骨水泥強化力學結構防治股骨頭壞死塌陷的實驗研究進展

股骨頭壞死好發于中青年人[1-2]，未經有效治療，多數患者將在1～4年內出現股骨頭塌陷[3]。約80%的患者會因股骨頭塌陷而需行全髖關節置換術。約87%的股骨頭從塌陷至需行人工全髖關節置換術的間隔時間為24個月[4]。目前，全髖關節置換對中青年的中長期療效仍難預料[5]，保留股骨頭仍是目前治療的主要方法，理想的保留股骨頭的治療方法應該是既能有效改善股骨頭的血液供應，促進壞死骨的修復，又能改善股骨頭的力學性能，防止股骨頭塌陷[6]。

股骨頭壞死后骨量減少，承載應力后順應性下降使股骨頭的機械強度減弱[7]。軟骨下骨的生物力學強度在股骨頭塌陷時下降較松質骨顯著，與股骨頭塌陷關系密切[8]。Kim[9]對壞死股骨頭軟骨下骨和中部松質骨分別做力學測試，證明負重區軟骨下骨力學性能降低與股骨頭塌陷有直接的關系。隨著軟骨下骨板力學性能的下降，軟骨下骨受到更大的應力并隨著軟骨下骨板的斷裂而塌陷。股骨頭壞死保留股骨頭手術治療的主要目的是防止股骨頭軟骨下骨塌陷既停止或延緩關節變性過程。因此，股骨頭壞死的治療，不僅要加快骨缺損的修復，而且更主要的是恢復股骨頭的力學性能，才能達到較好的治療效果。近年來有作者報道，采用骨水泥強化力學結構防治股骨頭壞死后塌陷，取得了較滿意的療效。

1 實驗研究

1.1骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯，Polymethylmethacrylate， PMMA）填充法 骨水泥單體混合后可通過經皮穿刺注射法，或股骨頭頸交界處鉆孔填充法達到股骨頭強化效果。何志軍等[10]，對20只大白兔40個股骨頭用注射鹽酸及激素制模建立股骨頭壞死模型，攝片觀察15只21個股骨頭出現囊變及塌陷改變，將其隨機分3組，第1組5個股骨頭作病理切片檢查，第2組8個股骨頭做骨水泥經皮注射，第3組8個股骨頭作為對照，將2、3組進行壓力負荷實驗。結果PMMA注射組股骨頭壓力負荷較對照組明顯提高。劉志國等[11]，將60只中國白兔，隨機分為4組，除A組為正常組其余3組在股骨頭頸交界處鉆孔造成股骨頭缺損，并加用95%酒精30min灌注造成股骨頭缺損模型。B組股骨頭作為自然修復對照。c組股骨頭造成缺損酒精填充后填充骨水泥。D組股骨頭造成股骨頭缺損酒精填充后填充造影劑骨水泥。四組動物于術后12w處死，立即取股骨頭標本觀察關節軟骨性狀。然后分別行病理學檢查及生物力學測試。結果顯示骨水泥組和造影劑骨水泥組股骨頭外形始終保持完整無變形，軟骨厚度較自然修復者厚，抗壓強度和剛度均高于自然修復組，骨水泥組剛度最強。

1.2 羥基磷灰石骨水泥（hydroxyapatite methylmethacrylate cement）填充法 通過股骨頭頸交界處鉆孔法清除股骨頭內死骨，將羥基磷灰石顆粒以35%的重量比例與骨水泥調和，待骨水泥至面團期時，再置適量羥基磷灰石顆粒于調制好的骨水泥團表面，填入股骨頭內達到強化效果。Dong Tianhua等[12]，用冷凍法制作狗的股骨頭壞死的動物模型，于術后1個月即修復期分別用帶肌蒂髂骨、游離腓骨、羥基磷灰石骨水泥植入股骨頭來評價不同手術方法的療效。實驗結果表明羥基磷灰石骨水泥植入3個月后股骨頭外形良好，無囊性變，植入物與周圍骨組織緊密結合，界面無松動。熒光顯微鏡觀察可見新生骨能越過界面長入羥基磷灰石的粒隙內，使植入物與受區骨之間形成生物學結合。

