鹿、羊和人腰椎生物學參數的比較及其意義

劉國民，孔 寧，韓宏志，于海濤，張 琪，孫紅輝

（1.吉林大學第二醫院骨科，吉林 長春130041；2.吉林大學藥學院醫用生物材料教研室，吉林 長春130021；3.吉林大學公共衛生學院流行病與衛生統計學教研室，吉林 長春130021；4.吉林大學學報編輯部，吉林 長春130021；5.長春中醫藥大學附屬醫院骨科，吉林 長春130021）

鹿、羊和人腰椎生物學參數的比較及其意義

劉國民1，孔 寧2，韓宏志3，4，于海濤5，張 琪1，孫紅輝1

（1.吉林大學第二醫院骨科，吉林 長春130041；2.吉林大學藥學院醫用生物材料教研室，吉林 長春130021；3.吉林大學公共衛生學院流行病與衛生統計學教研室，吉林 長春130021；4.吉林大學學報編輯部，吉林 長春130021；5.長春中醫藥大學附屬醫院骨科，吉林 長春130021）

目的：比較鹿、羊和人腰椎的生物學參數，探討梅花鹿作為脊椎內固定動物模型的可行性，為相關醫學研究和體內動物實驗提供實驗動物腰椎的形態學參數、骨密度和生物力學數據。方法：選取新鮮鹿、羊腰椎各10套，新鮮東北男性尸體腰椎10套，對3組腰椎椎體和椎弓根進行形態學觀測，對椎體松質骨密度、極限應力和彈性模量進行測量及比較。結果：鹿、羊和人椎弓根高 （右側）比較差異均有統計學意義 （P＜0.01），其中鹿最大，羊次之，人最小。鹿、羊和人椎弓根寬 （右側）比較差異均有統計學意義 （P＜0.01），其中人最大，鹿其次，羊最小。鹿、羊和人椎間盤前高比較差異有統計學意義 （P＜0.01），其中人最大，鹿其次，羊最小。鹿、羊和人腰椎表觀密度、彈性模量及極限應力各組間比較差異均有統計學意義 （P＜0.05），其中羊最大，鹿次之，人最小。結論：梅花鹿腰椎在解剖形態學和生物力學方面較羊更接近人類，更適合用于建立脊椎內固定動物模型。

腰椎；動物模型；人；鹿；羊；形態學參數

脊椎外科內固定器等手術器械的研發，推動了脊柱外科的進步和手術方法的改進，而各種內固定器和手術方法在應用于臨床之前，必須有賴于動物實驗證明其可行性，因此動物模型的建立和使用已成為脊柱外科的重要研究手段。動物模型應與人類的脊柱具有良好的相似性和可比性，而用于脊柱的體內、外內固定實驗的動物模型比較少。目前已被建立并廣泛應用于脊柱研究的動物模型包括小牛、羊等［1－2］。但近年來由于牛海綿體病和甲型 H1N1流感的流行，使牛、羊動物模型始終存在感染人類的潛在危險，從而制約和限制了其在醫學領域中的應用。鹿未見有人畜共患性疾病的報道，且鹿與人類在形體和體質量方面具有良好的相似性，但該方面的研究報道較少。本實驗觀測鹿、羊和人腰椎生物學參數，并進行對比分析，旨在為鹿、羊作為人類脊柱動物模型提供解剖學數據。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取年齡在1.5～2.0年的成年雌性梅花鹿10只，體質量80～100kg，由長春雙陽鹿場提供；年齡1.5～2.0年的成年雄性綿羊10只，體質量70～90kg，由長春皓月綿羊養殖中心提供。鹿和羊均靜脈注射戊巴比妥那過量致死。選擇捐獻的新鮮男性尸體10具，年齡23～35歲，體質量64～91kg。常規操作分離腰椎，用生理鹽水紗布包裹后置于－20℃冰箱冷藏保存。實驗前將標本于室溫下自然解凍，剔除標本周圍的軟組織，保留其韌帶和椎間盤，人的腰椎是5節，因此選取羊、鹿的腰椎L1～L5節段。采集及處理過程嚴格遵守2002年 《實驗動物哺乳類實驗動物的遺傳質量控制》［3］的相關規定。所選椎骨均經CT掃描排除腰椎存在肉眼可見的病理性改變，并確定椎體骨骺已閉合 （圖1，見插頁二）。

1.2 鹿、羊和人椎弓根線性測量 測量鹿、羊椎弓根高、椎弓根寬和椎間盤前高。脊椎是對稱性的，所以本實驗僅觀測標本右側椎弓根高和寬（圖2）。人的腰椎形態學數據來自于中國成人男性腰椎［4］。

圖2 鹿、羊和人腰椎椎弓根的三維重建Fig.2 Three－dimensional reconstruction of the lumbar pedicles of deer，sheep and humanA：Deer；B：Sheep；C：Human.

