應(yīng)力對大段骨缺損修復(fù)影響的實(shí)驗(yàn)兔模型探討

吳 琳，王祿增，哈斯達(dá)來，袁 月，張勁松

(1.中國醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院修復(fù)科，沈陽 110002;2.中國醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物部，沈陽 110001;3.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016)

應(yīng)力對大段骨缺損修復(fù)影響的實(shí)驗(yàn)兔模型探討

吳 琳1，王祿增2，哈斯達(dá)來1，袁 月1，張勁松3

(1.中國醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院修復(fù)科，沈陽 110002;2.中國醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物部，沈陽 110001;3.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016)

目的 建立用于研究應(yīng)力對大段骨缺損修復(fù)作用的實(shí)驗(yàn)兔動(dòng)物模型。方法 選用20只健康成年大耳白兔，隨機(jī)分成兩組，在右側(cè)肱骨中下段制造13 mm的大段骨缺損后植入泡沫碳化硅人工骨，實(shí)驗(yàn)組選用具有固定和持續(xù)軸向加壓雙重作用的鎳鈦記憶合金接骨器，對照組選用同種材料和規(guī)格的僅有固定作用的接骨器，術(shù)后常規(guī)護(hù)理，待取材觀察。結(jié)果 20只實(shí)驗(yàn)兔中，7只在蘇醒后當(dāng)天，10只術(shù)后1～3 d，3只術(shù)后4～7 d，出現(xiàn)植入體從植入部位脫出游離至皮下現(xiàn)象。結(jié)論 用于研究應(yīng)力對大段骨缺損修復(fù)作用的實(shí)驗(yàn)兔動(dòng)物模型未成功建立，鎳鈦記憶合金接骨器對兔肱骨大段骨缺損處人工骨的固定和持續(xù)加載，在實(shí)驗(yàn)兔肱骨難以實(shí)現(xiàn)。

大段骨缺損;持續(xù)應(yīng)力;泡沫碳化硅;鎳鈦記憶合金接骨器;動(dòng)物模型;兔

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物：選用20只普通級(jí)成年日本大耳白兔，兔齡7～12個(gè)月，體重2.5～3.0 kg，雌雄不限，由中國醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物部提供［SCXK(遼)2009-0003］，每只動(dòng)物獨(dú)籠飼養(yǎng)，自由進(jìn)食，觀察一周后開始用于實(shí)驗(yàn)。

1.1.2 泡沫碳化硅人工骨：孔隙率70%，盲孔率≤1%，孔徑尺寸800～1000 μm，抗壓強(qiáng)度≥30 MPa，彈性模量25 GPa，由中國科學(xué)院金屬研究所提供。按兔肱骨中下段外形制作長度13 mm，近心端直徑6 mm，遠(yuǎn)心端直徑5 mm的人工骨。經(jīng)超聲波清洗3次，高壓蒸汽滅菌(134℃，0.21 MPa)后備用。

1.1.3 鎳鈦記憶合金接骨器：取含鎳50% ～53%的醫(yī)用鎳鈦合金板材料，厚為1 mm，依據(jù)肱骨中下段解剖特征制成由體部、環(huán)形部、尾鉤和軸向加壓鉤組成的鎳鈦記憶合金接骨器(見圖1，封三)，由中國科學(xué)院金屬研究所制作提供。超聲波清洗3次，高溫高壓滅菌(134℃，0.21 MPa)。術(shù)前置于0～4℃冰水中降溫后打開環(huán)形部，并向背側(cè)拉展軸向加壓鉤，形狀恢復(fù)溫度為(33±2)℃。

1.2 方法

1.2.1 術(shù)前準(zhǔn)備：在兔臀肌按0.3 mL/(kg·bw)注射速眠新合劑(中國醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物部安全評價(jià)中心提供)全身麻醉，嬰兒電動(dòng)理發(fā)器(HK-168大連嬌子堂工貿(mào)有限公司)于右側(cè)肱骨周圍內(nèi)外約5 cm備皮，左側(cè)臥位固定，手術(shù)側(cè)(右肢)游離。術(shù)區(qū)1%碘伏消毒，常規(guī)鋪巾。將4萬U慶大霉素加入250 mL 0.9%氯化鈉注射液中，備術(shù)中沖洗和降溫時(shí)使用。

