關節軟骨下骨缺損植入不同填充物對關節軟骨早期組織形態的影響

梁青福，王翀，蔣昆利，秦旭棟，王俊江，田征*(1．新疆醫科大學，新疆烏魯木齊　830054;．新疆醫科大學第一附屬醫院骨科中心，新疆烏魯木齊　830054)

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關節軟骨下骨缺損植入不同填充物對關節軟骨早期組織形態的影響

梁青福1，2，王翀2，蔣昆利2，秦旭棟2，王俊江2，田征1，2*
(1．新疆醫科大學，新疆烏魯木齊830054;2．新疆醫科大學第一附屬醫院骨科中心，新疆烏魯木齊830054)

摘要:目的研究關節軟骨下骨缺損行骨移植或骨水泥修復后，關節軟骨的早期組織形態學改變。方法32只新西蘭大白兔，隨機分為A、B、C、D四組，在脛骨內側髁距脛骨平臺關節面5 mm處，模擬臨床膝關節周圍良性骨腫瘤局部病灶刮除術，建立關節軟骨下骨缺損動物模型，分別填充不同材料修復骨缺損(A組自體髂骨、B組骨水泥、C組骨水泥聯合自體髂骨、D組空白對照)。術后4周取造模側脛骨平臺關節軟骨行大體觀察、HE染色組織學觀察，觀察關節軟骨的早期形態學改變。同時將各組組織學觀察結果行軟骨退變的病理學Mankin評分，并行統計學分析。結果大體觀察:A組與正常關節軟骨接近，關節軟骨表面光滑平整，淺藍白色，無裂紋、糜爛及潰瘍形成;B組表面粗糙，蒼白或灰黃色，滑膜增生，部分有骨贅及軟骨塌陷形成;C組表面光滑，發黃，滑膜增生;D組關節軟骨表面光滑，顏色較A組稍深，基本與A組相似。組織學HE染色觀察:A組6例正常，2例表現為早期退變，Mankin評分為(0．875± 1．642)分;B組7例表現為中期退變，1例表現為早期退變，Mankin評分(6．875±0．991)分;C組6例表現為早期退變，2例正常，Mankin評分為(3．250±2．053)分;D組5例表現正常，3例表現為早期退變，Mankin評分為(1．500± 2．138)分。A組與D組間及A組與C組間差異無統計學意義(P＞0．05)，B組與A組間及B組與C組間差異有統計學意義(P＜0．01)。結論在關節軟骨下骨缺損程度相同的情況下，自體骨對早期關節軟骨的影響最小，骨水泥加重關節軟骨的損傷，骨水泥與關節軟骨間填充部分自體骨可減輕或延緩骨水泥對關節軟骨的損傷。

關鍵詞:關節軟骨;軟骨下骨;骨缺損;骨移植;骨水泥

四肢良性骨腫瘤，尤其骨巨細胞瘤，以膝關節周圍長骨的骨端或干骺端最為常見，且軟骨下骨常有不同程度的受累和破壞。目前，臨床上針對良性骨腫瘤手術治療方式主要包括病灶切除術和病灶刮除術［1-2］。病灶切除術切除腫瘤較徹底、局部復發率低，但存在手術創傷較大、術后骨不連發生率高等缺點［3］。相對病灶切除術而言，病灶刮除術雖然復發率較高，但具有降低術后并發癥、保留相鄰關節功能等優點［4-5］。同時為降低腫瘤局部復發的發生率，將腫瘤病灶刮除至正常骨質后，再用磨鉆沿瘤腔各方向擴充1～2 cm［6-7］，導致在行關節周圍腫瘤病灶刮除術時常伴隨部分軟骨下骨缺損。臨床上針對病灶刮除后的骨缺損常通過骨移植或骨水泥進行修復。本實驗擬以膝關節周圍良性骨腫瘤為例，通過動物實驗建立膝關節周圍良性骨腫瘤行病灶刮除后關節軟骨下骨缺損的動物模型，應用自體髂骨、骨水泥、骨水泥聯合自體髂骨修復骨缺損，術后4周取造模側脛骨平臺關節軟骨進行大體觀察、HE染色組織學觀察，觀察關節軟骨的早期組織形態學改變。從而為臨床上關節周圍的良性骨腫瘤行病灶刮除術后早期預防關節軟骨的損傷、保留鄰近關節功能、植入物的選取等，提供理論依據和新的有效方法。

