（B组）、髓芯减压后植入同种异体骨支撐架/自体松质骨OSTEOSE2DBM组（C组）和正常对照组。

术后分别于5、10、20周对股骨头行影像学、组织学观察和生物力学测定。

［结果］影像学和组织学检查结果显示C组在髓芯减压区骨缺损修复及成骨方而较B组略高,B、C两组都较同时期的A组明显增强。

生物力学测试结果表明，术后5、10、20周时C组力学强度较A、B两组明显增高，差异有统计学意义（P<,在10、20周时C组股骨头生物力学强度和正常股骨头己无明显差异。

［结论］应用同种异体骨支撐架结合自体骨和脱钙骨基质治疗股骨头坏死，能有效加强股骨头的力学结构,促进坏死骨的修复,防止股骨头关节面的塌陷。

【关键词】股骨头坏死；自体骨；脱钙骨基质；支架（骨科）;

生物力学

股骨头坏死的治疗目前仍然是骨科而临的一大难题,生物力学在保留股骨头坏死的治疗中越来越受到关注[1,2]o木实验将自行设计的同种异体骨支撑架植入行髓芯减压后的股骨头，加强其生物力学结构，探索讨治疗股骨头坏死的新方法。

1材料与方法

股骨头坏死动物模型的制备及分组

取健康成年雄性大尾羊22只，体重50〜60kg（由华中科技大学同济医学院实验动物中心提供），均系一级动物。

2只（4侧）为正常对照组，20只行双侧股骨头坏死造模，先结扎旋股内、外侧动脉,然后用直径mm的钻头于股骨外侧大转子基底部下1cm处经股骨颈向股骨头顶部钻洞，深达软骨下骨下约5mm处。

用注射器注入无水酒精2ml约30min,制作股骨头坏死模型。

造模1个月后，随机挑选2只处死，行病理学检查，剩下18只（36侧）随机分为A、B、C3组，每组12侧，A组单纯行坏死股骨头髓芯减压，B组在行髓芯减压后植入自体松质骨和0STE0SET2DBM,C组在行髓芯减压后植入同种异体骨支撑架、自体松质骨和0STE0SET2DBMo0STE0SET2DBM由WrightMedicalTechnologyinc提供。

同种异体骨支撐架制备

实验前取与实验同批的大尾羊胫骨中段，由特制车床制成。

呈中空圆柱状，近端钝圆，外径为10mm,长24mm,壁厚mm,四周有散在的小孔，直径nrnio由中国辐射防护研究院山西医用组织库经洗髓、深冻、冻干、辐照等处理，制作完成（图1）。

植入前用生理盐水浸泡30min。

图1羊同种异体骨支撐架（略）

手术方法

在股骨头坏死动物模型制作完成1个月后分别对A、B、C3组动物行第2次手术。

全麻下按原造模时的皮肤切口进入，暴露股骨大转子基底部原钻孔部位。

在X线机监视下将1枚导针经股骨颈钻入到软骨下骨的骨坏死区中央，注意不要穿透关节面，用直径7mm的空心钻头沿导针钻开股骨外侧骨皮质，经股骨颈清除骨坏死区内肉芽组织及周围坏死骨，继续沿导针钻入至软骨下骨下约5mm处，退出钻头，用外径10mm的配套攻丝小心攻至软骨下骨约5mm处。

A组无需再作进一步处理。

B、C2组沿同一切口显露骼骨，取适量的松

质骨，B组直接将松质骨和OSTEOSET2DBM混合，植入股骨头减压后的隧道内。

C组将松质骨和OSTEOSET2DBM置于同种异体骨支撑架内，填塞紧密后，拧入攻丝好的隧道内，支撐架后的隧道用自体骼骨填塞紧密；逐层缝合伤口。

观察内容和方法

影像学观察术后当时，5、10、20周各组随机抽取2只（4侧）行X线、CT检查，采用同批号胶片，观察股骨头内骨质变化和股骨头塌陷情况。

组织学观察术后5、10、20周各组随机抽取2只（4侧）动物处死，行生物力学检测后将股骨头沿中央冠状锯开，观察其结构并行石蜡切片苏木素-伊红（HE）染色，光镜下观察髓芯减压区骨缺损修复情况及新骨生成情况。