1.2.2 手術(shù)步驟：用2%利多卡因兔局部浸潤麻醉，在肱骨中下段沿兩塊肌肉之間順骨長軸方向切開皮膚，鈍性分離皮下和肌肉組織，直到骨面，剝離骨膜，暴露出手術(shù)骨段，距遠(yuǎn)心端肌腱附著1～2 mm處，用齒科打磨機(jī)(韓國STONG90)以裂鉆鉆穿骨皮質(zhì)，制作縱向1 mm、橫向2 mm的固位孔以容納接骨器尾鉤，再以整個(gè)軸向加壓鉤長度為準(zhǔn)在近心端制作相同的固位孔以容納加壓鉤，換以切割盤于遠(yuǎn)端固位孔近端7～8 mm處慢速切斷肱骨，距斷面13 mm處近端再次全層截?cái)嚯殴?，去除游離骨，植入泡沫碳化硅人工骨，再將預(yù)先展開的接骨器植入，35～40℃生理鹽水沖洗，環(huán)形部形變復(fù)位橫向環(huán)抱骨斷端和人工骨起固定作用，實(shí)驗(yàn)組接骨器軸向加壓鉤形變復(fù)位對人工骨持續(xù)加壓(圖2，封三)，對照組則不加壓，探查固定可靠后慶大霉素沖洗，分層縫合關(guān)閉切口。

1.2.3 術(shù)后護(hù)理：待動(dòng)物蘇醒，送回飼養(yǎng)室。術(shù)后第2天開始青霉素40萬單位，每日兩次，臀肌注射，連續(xù)3 d。除觀察進(jìn)食排便精神等一般健康狀況外重點(diǎn)觀察手術(shù)肢體的功能恢復(fù)情況，如能否正常著地、支撐體重、行走步態(tài)情況。

2 結(jié)果

20只實(shí)驗(yàn)兔術(shù)后均能正常進(jìn)食排便，創(chuàng)口愈合良好，但術(shù)側(cè)肢體不能正常著地，20只實(shí)驗(yàn)兔中，7只在蘇醒后0 d，10只術(shù)后1～3 d，3只術(shù)后4～7 d，出現(xiàn)植入體從植入骨端部位脫出游離至皮下的現(xiàn)象。

3 討論

3.1 實(shí)驗(yàn)骨的選擇

在骨折愈合早期縱向壓應(yīng)力驅(qū)動(dòng)成骨細(xì)胞和成纖維細(xì)胞分化成骨，有利于骨折愈合，而剪切和扭轉(zhuǎn)載荷產(chǎn)生剪切應(yīng)力驅(qū)動(dòng)成纖維細(xì)胞增殖為纖維組織，對愈合不利。因此，在本實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型選擇兔在正常功能狀況下受力與骨長軸一致的長骨，以減少正?；顒?dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力對骨再生重建的不利影響;另外所選擇的實(shí)驗(yàn)骨要有相對規(guī)則的骨外形和一定的大小，規(guī)則的骨外形有利于人工骨的仿真制作，同時(shí)確保接骨器牢固固定兩個(gè)骨斷端和人工骨。結(jié)合上述兩方面兔肱骨便成了實(shí)驗(yàn)骨的最佳選擇，因?yàn)樗峭迷诠δ軤顟B(tài)下受力較接近骨長軸并有較大體積和較規(guī)則外形的中下段長骨。