1資料與方法

1．1實驗動物及材料本研究通過新疆醫科大學第一附屬醫院倫理委員會審核(倫理審批號:IACUC20150423-04)，32只新西蘭大白兔由新疆維吾爾自治區實驗動物研究中心提供(許可證號:SCXK(新)2011-0001)，體重2．5～3．0 kg，雌雄不限。實驗在新疆醫科大學動物實驗中心完成。實驗動物隨機分為4組，每組8只。復合飼料喂養(飼料由新疆醫科大學第一附屬醫院動物實驗中心提供)，飼養溫度20～25℃，濕度65%。組織病理切片染色由新疆醫科大學第一附屬醫院病理科完成，丙烯酸樹脂骨水泥由天津市合成材料工業研究所有限公司提供。

1．2實驗方法戊巴比妥鈉(30～50 mg/kg)麻醉后，手術區域備皮、消毒、鋪無菌單，右后肢脛骨內側髁距脛骨平臺關節面約5mm處用裝有克氏針的電鉆開一0．5 cm×1．0 cm的骨窗，然后可用刮勺刮除及磨鉆打磨直到軟骨下骨表面光滑亮潔肉眼看不見骨凹陷為止。填充不同的材料修復骨缺損，其中新鮮自體髂骨組標記為A組，骨水泥組標記為B組，關節軟骨與骨水泥間鋪部分自體髂骨組標記為C組，D組不植入任何材料，作為空白對照組。充填確實后，縫合切口，石膏外固定膝關節保持屈曲60°位4周。術后常規給予青霉素80萬單位/只，1 d 2次肌肉注射，連用3 d，預防感染。各組動物均于術后4周處死，取造模側脛骨關節軟骨進行大體觀察，HE染色組織學觀察。

1．3觀察指標

1．3．1大體觀察關節軟骨表面是否光滑，關節面色澤，關節軟骨面有無塌陷、潰瘍及骨贅形成等。

1．3．2 HE組織學觀察造模側脛骨平臺處關節軟骨行常規固定，脫鈣，石蠟包埋，切片，HE染色，在光學顯微鏡下觀察。依據骨關節炎組織病理學分級評分Mankin法中的結構、細胞、異染性及潮線的完整性進行關節軟骨的病理評分［8］。其中1～5分為早期，6～9分為中期，10～14分為晚期。

1．4統計學處理病理學Mankin評分采用SPSS19．0統計分析，統計描述用(±s)表示。若各組數據服從正態分布以及方差齊性等特點，采用完全隨機設計資料的方差分析;若各組數據不服從正態分布以及方差齊性等特點，采用Mann-Whitney U秩和檢驗。以P＜0．05為差異具有統計學意義。

2結　　果

2．1大體觀察a)A組與正常關節軟骨接近，關節軟骨表面光滑平整，淺藍白色，無裂紋、糜爛及潰瘍形成;B組關節軟骨表面粗糙，蒼白或灰黃色，滑膜增生，部分有骨贅及軟骨塌陷;C組關節軟骨表面光滑，發黃，滑膜增生，無骨贅及軟骨塌陷;D組關節軟骨表面光滑，顏色較A組稍深，基本與A組相似。