生物力学测定术后5、10、20周各组随机抽取2只（4狈9）动物处死，第5周时将2只（4侧）正常对照组动物亦处死，将取下的股骨头行力学测试。

股骨用薄铁皮包埋至大转子基底部，固定到一特殊的夹具并安装在AGS-10KXD万能生物材料实验机上。

将股骨定位于使股骨头前上部负重的位置与动物的自然步态中站立相受力相似。

载重负荷用一直径是1cm粗的压面，压面的弧度与股骨头曲面一致，将负荷增至峰值以确定股骨头的强度（图2）,本实验加压速率为2mm

/min,在载荷位移曲线上计算其抗压强度。

抗压强度计算公式：

Pmax二P/A。

P为软骨下骨屈服时的压力，A为压头截面积。

图2羊股骨生物力学测试（略）

所有测得的数据经SPSS统计学处理软件分析处理，采用方差分析和均数间两两比较的q检验,或两组独立样木t检验,P<具有统计学意义。

2结果

全部动物在肢体手术后1〜3d负重，无动物感染和死亡。

普通X线片及CT成像结果

A组可见2例股骨头变形，术后髓芯减压区低密度影一直存在。

10、20周可见囊腔及囊壁硬化带形成。

B组术后5周植入物密度较周围低，分界清晰。

10周时，植入区与周围组织逐渐变模糊，密度均匀，中心部密度稍低。

20周时植入区与周围骨质基本一致。

C组术后5周时尚能分辨岀植入的同种异体骨支撐架轮廓，但密度较前明显减低，有骨质吸收与重建迹象，支架内骨质密度稍低（图3）o10周时支架与周围骨质分界不清，支架内骨质密度均匀，较周围骨质密度稍低。

20周时股骨头密度均匀，骨小梁排列整齐，难以辨认植入区和植入的同种异体骨支架（图4）。

图3C组支架植入5周时X线片（略）

图4C组支架植入20周时X线片（略）

组织学观察

造模4周后股骨头组织内出现大量空骨陷窝，骨小梁稀疏、变细，有断裂现象，为典型的股骨头坏死表现。

A组：

术后5周时髓芯减压隧道周边有新骨形成，中心部为疏松的纤维肉芽组织；10周时周边为逐渐形成的骨壁，中心为纤维组织；20周中心部仍为纤维组织，无骨组织充填。

B组：

术后5周周边有少量的成骨反应，新生骨组织向中心部长入；10周周边有一定量骨形成，成骨明显，周边有骨形成带；20周植入组织与周围组织边界模糊，髓芯减压区为幼稚的骨小梁所占据，表而有较多的成骨细胞和新生骨痂，部分区域分布相对较成熟的骨小梁（图5）。

C组：

术后5周股骨头松质骨和植入的同种异体骨支撐架有部分结合，支撐架的侧壁有新骨形成层覆盖,支撑架皮质骨的孔数增多；10周支撐架皮质骨孔数进一步增多，侧壁有大量的新生骨痂覆盖，有连续的骨小梁通过支撐架侧壁的小孔;

20周支撑架被相对成熟的骨小梁所替代，仅有部分皮质骨残迹，植入区为相对成熟的骨小梁所占据（图6）。

图5B组20周时可见

髓芯减压区为幼稚的骨小梁所占据，表面有较多的成骨细胞和新生骨痂（HEX40）（略）

图6C组20周时支撐架被相对成熟的骨小梁所替代，仅有

部分皮质骨残迹（HEX40）（略）

生物力学测试结果

术后5、10、20周时同种异体骨支撐架植入组（C组）力学强度较A、B两组明显增高，差异有统计学意义（P<,虽然和正常对照组比较力学强度稍差，但在10、20周时差异己无统计学意义（P>；（表1）O