1.3 極限載荷和彈性模量學實驗 選取鹿、羊和人腰椎各10具，去除椎體周圍的組織和結構。腰椎各椎體平均分成左右兩部分，保留上下終板，銑磨成長×寬為12mm×12mm的規則試件，用骨水泥填補使各組試件的上下面水平。在試件前面中上1／3處貼上電阻應變片 ［德國都利公司，標距1mm×1mm （膠基泊式），阻值120Ω，靈敏度（K）2.12］，保證各試件的縱向電阻應變片位于同一水平面上，將應變片導線連于電阻應變儀上 （上海華東電子儀器廠，YJ－26型靜態電阻應變儀），采用萬能材料實驗機 （日本島津AG－107A自動控制電子萬能試驗機）以0、50和100牛頓級別生理載荷分級加載，在電阻應變儀上直接讀取各試件相應載荷下的應變位移，算出彈性模量，然后去除應變片，進行極限載荷試驗。

1.4 鹿、羊和人腰椎表觀密度的測量 隨機選取鹿、羊腰椎各10具，去除椎體周圍的組織和結構。人腰椎椎體選用生物力學實驗余下的椎體部分。實驗樣本冰凍狀態下數控銑床銑磨，動物與人椎體均制成長×寬×高為7mm×7mm×20mm規則試件，試件體積為Va。清水反復沖洗6h后，于20 000U·mL－1的肝素溶液中浸泡12h，其中每6h換1次溶液，再用生理鹽水刷洗6h，完全去除髓腔內的血液及組織碎屑。用無水分析酒精對試件脫脂48h，24h更換酒精1次。脫脂試件在空氣中干燥24h后用電子分析天平 （精度0.000 1g）稱其質量 （W），表觀密度＝W／Va。

1.5 統計學分析 采用SPSS 10.0統計軟件包進行統計學分析。鹿、羊和人椎弓根及椎間盤的形態學參數、骨密度和生物力學數據以±s表示。多組間均數比較采用單因素方差分析，組間比較采用q檢驗。

2 結 果

2.1 鹿、羊和人椎體線性測量結果 鹿、羊與人椎弓根高比較差異均有統計學意義 （P＜0.01），其中鹿最大，羊其次，人最小。鹿、羊與人椎弓根寬 （右側）比較差異均有統計學意義 （P＜0.01），其中人最大，鹿其次，羊最小。鹿、羊與人椎間盤前高比較差異有統計學意義 （P＜0.01），其中人最大，鹿其次，羊最小。見表1～3。

表1 鹿、羊和人椎弓根高度比較Tab.1 Comparison of pedicle heights between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

表1 鹿、羊和人椎弓根高度比較Tab.1 Comparison of pedicle heights between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.01compared with sheep；“－”：No data.

Group Right pedicle height L1 L2 L3 L4 L5 L6±2.80 35.04±2.68 30.71±3.07 Sheep 23.55±2.78＊ 24.75±2.11＊ 25.42±2.51＊ 25.51±2.72 25.58±2.77＊ 22.15±2.74 Human 16.06±0.66＊△ 16.63±0.70＊△ 15.82±0.85＊△ 15.20±0.99＊△ 14.90±0.97＊△Deer 32.18±2.06 34.24±2.39 34.80±2.00 34.86－

表2 鹿、羊和人椎弓根寬度比較Tab.2 Comparison of pedicle widths between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

表2 鹿、羊和人椎弓根寬度比較Tab.2 Comparison of pedicle widths between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.01compared with sheep；“－”：No data.

Group Right pedicle width L1 L2 L3 L4 L5 L6 17 10.89±0.83 11.14±1.20 Sheep 6.34±0.73＊ 6.45±0.82＊ 6.70±0.74＊ 6.87±0.60＊ 7.65±0.78＊ 8.77±0.90 Human 9.51±0.76＊△ 10.89±0.75＊△ 13.50±0.81＊△ 15.46±0.76＊△ 19.53±0.82＊△Deer 7.53±0.94 8.29±0.61 9.18±1.11 10.28±1.－

表3 鹿、羊和人椎間盤前部高度比較Tab.3 Comparison of anterior disc heights between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

表3 鹿、羊和人椎間盤前部高度比較Tab.3 Comparison of anterior disc heights between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.01compared with sheep；“－”：No data.