3.2 大段骨缺損范圍大小的確定

在研究骨缺損修復(fù)材料時(shí)實(shí)驗(yàn)性骨缺損只有大于骨的自行修復(fù)能力的范圍時(shí)，材料的成骨潛力才有意義，這種實(shí)驗(yàn)性骨缺損成為基準(zhǔn)大小缺損，亦稱為臨界骨缺損［2］。目前認(rèn)為臨界骨缺損的標(biāo)準(zhǔn)長度為其直徑的1.5～2.5倍以上或?yàn)殚L骨長度的1/10以上［3］。本實(shí)驗(yàn)所采用的日本成年大耳白兔肱骨總長度約為70～80 mm，臨界骨缺損應(yīng)為7～8 mm，所以我們建立大段骨缺損模型時(shí)選用的實(shí)驗(yàn)性骨缺損必須大于7～8 mm。另外術(shù)后要保證實(shí)驗(yàn)肢體的正常功能，不能過多的損傷骨周肌肉組織的正常附著，故本實(shí)驗(yàn)選用的肱骨段為冠突窩以上到三角肌粗隆以下外形較規(guī)則的肱骨中下段約25～30 mm，此外骨缺損兩側(cè)至少保留6 mm宿主骨以供接骨器固定，因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)定大段骨缺損模型的骨缺損范圍為13 mm。

3.3 鎳鈦記憶合金接骨器

鎳鈦記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)［4］。由于這種特殊性能和良好的生物相容性使鎳鈦記憶合金已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如骨折固定等［5，6］。本實(shí)驗(yàn)的接骨器在體溫驅(qū)動(dòng)下形變復(fù)位后，環(huán)形部起固定作用，而弓形的軸向加壓鉤低溫下向背側(cè)拉展，形變復(fù)位時(shí)尾鉤和加壓鉤的拮抗，使兩骨斷端對人工骨產(chǎn)生持續(xù)壓應(yīng)力。這種接骨器的優(yōu)點(diǎn)：第一、軸向加壓鉤在尾鉤的拮抗下記憶形變對人工骨產(chǎn)生的持續(xù)縱向壓應(yīng)力不因宿主骨的吸收而大幅度削減;第二、由于骨外形的不規(guī)則性使接骨器與宿主骨和人工骨呈點(diǎn)狀接觸，而非緊貼于骨干表面，有利于血供。

3.4 泡沫碳化硅人工骨

泡沫碳化硅是近年來由中國科學(xué)院金屬研究所采用自有專利技術(shù)開發(fā)出的具有松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)的三維多孔材料，屬生物惰性陶瓷的一種，具有良好的生物相容性［7］和理想的三維孔隙(孔隙率≥70%，通透率≥98%，孔徑尺寸在300～1000 μm范圍內(nèi)可調(diào)控)，有利于骨組織的生長。該材料的優(yōu)勢在于①具有良好的力學(xué)性能：抗壓強(qiáng)度可達(dá)80 MPa，使大段骨缺損修復(fù)后對人工骨進(jìn)行原位加載成為可能;②彈性模量20～23 GPa使對人工骨進(jìn)行加載時(shí)應(yīng)力場不因在人工骨內(nèi)的傳導(dǎo)而衰弱，保證應(yīng)力在人工骨內(nèi)近似均勻分布，以便觀察相近應(yīng)力作用下不同部位人工骨內(nèi)的成骨情況;③良好的可加工性，可根據(jù)不同部位骨的形態(tài)進(jìn)行仿真制作。

張春才等［8，9］應(yīng)用鎳鈦合金材料研制成的天鵝型形狀記憶接骨器成功地在新西蘭大白兔的肱骨上建立了骨干骨折內(nèi)固定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。天鵝型形狀記憶接骨器與本實(shí)驗(yàn)的鎳鈦記憶合金接骨器的外形與作用原理相似，但是本實(shí)驗(yàn)結(jié)果20個(gè)植入體一周內(nèi)分別脫出。原因可能有以下2個(gè)方面：①天鵝型形狀記憶接骨器對骨折斷端的固定持續(xù)穩(wěn)定，而本實(shí)驗(yàn)的鎳鈦記憶合金接骨器的環(huán)形部對宿主骨和人工骨的固位不良;②由于兔的多動(dòng)和前肢被毛皮下松軟，不能實(shí)施外固定。

