骨水泥聚合反應與冷卻對骨骼肌熱損傷的關系

曹建飛，張晟，葉海明，王超，熊奡，辛風，張波*

(1.安徽醫科大學北大深圳醫院臨床學院，廣東 深圳 518036；2.北京大學深圳醫院骨關節科，廣東 深圳 518036)

實驗研究

骨水泥聚合反應與冷卻對骨骼肌熱損傷的關系

曹建飛1，2，張晟2，葉海明2，王超2，熊奡2，辛風2，張波2*

(1.安徽醫科大學北大深圳醫院臨床學院，廣東 深圳 518036；2.北京大學深圳醫院骨關節科，廣東 深圳 518036)

目的模擬骨水泥外溢在周圍骨骼肌中的固化放熱過程，研究其聚合放熱對骨骼肌的損傷作用及加予4℃生理鹽水局部灌注冷卻對損傷的影響。方法選取健康清潔級SD大鼠12只，雌雄不限，體重220～250 g，采用左右側對照，分別在左右側臀大肌注入現配骨水泥1 mL，同時右側加予4℃生理鹽水局部灌注冷卻。采用針式溫度計連續測量兩組骨水泥固化過程中骨水泥-肌肉界面的溫度變化情況。分別于術后1 d、4 d、7 d各處死4只，切取與骨水泥接觸部位的肌肉，行常規石蠟切片，HE染色鏡檢。對比兩組局部溫度的變化情況以及肉眼、鏡下觀察骨水泥-肌肉界面的肌肉組織形態學的改變。結果兩組局部最高溫度分別為(61.58±2.75)℃和(44.73±2.03)℃，40℃以上持續時間分別為(227.83±22.21) s和(53.33±15.79) s，均P<0.01，有顯著統計學意義。混勻至最高溫度時間分別為(571.67±7.92) s和(575.00±8.00) s，P>0.05，無統計學意義。組織學上，與骨水泥組相比，骨水泥+4℃水組的局部肌肉組織細胞形態改變較輕，炎性細胞浸潤少，組織修復時間短。結論骨水泥聚合反應可對周圍骨骼肌造成熱損傷，加于4℃水局部冷卻可明顯降低局部最高溫度及縮短40℃以上持續時間，有效減少炎癥反應和縮短修復時間。若能合理地應用于臨床，將對預防術后感染有一定的參考價值。

骨水泥；骨骼肌；熱損傷；冷卻

骨水泥，化學名為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)，自20世紀50年代應用于骨科以來，憑借其自身的特性與優勢，在臨床治療中占有重要的地位。然而，骨水泥在其固化過程中，會發生聚合反應釋放出大量的熱量，而在由液態變為固態的過程中極易發生外溢或滲漏，造成臨近組織的熱損傷。有文獻報道，骨水泥聚合反應放熱可對周圍的骨、軟骨、神經、心血管系統及皮膚等組織造成不同程度的損傷，而對周圍肌肉組織的損傷并未見相關報道[1]。

室溫下測得1 mL骨水泥體外聚合反應最高溫度達73.5 ℃，而Selsby[2]研究報道，當肌肉組織溫度超過40 ℃時，肌肉中的熱休克蛋白即表達升高，有潛在的損傷風險。本文模擬單純骨水泥外溢在周圍骨骼肌的固化放熱過程，研究其聚合放熱對骨骼肌的損傷作用及加予4 ℃生理鹽水局部灌注冷卻對損傷的影響。

1 資料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 實驗動物 健康清潔級SD大鼠12只，雌雄不限，體重220～250 g，由廣東省醫學實驗動物中心提供。實驗期間，室內溫度保持在20～25 ℃，相對濕度保持在50%～70%，每天光照12 h。正常飼養的1周時間內所有大鼠自由進食(普通飼料)和飲水。

1.1.2 主要實驗試劑 氯胺酮、速眠新Ⅱ、palcos R骨水泥、多聚甲醛、慶大霉素、生理鹽水.

1.1.3 主要實驗儀器 鼠臺、針式溫度計、石蠟包埋機、HM315輪轉式石蠟切片機(德國/Microm)、水浴鍋、負壓吸引器。

1.2 動物模型建立及分組 選取健康清潔級SD大鼠12只，雌雄不限，體重220～250 g，手術前1 d下背部脊柱兩側備皮。速眠新Ⅱ與氯胺酮1︰1配比0.4 mL/kg肌肉注射麻醉，取背部正中縱行切口，剪開肌筋膜，沿肌纖維方向鈍性分離左側臀大肌，注入現配骨水泥1 mL共2枚，平行于脊柱，離中線約10 mm，各植入物間隔約10 mm。同法在對側對稱部位注入1 mL骨水泥，并加用4 ℃生理鹽水灌注，同時接負壓吸引器引流。兩組互為對照。連續測量骨水泥-肌肉界面溫度變化，待骨水泥完全固化冷卻，逐層縫合至皮膚。術后切口以安爾碘消毒，以慶大霉素(2萬U/kg)肌注，每天3次。待動物蘇醒，放回籠中繼續飼養。