2．2 HE染色組織學觀察A組表層光滑、平整，軟骨細胞分布均勻，序列整齊，層次清楚，部分有軟骨細胞減少，潮線完整，基質染色正常，Mankin評分為(0．875±1．642)分(見圖1);B組軟骨表層不平整，偶見淺層裂隙，可見軟骨表層纖維化，簇集的軟骨細胞增加，基質染色中度減少，潮線不規則，Mankin評分為(6．875±0．991)分(見圖2);C組軟骨表層清楚，軟骨細胞減少，偶見軟骨表層纖維化，基質染色輕度減少，潮線正常，Mankin評分為(3．250±2．053)分(見圖3); D組表層光滑、平整，軟骨細胞分布均勻，序列整齊，層次清楚，細胞數量稍減少，偶有簇集軟骨細胞，潮線完整，基質染色部分輕度減少，Mankin評分為(1．500±2．138)分(見圖4)。由于本文A、B、C、D四組數據明顯不服從正態分布以及方差齊性等特點，故使用Mann-Whitney U秩和檢驗的方法來檢驗各組之間的得分是否存在顯著性差異。自體骨組與空白對照組間Mankin評分差異無統計學意義，骨水泥與骨水泥聯合自體骨間及骨水泥與空白對照組間Mankin評分差異有統計學意義。

圖1　自體骨術后4周HE染色(HE，×20)

圖2　骨水泥術后4周HE染色(HE，×20)

圖3　骨水泥聯合自體骨術術后4周HE染色(HE，×20)

圖4　空白對照組術后4周HE染色(HE，×20)

Kolmogorov-Smirnov正態性檢驗，A組:檢驗統計量為0．453，P=0．000;B組:檢驗統計量0．300，P=0．032;C組:檢驗統計量0．393，P=0．001;D組:檢驗統計量0．384，P= 0．001;在5%的顯著性水平下，A、B、C、D四組數據的分布形態均不服從正態性假定。

方差同質性檢驗，Levene統計:2．883;df1:3;df2:28;顯著性:0．053。Levene方差同質性檢驗統計量為2．883，顯著性P值為0．053。故在5%的顯著性水平下認為A、B、C、D四組數據的方差是相等的。

術后4周各組病理學Mankin評分比較，A組為(0．875 ±1．642)分，B組(6．875±0．991)分，C組(3．250±2．053)分，D組(1．500±2．138)分。A組與B組比較，Z=－3．480，P1=0．000;A組與C組比較，Z=－2．284，P2=0．038;A組與D組比較，Z=－0．640，P3=0．645;B組與C組相比較，Z=－3．320，P4=0．000;故在5%的顯著水平下，與自體骨組比較，P2＞0．05，P3＞0．05;與骨水泥組比較，P1＜0．01，P4＜0．01。

3討　　論

軟骨下骨對關節軟骨起著支撐的作用，其完整性與否決定著關節面的平滑及關節功能。若軟骨下骨破壞嚴重，關節面會失去軟骨下骨的支撐而發生關節面塌陷、骨折、關節退變等［9］。故鄰近關節的良性骨腫瘤在行病灶刮除術時，若刮除大量軟骨下骨，將會明顯增加關節軟骨退變發生率。大量研究認為，關節軟骨退變的發生與軟骨下骨缺損的面積大小、厚度、術后固定時間等有關。Chen等［10］研究發現，若軟骨下骨破壞面積與整個軟骨下骨面積的比值超過40%，則術后關節軟骨退變的發生率將明顯增加。Flanigan等［11］進一步研究結果表明，當股骨遠端軟骨下骨缺損面積小于0．97 cm2時不會發生關節軟骨面塌陷，若單純位于外側髁的軟骨下骨缺損面積大于1．61 cm2及單純位于內側髁的軟骨下骨的缺損面積大于1．99 cm2，將造成股骨內側或外側髁關節軟骨面的塌陷。李建軍等［12］研究兔膝關節軟骨下自體骨移植后不同固定時間對軟骨的影響，結果表明術后固定4周關節軟骨退變的發生率較固定2周及8周明顯降低。王振宇等［13］從分子生物學方面進一步證明關節軟骨的退變與術后固定的時間有關。本研究中各組均有一定比例的動物發生關節軟骨退變，進一步證實了軟骨下骨缺損對關節軟骨的影響，至于各組退變程度及退變發生率的不同可能與填充物的不同、術后動物的活動度不同等有關。同時，本研究中術后自體骨組與空白對照組關節軟骨退變的發生率較低(25%)，可能與術后石膏外固定限制關節活動有關，至于骨水泥(100%)及骨水泥聯合自體骨組(75%)的發生率較高，可能與骨水泥的作用有關。