綜上，本實(shí)驗(yàn)條件下的兔肱骨大段骨缺損動(dòng)物模型無法成功建立。通過本實(shí)驗(yàn)我們認(rèn)為由于兔肱骨的持重特點(diǎn)，建立兔肱骨大段骨缺損動(dòng)物模型很難實(shí)現(xiàn)，也不適合用于研究鎳鈦記憶合金接骨器對兔肱骨大段骨缺損處人工骨的持續(xù)加載。

(本文圖1，2見封三)。

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Effect of stress on reconstruction of a large bone defect：establishment of an experimental rabbit model

WU Lin1，WANG Lu-zeng2，HASI Da-lai1，YUAN Yue1，ZHANG Jing-song3
(1.Department of Prosthodontics，School of Stomatology，China Medical University，Shenyang 110002，China;2.Laboratory Animal Center，China Medical University，Shenyang 110001;3.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016)

Objective To establish an experimental rabbit model for studying the effect of the continuous compressive stress on reconstruction of a large bone defect.Methods Twenty adult Japanese rabbits were used and randomly divided into two groups.Artificial bone made of foam silicon carbide was implanted in a large bone defect in length of 13 mm at mid-distal humeral shaft of right side.Ni-Ti shape memory connector with both fixation and continuous compressive stress was used as the experimental group，and that with fixation but without stress was used as the control group.Routine nursing was given to the rabbits after the operation for further observation at proper time points.Results The implants were free from the implanted sites to the subcutaneous space in all the 20 rabbits.It occurred just at the day after regaining consciousness in 7 rabbits，after 1－3 days in 10 rabbits，and at 4－7 days after operation in 3 rabbits.Conclusions In this study we failed to establish the rabbit model for studing the effect of continuous compressive stress on reconstruction of large bone defect.It is impractical to use Ni-Ti shape-memory connector for fixation and continuous compressive stress on the artificial bone at large humeral bone defect.

Large bone defect;Continuous stress;Foam silicon carbide;Ni-Ti shape-memory alloy connector;Animal model，rabbit

Q95-33，R782.2

A

1005-4847(2011)01-0026-03

10.3969/j.issn.1005-4847.2011.01.006

應(yīng)力應(yīng)變對骨生長和重建的影響是當(dāng)前骨科學(xué)和應(yīng)用生物材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，相關(guān)研究主要集中在骨折愈合方面。而探討應(yīng)力對大段骨缺損修復(fù)影響的研究，特別是體內(nèi)的研究，長期以來缺乏突破性進(jìn)展。主要由于現(xiàn)有三維多孔修復(fù)材料(如羥基磷灰石，β-磷酸三鈣)自身力學(xué)性能方面的不足，不能實(shí)現(xiàn)對人工骨在骨缺損區(qū)域的原位加載。近年來，中國科學(xué)院金屬研究所采用自有專利技術(shù)開發(fā)出的泡沫碳化硅(SiC)，以其良好的幾何結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和生物學(xué)的優(yōu)點(diǎn)［1］，為探究應(yīng)力應(yīng)變對大段骨缺損修復(fù)后人工骨內(nèi)骨生長和重建行為的影響規(guī)律提供了可靠的理想的材料學(xué)基礎(chǔ)。為了深入研究應(yīng)力應(yīng)變對人工骨內(nèi)骨生長和重建行為的影響機(jī)制，建立可靠的動(dòng)物模型是前提。同時(shí)也有利于對三維多孔人工骨結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化，為研發(fā)更加符合大段骨缺損臨床修復(fù)要求的人工骨材料提供生物力學(xué)依據(jù)。

國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009AA03Z421);中科院金屬研究所合作項(xiàng)目(新型生物醫(yī)用材料研究)。

吳琳(1969－)，女，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。研究方向：骨缺損修復(fù)材料及生物力學(xué)研究。E-mail：wulin13@163.com

2010-07-21