1.3 取材 分別于術后1 d、4 d、7 d后，各處死4只實驗動物。沿肌纖維方向切取小塊與骨水泥接觸的臀大肌，大小約4 mm×4 mm×6 mm，自然伸直(勿牽拉)，置于多聚甲醛溶液固定24 h，用于石蠟切片。

1.4 切片和HE染色 石蠟切片：HM315輪轉式石蠟切片機切片，厚為2 μm，然后貼于涂有APES載玻片上，60 ℃烘烤30 min后，室溫保存，常規HE染色。

2 結 果

2.1 實驗測得數據 骨水泥組和骨水泥+4 ℃水組局部最高溫度分別為(61.58±2.75) ℃和(44.73±2.03) ℃，40 ℃以上持續時間分別為(227.83±22.21) s和(53.33±15.79) s，均P<0.01，差異有顯著統計學意義。混勻至最高溫度時間分別為(571.67±7.92) s和(575.00±8.00) s，P>0.05，差異無統計學意義。

2.2 兩組大鼠骨水泥接觸界面肌肉的變化

2.2.1 肉眼觀察 骨水泥組：術后1 d局部肌紋理排列稍紊亂，呈暗紅色，可見少量滲出；術后4 d，肌紋理紊亂，界限不清，顏色暗紅，可見明顯滲出；術后7 d，肌紋理模糊，表面可見點狀壞死灶及肉芽組織生長。骨水泥+4 ℃組：術后1 d肌紋理較清晰，淺紅色；術后4 d，肌紋理稍紊亂，界限尚清，暗紅，可見少量滲出；術后7 d，肌紋理可見，稍模糊，與正常組織無明顯差異。

2.2.2 鏡下觀察 正常肌肉組織細胞大小一致，呈多角形相嵌分布，多核，位于周邊，未見炎細胞浸潤、肌纖維壞死及再生等變化(見圖1)。

圖1 正常肌細胞鏡下所見(HE，×100)

圖2 骨水泥組術后1 d局部細胞充血、水腫(HE，×100) 圖3 骨水泥組術后4 d時部分細胞破裂，胞質溢出，染色不均，少量炎性細胞浸潤，以嗜酸性粒細胞為主(HE，×100) 圖4 骨水泥組術后7 d時細胞出現壞死，大量炎性細胞浸潤，以巨噬細胞為主(HE，×100)

圖5 骨水泥+4℃水組術后1 d，局部細胞無明顯充血、輕度水腫(HE，×100) 圖6 骨水泥+4℃水組術后4 d時部分細胞輪廓圓潤，胞質深染不一，未見明顯細胞破裂(HE，×100) 圖7 骨水泥+4℃水組術后7 d時，細胞形態近乎正常，個別細胞出現壞死，未見明顯炎性細胞浸潤(HE，×100)

3 討 論

本文通過在大鼠身上模擬單純骨水泥外溢在骨骼肌中的固化放熱過程，并加于4℃水局部冷卻進行對比，由大體觀察及HE染色鏡檢結果，1 mL骨水泥的聚合放熱可導致骨骼肌細胞的損傷甚至壞死，而4℃水冷卻可顯著降低局部最高溫度，縮短40℃以上持續時間，有效減輕骨骼肌的組織形態學改變。

眾所周知，局部軟組織的損傷情況與感染有著密切的關系。而感染作為關節置換術后常見并發癥之一，在過去的幾年里，雖其發生率已降到1%～2%，但對于外科醫生來說，仍舊是一個嚴峻的挑戰。因為它會增加治療成本，延長治療時間，且難以治愈，功能預后不佳，致死致殘率高[3]。隨著我國人口老齡化的到來，老年性股骨頸骨折、股骨頭壞死的病例越來越多，人工關節手術的發展也十分迅速，尤其髖、膝關節置換手術例數每年倍增，不可避免地涉及到骨水泥的安全問題。骨水泥聚合反應放熱可不同程度地損傷到周圍組織，常導致局部感染、患處的感覺或功能障礙、無菌性骨溶解及假體的早期松動，從而影響手術成功率及遠期療效[4]。因此，有效地減輕或預防局部軟組織的損傷，可一定程度上降低感染的發生率，提高手術療效，從而減少經濟成本及社會成本。

針對如何減輕或預防骨水泥聚合反應的熱損傷，K?rrholm[5]總結前人已有的經驗提出以下方案：a)減少骨水泥用量；b)使用金屬植入物；c)預冷假體植入物、骨水泥或骨；d)通過添加重金屬或熔化結晶單體來增加骨水泥的熱容量；e)減慢骨水泥聚合反應速率；f)通過增加粉液比、添加含水凝膠或粒狀聚合物來降低單體比例。不少專家學者也正在不懈努力的探索可行方案，但尚未系統運用于臨床。