Group Anterior disc height L1－L2 L2－L3 L3－L4 L4－L5 L5－L 6 4 7.12±1.44 Sheep 4.40±0.32＊ 4.33±0.28＊ 4.54±0.36＊ 4.41±0.31＊ 4.44±0.38 Human 11.40±2.00＊△ 13.30±2.00＊△ 13.50±1.70＊△Deer 6.85±1.09 7.31±1.06 7.08±1.31 7.32±1.1 14.30±2.00 －

2.2 鹿、羊和人腰椎表觀密度、彈性模量及極限應力 鹿、羊和人腰椎表觀密度、彈性模量及極限應力各組間比較差異均有統計學意義 （P＜0.05或P＜0.01），其中羊最大，鹿次之，人最小。見表4～6。

表4 鹿、羊和人的表觀密度比較Tab.4 Comparison of apparent densities between deer，sheep and human ［n＝10，±s，ρB／（g·cm－3）］

表4 鹿、羊和人的表觀密度比較Tab.4 Comparison of apparent densities between deer，sheep and human ［n＝10，±s，ρB／（g·cm－3）］

＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.01compared with sheep；“－”：No data.

Group Apparent densit y L1 L2 L3 L4 L5 L6 4 0.37±0.04 0.38±0.04 Sheep 0.49±0.08＊ 0.48±0.03＊ 0.48±0.05＊ 0.50±0.05 0.53±0.07＊ 0.45±0.07 Human 0.30±0.05＊△ 0.28±0.04＊△ 0.27±0.06＊△ 0.50±0.05 0.28±0.04＊△Deer 0.36±0.02 0.36±0.05 0.39±0.02 0.38±0.0－

表5 鹿、羊和人彈性模量比較Tab.5 Comparison of elastic modulus between deer，sheep and human （n＝10，±s，P／MPa）

表5 鹿、羊和人彈性模量比較Tab.5 Comparison of elastic modulus between deer，sheep and human （n＝10，±s，P／MPa）

＊P＜0.05，＊＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.05compared with sheep；“－”：No data.

Group Elastic modulus L1 L2 L3 L4 L5 L6 7.76 Sheep 1 531.14±198.39＊＊1 527.35±615.57＊＊1 507.58±714.83＊＊1 576.53±554.25＊＊1 486.95±608.54＊＊1 583.89±549.91 Human 377.08±144.54△ 326.66±113.05＊＊△ 380.68±201.78＊△ 387.17±170.49＊＊△ 444.42±201.58△Deer 753.89±171.16 708.95±223.32 733.42±176.56 782.19±307.62 712.23±277.03 761.32±27－

表6 鹿、羊和人極限強度比較Tab.6 Comparision of ultimate stress of deer，sheep and human （n＝10，±s，P／MPa）

表6 鹿、羊和人極限強度比較Tab.6 Comparision of ultimate stress of deer，sheep and human （n＝10，±s，P／MPa）

＊P＜0.05，＊＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.01compared with sheep；“－”：No data.

Group Ultimate stress L1 L2 L3 L4 L5 L6±2.64 16.05±2.03 16.87±3.16 Sheep 22.36±4.39＊＊ 21.47±3.76＊＊ 22.28±6.01＊ 23.91±5.17＊＊ 21.52±12.16＊ 22.05±5.25 Human 4.44±0.82＊＊△ 4.31±0.74＊＊△ 4.61±0.78＊＊△ 4.52±0.60＊＊△ 4.80±0.52＊＊△Deer 17.03±3.06 15.70±4.24 18.47±3.31 16.37－

3 討 論

人腰椎椎弓根寬由L1至L5逐漸增寬，這種變換趨勢與腰椎橫徑的變化趨勢相似，可以增加椎弓根的穩定性，加固了脊柱前柱和后柱的機械連接。椎弓根高由L1至L5呈明顯的下降趨勢。鹿、羊腰椎椎弓根寬由L1至L6逐漸增大，與人腰椎具有相似的變化趨勢，鹿椎弓根的寬度較羊更接近于人。鹿、羊腰椎椎弓根高由L1至L5存在逐漸增大趨勢，與人椎弓根高的變化趨勢相反，鹿椎弓根的高度較羊與人存在較大的差異。脊柱椎弓根螺釘內固定手術中，椎弓根的寬度對螺釘在椎骨內生物力學穩定性起決定性作用。各種椎弓根螺釘動物模型的建立，椎弓根的寬是重要考慮的因素。因此鹿適合于椎弓根螺釘內固定的實驗動物，雖然鹿椎弓根的高與人有較大的差異，但椎弓根高在螺釘的固定過程中不起主要的作用。