目前，臨床上修復關節周圍良性骨腫瘤病灶刮除后軟骨下骨缺損的方式主要包括骨移植或骨水泥，但不同修復材料對關節軟骨的影響有所相同。既往研究認為骨水泥具有聚合產熱殺滅殘留腫瘤細胞、降低術后局部復發率和并發癥等作用［14-15］。但近年來大量臨床報道認為骨水泥在治療鄰近關節良性骨腫瘤的同時會損傷關節軟骨［16-17］，關節軟骨損傷的主要原因可能是骨水泥凝聚時產生高溫灼傷及力學負荷的異常等。Radev等［18］進一步對骨水泥對關節軟骨的潛在熱損傷進行了有限元分析，結果表明骨水泥與軟骨間保留的軟骨下骨厚度超過2mm或超過3mm的松質骨隔離即能避免熱損傷。同時有相關學者［7，18-19］研究發現，在關節軟骨和骨水泥間植入一層厚1～2 cm的自體顆?？梢詼p少軟骨退變的發生率。Cao等［7］通過對膝關節周圍骨巨細胞瘤刮除后填充骨水泥對關節軟骨影響的臨床研究，結果表明膝關節周圍骨巨細胞瘤刮除后填充骨水泥會增加關節軟骨的損傷，聯合軟骨下植骨可以延緩或減少該損傷。Xu等［20］研究膝關節周圍骨巨細胞瘤軟骨下骨移植物對關節的影響，發現單純骨水泥組繼發關節軟骨退變的發生率是56．5%，而單純自體骨組下降至29．4%。本實驗中骨水泥組關節軟骨退變的發生率為100%，自體骨聯合骨水泥組的發生率為75%，單純自體骨的發生率為25%，與前期的臨床結論一致。然而有少部分學者認為填充骨水泥后不會引起關節軟骨退變［20-22］，認為可能的原因是:a)骨水泥可保持軟骨平臺的穩定，保持關節面受力的平衡;b)關節軟骨的營養主要是由滑膜供應，只要滑膜保持完整，軟骨的營養保持正常，軟骨不會發生退變;c)組織的血液供應狀態對高溫的擴散起重要作用，組織加熱后，局部血管擴張，血流加速而散熱，很快降低了組織溫度，從而降低了高溫對關節軟骨的灼傷。但以上觀點大多是臨床報道，缺乏相應的實驗依據支持。通過本實驗結果我們發現在軟骨下骨缺損程度相同的情況下，填充骨水泥早期可加重關節軟骨的損傷，加重關節軟骨的退變，但是若在關節軟骨與骨水泥之間填充部分自體骨會減輕或延緩骨水泥對關節軟骨的損傷。同時我們認為軟骨下填充部分自體骨可減輕骨水泥對關節軟骨損傷的原因可能是:a)軟骨下填充部分松質骨，起到一定的隔離作用，避免骨水泥與軟骨的直接接觸，從而減少高溫對軟骨的灼傷;b)骨水泥為不可吸收物質，無誘導成骨能力，不能與周圍組織相融合，同時因其本身的剛性強度，勢必削弱關節對應力的吸收，導致行走過程中損傷關節軟骨，但是在關節軟骨與骨水泥之間填充部分自體骨，可以起到與周圍組織相融合的作用，從而避免關節應力的異常，降低關節軟骨損傷的發生率。