骨水泥單體與粉劑，從開始混合至最終固化，可分為濕砂期、粘絲期、面團期、固化期四個時期。本實驗中，選擇在面團期注入骨水泥，加用低溫生理鹽水灌注，并無改變骨水泥的粉液比。另外，冷水灌注局限于骨水泥表面，降低外部溫度，而有學者研究發現，在改變外部溫度的情況下，并不改變骨水泥的生物力學特性[6]。Belkoff等[7，8]臨床醫生在椎體成形術中，降溫處理骨水泥，也并沒有發現任何不良副作用。Rothstock等[9]在髖關節置換術中，使用水冷卻與兩種不同材質髖臼杯(鈷鉻合金和聚乙烯)進行對照研究，測量髖臼水泥界面的骨水泥固化溫度，發現兩種材質髖臼杯的未冷卻組峰值溫度均達70℃，而鈷鉻合金髖臼杯的冷卻組可降至50℃以下。作者認為水冷卻和(或)使用金屬植入物，可有效降低骨水泥固化溫度，而并未發現對骨水泥性能有明顯影響。

綜上所述，臨床上在使用骨水泥的同時，加于可控溫度的冷水局部灌注冷卻，方法操作簡單，材料容易獲得，減輕炎癥反應及組織損傷明顯，而對骨水泥的性能無明顯影響，若能合理地應用于臨床，將對預防術后感染有一定的參考價值。

[1]Cao JF，Tao K，Zhang B.Research progress on thermal injury induced by bone cement polymerization[J].Int J Orthop，2013，34(6)：415-417.

[2]Selsby JT，Dodd SL.Heat treatment reduces oxidative stress and protects muscle mass during immobilization[J].Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol，2005，289(1)：134-139.

[3]Cherubino P，Puricelli M，D'Angelo F.Revision in cemented and cementless infected hip arthroplasty[J].Open Orthop J，2013(7)：190-196.

[4]Awan O，Chen L，Resnik CS.Imaging evaluation of complications of hip arthroplasty：review of current concepts and imaging findings[J].Can Assoc Radiol J，2013，64(4)：306-313.

[5]K?rrholm J.Radiostereometric analysis of early implant migration-a valuable tool to ensure proper introduction of new implants[J].Acta Orthop，2012，83(6)：551-552.

[6]Parks ML，Walsh HA，Salvati EA，etal.Effect of increasing temperature on the properties of four bone cements[J].Clin Orthop Relat Res，1998(355)：238-248.

[7]Belkoff SM，Molloy S.Temperature measurement during polymerization of polymethylmethacrylate cement used for vertebroplasty[J].Spine，2003，28(14)：1555-1559.

[8]James SL，Connell DA.The effect of temperature reduction on cement working time in percutaneous vertebroplasty[J].Clin Radiol，2006，61(9)：797-799.

[9]Rothstock S，Saadatmand M，Vollmer M，etal.Influence of cooling on curing temperature distribution during cementing of modular cobalt-chromium and monoblock polyethylene acetabular cups[J].Surg Innov，2013，20(6)：607-613.

RelationshipbetweenCoolingandThermalInjuryonSkeletalMuscleInducedbyBoneCementPolymerization

CAO Jian-fei1，2，ZHANG Sheng2，YE Hai-ming2，etal

(1.Anhui Medical University Peking University Shenzhen Hospital Clinical College，Shenzhen 518036，China；2.Peking University Shenzhen Hospital Orthopedics，Shenzhen 518036，China)

ObjectiveTo establish the model of polymethylmethacrylate curing process in surrounding skeletal muscle，to research the thermal injury to muscle cells and evaluate the effect of fluid cooling with 4℃ saline.MethodsThere weere 12 SD rats in each group.Group A were injected with 1 mL bone cement in the left gluteus maximus，while group B were injected with 1 mL bone cement in the right gluteus maximus and continuous irrigation cooling with 4℃ saline at the same time.The temperature at the muscle-cement interface of both groups were recorded with needle thermometer.Each 4 of the Rats in both groups were euthanized at 1，4，7 days following the injury.The muscle at the muscle-cement interface was sectioned，stained with hematoxylin，and submitted to histological analysis.ResultsThe maximum temperature of both groups respectively were (61.58±2.75) ℃ and (44.73±2.03) ℃.The time with temperature above 40 ℃ were (227.83±22.21) s and (53.33±15.79) s(P<0.01).Time from start of mixing to maximum temperature were (571.67±7.92) s and (575±8.00) s(P>0.05).In histology，compared with group A，the muscle tissue of group B had lighter morphological changes，less inflammatory cell infiltration and shorter tissue repair time.ConclusionBone cement polymerization can cause thermal injury to the surrounding skeletal muscle，continuous irrigation cooling with 4 ℃ saline can significantly reduce the the maximum temperature，shorten seconds with temperature above 40 ℃，reduce inflammatory cell infiltration and shorten tissue repair time.It will have value in preventing postoperative infection.

bone cement；skeletal muscle；thermal injury；cooling

1008-5572(2014)06-0524-04

深圳市科技計劃項目(201202012)；*本文通訊作者：張波

R318.08

：A

2014-03-17

曹建飛(1988- )，男，研究生在讀，安徽醫科大學北大深圳醫院臨床學院，518036。