1.3 磷酸鈣骨水泥（Calcium phosphate cement ，CPC）復合物填充法 通過經皮穿刺注射法，股骨頭活門法或股骨頭頸交界處鉆孔法，將CPC復合物填充于股骨頭內達到強化作用。侯昌龍等[13-14]，對20頭豬以真絲線段微絨毛行股骨頭供血動脈栓塞，建立ANFH動物模型。對ANFH FicatⅡ期模型行經皮穿刺骨水泥注射治療并與對照組作影像及病理對照研究，結果表明對Ficat Ⅱ期病變可以有效地阻止病變進展，防治其塌陷。康鵬德等[15]，對20只犬單側股骨頭用活門法（Trapdoor）造骨缺損模型并將對側作對照，通過活門在骨缺損區A組植入磷酸鈣骨水泥/rhBMP-2；B組植人多孔磷酸鈣骨水泥；C組缺損區不做處理。回植活門區軟骨瓣與骨關節面平齊。16w后進行組織標本觀察、組織學檢查、生物力學測試。結果：A組，關節面光滑，無活門區軟骨瓣塌陷，活門區軟骨瓣色澤與周圍關節軟骨相近，缺損區磷酸鈣骨水泥幾乎完全吸收由新生骨組織替代，力學強度明顯高于B、C組；結論為多孔磷酸鈣骨水泥/rhBMP-2能明顯加快股骨頭軟骨下骨缺損的修復并有效地恢復股骨頭的力學性能。蘇云等[16]，用24只兔單側股骨頭鉆孔酒精紗布填塞造模，12只用CPC/BMP復合材料填充，另12只用CPC填充，術后3、12w分批處死動物，每組每次處死6只。通過大體觀察、X線攝片、HE染色、透射電鏡等手段觀察新骨形成和材料降解情況。綜合評價CPC/BMP復合材料對ANFH骨缺損的修復能力。結果表明：CPC是BMP的理想載體，CPC/BMP復合材料具有較強的傳導成骨和誘導成骨活性，對實驗性ANFH具有修復作用。在降解速度上CPC/BMP組明顯快于單純CPC組。有作者[17-18]，應用CPC/復方丹參系統植入兔股骨頭壞死模型中，與CPC、自體骨顆粒對比研究，認為CPC-丹參緩釋系統通過中藥的局部緩釋，可促進VEGF等細胞因子的分泌刺激血管內皮的增殖、分化，促進血管的生長和修復，從而改善、重建股骨頭局部微循環，促進骨壞死修復。

1.4 骨水泥填充對關節軟骨面的影響 植入骨水泥的力學特性與松質骨不同，長期應用是否會引起股骨頭部分的應力集中，從而進一步引起關節軟骨的損傷是臨床關心的問題。薛文等用三維有限元方法對CPC和PMMA填充治療成人股骨頭壞死的力學改變進行對比分析。結果：填充CPC初期的股骨頭表面最大塌陷值（0.3162mm）較正常股骨頭減少，但減少幅度小于填充PMMA（0.3126mm）。填充CPC吸收穩定后股骨頭的表面最大塌陷值（0.3264mm）較正常股骨頭增大，但小于壞死股骨頭的改變。結論：植入不同骨水泥后對于股骨頭表面軟骨的影響來講，CPC對于股骨頭形變的影響較PMMA為小，長期對于軟骨的損傷要小。結合其可吸收性及與多種促骨應子復合等諸多優點，在臨床應用中更適合作為填充材料來使用。

2 小結

目前用于實驗研究的材料有：骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯，Polymethylmethacrylate， PMMA），羥基磷灰石骨水泥（hydroxyapatite methylmethacrylate cement），磷酸鈣骨水泥（Calcium phosphate cement ，CPC）復合物。實驗動物有：兔，犬，豬。股骨頭壞死造模方法有：動脈栓塞法，注射鹽酸及激素法，冷凍法，活門法（Trapdoor），鉆孔酒精紗布填塞法。植入物充填方法有：經皮穿刺注射法，活門法，股骨頭頸交界處鉆孔填充法。作為填充治療材料，CPC較PMMA更為合適。PMMA的剛度及強度均較CPC大，植入后不可吸收，能夠保持植入初期的剛度及強度，但由于形變小，可能帶來軟骨損傷。CPC為可吸收材料，植入后經過吸收，其剛度及強度還有一定的下降，但其可以與多種促骨修復因子復合，加強壞死區的骨重建。隨著CPC的吸收，其剛度及強度的下降，產生的形變較正常股骨頭為大，但也明顯小于壞死時的改變情況，提示臨床在改進CPC時應該考慮增大其吸收穩定后的剛度及強度，也就是縮小CPC最初與最終的剛度及強度的差值。

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編輯/王敏