人的椎間盤前高從頭側到尾側逐漸增大，鹿、羊的椎間盤前高沒有明顯的變化趨勢，鹿更接近于人。這與Kunar等［5］的測量結果較為一致。近些年國內外許多科研機構相繼研發出不同類型的人工間盤和椎間融合器，而這些內植物應用于臨床前必須有動物實驗證明其可行性。鹿椎間盤較羊更接近于人，因此更適合該類內植物動物模型的建立。

椎骨松質骨的各項生物力學指標對脊椎內固定物的穩定性有很大影響［6－8］。螺釘植入后，很大程度影響了其軸向拔出力。松質骨主要是由礦物質（羥磷灰石結晶和磷酸鈣）和Ⅰ型膠原構成，松質骨中骨的含量通常以某種礦物質當量表示。與骨含量類似的另外一個描述指標是孔隙率，松質骨的孔隙率對其力學特性的影響類似于其他的多孔工程材料。表觀密度是描述以上2項指標的一個綜合指標，是松質骨的一項重要的與力學性能關系密切的指標。許多研究［9－10］顯示：表觀密度與彈性模量、極限強度之間呈非線性正相關關系。

人、鹿和羊組內比較，彈性模量和極限載荷從頭側向尾側各椎體間未見明顯差異。人、鹿和羊腰椎組間比較，鹿的表觀密度與人的相近，而羊的表觀密度近似人的2倍。鹿的彈性模量近似人的2倍，羊是人的4倍。鹿的極限載荷近似人的4倍，羊近似人的5倍，說明鹿較羊其生物力學性質和密度參數更接近于人。因此，以鹿作為脊椎內植物動物模型，對內植物在椎骨內的力學分析研究具有十分重要的意義。

我國盛產梅花鹿和綿羊，梅花鹿已被廣泛圈養，而且價格較綿羊低，抗病能力強。本研究通過對人、鹿和羊腰椎的解剖形態學參數、骨密度和生物力學參數的對比發現：鹿腰椎的各項參數較羊更接近人類，更適合于建立脊椎內固定動物模型。

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Comparisons of biological parameters among deer，sheep and human lumbar and their significances

LIU Guo－min1，KONG Ning2，HAN Hong－zhi3，4，YU Hai－tao5，ZHANG Qi1，SUN Hong－hui1
（1.Department of Orthopedics，Second Hospital，Jilin University，Changchun 130041，China；2.Department of Medical Biomaterials，School of Pharmacy，Jilin University，Changchun 130021，China；3.Department of Epidemiology and Health Statistics，School of Public Health，Jilin University，Changchun 130021，China；4.Editorial Board of Journal of Jilin University，Changchun 130021，China；5.Department of Orthopedics，Affiliated Hospical，Changchun University of Chinese Medicine，Changchun 130021，China）

ObjectiveTo study the feasibility of vertebral internal fixation using deer as animal models by comparing the biological parameters of deer，sheep and human lumbar and to provide the morphological parameters，the bone density，and the biomechanical data of laboratory animals for related medical research.Methods10sets of fresh sika deer lumbar，10sets of fresh sheep lumbar，and 10sets of fresh lumbar of male cadavers were selected as the materials.The morphological observation of the lumbar vertebral bodies and pedicles of three groups were taken，and the cancellous bone density，ultimate stress and elastic modulus were measured and compared.ResultsThere were significant differences of heights of right vertebral pedicles between three groups （P＜0.01）；the deer had the largest one，the sheep followed，and the human had the smallest one.There were remarkable differences of the widths of right vertebral pedicles and anterior disc heights between three groups （P＜0.05）；the human had the largest one，the deer followed，and the sheep had the smallest one.There were significant differeces of apparent density，elastic modulus and ultimate stress between three groups（P＜0.05）；the sheep had the largest one，the deer followed，and the human had the smallest one.ConclusionDeer lumbar is more similar as that of human according to anatomic form and biomechanics compared with the sheep lumbar.Therefore，deer is a more suitable to set up animal model for vertebral internal fixation research.

lumbar；animal model；human；deer；sheep；biological parameter

R322.3

A

1671－587Ⅹ（2012）06－1096－05

2012－04－29

吉林省科技廳國際合作項目資助課題 （20100417）

劉國民 （1979－），男，吉林省長春市人，主治醫師，醫學博士，主要從事骨微形態學方面的研究。

孫紅輝 （Tel：0431－88796174，E－mail：liuyedao123＠163.com）