表1股骨头抗压强度（略）

*和正常对照组比较P<；△和同时间C组比较P<

3讨论

股骨头坏死常发生于30〜50岁的中青年患者，治疗股骨头坏死的最终目的是保存患者的股骨头［3］。

保留股骨头的理想治疗,不仅要加强对股骨头坏死区的修复，还要能够有效的恢复股骨头的力学性能以防止其关节面的塌陷。

目前常用加强股骨头力学结构的植骨方法有带血管蒂或游离腓骨移植以及各种皮质骨植入［4］,这种植骨尽管靠挤压固定，但与植骨区的接触仍是离散的，防止塌陷的作用有限，结果并不能完全令人满意［5］。

Brown等［6］用有限元方法分析了股骨头坏死的力学变化，证实坏死骨周围的应力集中是病情进展的主要原因。

他指出，髓芯减压术去除了股骨头结构性骨质，最大应力/强度比值一般会增大，通过髓芯减压通道采用骨移植可以改变载荷的分布。

并强调理想的移植骨应和减压隧道一样是圆柱形的，以保证与周围骨最大限度的接触，同时要求近端能很好地与软骨下骨相吻合。

如果移植骨能与软骨下骨形成最大程度的接触，则最大应力/强度比值就会明显减小，从而减少股骨头塌陷的可能。

作者根据股骨头坏死区的特点设计了同种异体骨支撐架及与其相配套的器械，植入体内后其近端与股骨头关节面的弧度相同,与软骨下骨紧密接触，周壁也能与股骨头内的松质骨紧密接触，应力通过软骨下骨传导后，能均匀的分布到支撐架的表面并向四周分散,避免了应力集中，为髓芯减压区新骨的形成创造了一个相对安静的环境。

支撑架的周壁有均匀分布的小孔，在骨修复过程中，可以使支架内外的骨质通过小孔相互长入。

使其与周围骨组织融合成一个整体。

同时，支撐架系经冻干、辐照处理后的同种异体皮质骨，具有良好的生物相容性和生物力学性能，植入体内后，木身的结构也能逐渐得到改建，且其被吸收和爬行替代的速度与新骨形成之间有较好的同步性，使其能始终保持较好的力学强度和硬度［7］。

本研究生物力学测试结果表明，同种异体骨支撐架植入组（C组）生物力学强度较A、B两组明显增强，植入10周以后，其生物力学强度己接近正常股骨头。

脱钙骨基质（DBM）含有多种成骨因子（如BMP2、BMP4、

IGF1、TGFB1等）［8］,研究表明坏死股骨头中骨髓基质内BMP表达减少，加入外源性BMP对治疗股骨头坏死有一定价值［9］。

单独将BMP植入体内易被血液冲刷掉而不能最大限度的发挥其诱导成骨活性，0STE0SE2DBM是由脱钙骨基质混合医用硫酸钙而成，在硫酸钙颗粒吸收过程中包裹在其中的DBM会持续释放,从而使BMP等成骨因子在局部能较长时间内保持其有效浓度。

而自体松质骨中含有丰富的骨髓基质干细胞，具有较好的骨诱导、骨传导和骨生成特性。

将0STE0SET2DBM和自体松质骨结合能更好的发挥成骨效能。

本试验组织学结果表明：

B、C两组的成骨作用都明显增强，较同时期的A组显著增高。

本实验综合了治疗缺血性骨坏死几种方法的优点，用改良的髓心减压术减轻股骨头骨内压力，以增加其血供和减轻病人疼痛；同种异体骨支撐架的植入可对坏死股骨头负重区软骨下骨起到有力的持续机械支撑，降低局部应力；将具有骨诱导活性的DBM和自体松质

骨置入同种异体骨支撐架后一起植入软骨下骨来加强其成骨过程，使骨吸收和新骨形成过程达到平衡，加强骨愈合，为关节软骨提供足够的力学支撐，有很好的临床应用前景。

【参考文献】

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