總之，關節軟骨下骨缺損對關節軟骨的影響是多種因素綜合作用的結果。通過本研究我們可以發現自體骨是修復關節軟骨下骨缺損最理想的材料，但在行自體骨移植修復關節軟骨下骨缺損時存在增加手術創傷，取骨部位的后遺癥如感染和疼痛及自體骨的取量有限等缺點［23］。雖然本實驗結果空白對照組與自體骨早期結果相似，但患者若行單純膝關節周圍病灶刮除時，一方面可能會增加術后骨折的發生率，另一方面需患者長期臥床，增加下肢深靜脈血栓的發生率。考慮到膝關節周圍良性骨腫瘤多發生于青壯年，該群體活動量大，對術后關節功能要求較高，并且關節軟骨一旦發生退變將很難修復，勢必會造成患者的遠期功能明顯降低，所以在行病灶刮除后選擇何種材料修復關節軟骨下骨缺損，對降低關節軟骨早期退變的發生率至關重要。綜合我們的實驗結果，我們建議在骨水泥與關節軟骨之間可填充部分自體松質骨，一方面可減少自體骨的用量，降低術后早期關節軟骨退變的發生率，同時利用骨水泥發熱殺滅殘余腫瘤細胞，起到減少腫瘤術后復發的作用;另一方面，可保持關節一定的強度和支撐力，有利于早期關節負重活動和進行康復鍛煉。

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The Early Tissue M orphological Study on Articular Cartilage Follow ing the Repair of Subchondral Bone Defects

Liang Qingfu1，2，Wang Chong2，Jiang Kunli2，et al
(1．Xinjiang Medical University，Urumqi830054，China;2．Department of Orthopedics Center，The First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University，Urumqi830054，China)

Abstract:Objective To study the early tissuemorphologic changes of articular cartilage with bone grafting or bone cement filling subchondral bone defects．M ethods 32 New Zealand white rabbits were randomly divided into A，B，C and D groups．In themedial tibial condyle of the tibial plateau 5mm below articular surface，simulated the local lesions of the benign bone tumor around the joints in the New Zealand white rabbits，we built an animalmodel of articular cartilage defect，and then filled with differentmaterials(A group of autologous iliac bone，B group ofbone cement，C group ofbone cement combined with autologous iliac bone，D group blank control)．The articular cartilage above the fillers was harvested 4 weeks postoperatively．Gross observation，histological examination．At the same time，the pathological the pathological changes of the cartilage degeneration were observed in all groups by Mankin score，and the results were statisticaly analyzed．Results Gross observation:The A group was close to the normal articular cartilage，smooth surface，light blue and white，no having crack，erosion and ulcer;In group B，the surface was rough，pale or sallow，synovial hyperplasia，cartilage collapse and part of osteophyte formation;Group C，smooth surface，the color was yellow;The surface of the articular cartilage of the D group was smooth，and the color was slightly darker than that in the A group，and the group was similar to that of the A group．Histological examination:6 cases in group A were normal，2 cases showed early degeneration，the Mankin scorewas(0．875±1．642)points;In the B group，7 cases showed intermediate degeneration，1 cases showed advanced degeneration，the Mankin score was(6．875±0．991)points;In C group，6 cases showed early degeneration，2 caseswere normal，the Mankin scorewas(3．250±2．053)points;In D group，5 cases were normal，3 cases showed early degeneration，the Mankin score was(1．500±2．138)points．There was no significant difference between A group and D group(P＞0．05)，and there was significant difference between B group and A group(C)book=234,ebook=46and B group(P＜0．01，P＜0．01)．Conclusion In the case of the same degree of articular cartilage bone defect，the lesion of autogenous bone on early articular cartilage is the least，and the bone cement increases the damage of articular cartilage．However，autogenous bone filled between bone cementand articular cartilage can reduce the injury of articular cartilage by bone cement．

Key words:articular cartilage;subchondral bone;bone defect;bone graft;bone cement

作者簡介:梁青福(1986－)，男，研究生在讀，新疆醫科大學，新疆醫科大學第一附屬醫院骨科中心，830054。

收稿日期:2015-09-02

中圖分類號:R687．3+4

文獻標識碼:A

基金項目:新疆維吾爾自治區自然科學基金(2014211C034);*本文通訊作者:田征

文章編號:1008－5572(2016)03－0233－05 1008－5572(2016)03－0237－05