复合骨水泥髋假体柄生物固定的实验研究
作者：杨欣建 林贵德 蒋祖言 吴先道 卓光富 彭学良 王明刚 李叶君 罗涛丽
单位：630042重庆第三军医大学大坪医院骨科(杨欣建、林贵德、蒋祖言、吴先道、卓光富、彭学良、王明刚、罗涛丽)；第三军医大学野战外科研究所(李月君)
关键词：髋假体；骨基质；骨粘固剂；骨质再生
中华医学杂志930707 摘要 实验通过脱钙骨基质(DBM)加骨水泥(Ⅰ组)、骨基质胶(BMG)加骨水泥(Ⅱ组)、单钝骨水泥(Ⅲ组)、柄直接插入(Ⅳ组)等四种假体柄固定方法，经X线摄片、组织学、生物力学观察发现：复合骨水泥(Ⅰ、Ⅱ组)能使假体柄达到早期的机械固定；晚期骨组织长入骨水泥，其界面剪切强度随时间逐渐增加，明显高于Ⅲ组或Ⅳ组(P<0.01)。Ⅲ组晚期骨质吸收、破坏，纤维假膜形成。Ⅳ组早期机械固定不牢，有假体的松动、下沉。同时对复合骨水泥中DBM、BMG的诱导成骨机制，其防止柄松动、下沉的组织学、生物力学等问题一并进行了讨论。
, 百拇医药
髋假体柄的松动、下沉是导致人工髋关节失败的主要原因，迄今尚无十分理想的防止方法。传统骨水泥假体存在较高的松动率，Beckenbaugh等〔1，2〕报道5年随访松动率为24%，10年达40%。近10年来盛行的非骨水泥表面微孔假体也显示极大的局限性及缺陷〔3～5〕，Engh等〔6〕随访5～6年松动率达20%。因此有效地改善骨水泥技术，寻找新的固定方法，已成为矫形外科的重要课题〔7〕。我们拟通过在骨水泥中添加脱钙骨基质(DBM)或骨基质胶(BMG)，作为髋假体柄新型固定材料，证实其是否具有早期机械固定和晚期生物固定作用，为临床应用提供依据。
材料和方法
一、材料制备
1.DBM、BMG制备：取家兔四肢长骨，经乙醇、乙醚脱水、脱脂，电磨成粉；0.5mol/L盐酸脱钙，洗酸至pH7.3～7.4，再次脱水、脱脂，制成DBM。取部分DBM再经2mol/L氯化钙、0.5mol/L乙二胺四乙酸二钠、3mol/L氯化锂及55℃恒温水浴箱等四步处理制成BMG。用标准筛取直径300～450μm的DBM、BMG颗粒封装，60Co2mol/L rad照射后备用。
, http://www.100md.com
2.骨水泥：天津TJ-骨粘固剂。
3.兔人工股骨头：通过对40只(
2.5kg)成年家兔股骨解剖测试，制做出大、中、小(股骨头直径分别为9.0、8.0、7.0mm，柄长22～24mm)三型兔人工股骨头。
二、动物实验
1.分组：30只(2.6kg)家兔，随机分成复合骨水泥Ⅰ组(DBM+骨水泥)10只、复合骨水泥Ⅱ组(BMG+骨水泥)10只、单纯骨水泥Ⅲ组5只、假体柄直接插入Ⅳ组5只。
2.手术：3%戊巴比妥钠(lml/kg)静脉麻醉，从右股前与外侧肌间隙进入髋关节，切除股骨头保留股骨距1.5～2.0mm。扩大髓腔，试放人工股骨头合适后，Ⅰ、Ⅱ组分别调配DBM或BMG+骨水泥粉(重量比1∶3和1∶4各5只)及适量单体(MMA)，待骨水泥呈面团状时用指压法填入髓腔，再插入人工股骨头并保持10°～15°前倾角，固化后复位。Ⅲ组单纯骨水泥固定。Ⅳ组将人工股骨头直接插入髓腔，检查人工股骨头稳定后再复位；如不稳定，用切除的骨质填塞，以保证其初步稳定。术后肢体不制动，分笼喂养，随意活动。
, http://www.100md.com
术后2、8、12、24、32周处死动物，Ⅰ、Ⅱ组每次各2只，Ⅲ、Ⅳ组每次各1只。
三、检测方法
1.X线照片：术后立即及2、8、12、24、32周摄右髋关节及股骨正侧位片，X线征象参照Engh和Gruen等〔3，4〕的方法描述。
2.多重荧光标记：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组手术后8、12周观察。动物处死前2周行多重荧光标记，标记物为盐酸四环素(50mg/kg)、钙黄绿素(8mg/kg)，肌注，每周2次。
3.生物力学测试：各组人工股骨头及股骨全段标本，在WD-10F型万能力学实验机上行人工股骨头拔出试验；拔出假体的标本，用锯式切割成三段如图1。中段再行复合骨水泥或骨水泥与骨界面的推出试验；测定其拔出或推出所需的力(F)，除以界面面积，即得骨与骨水泥、柄与骨水泥界面的剪切强度P＝F/πDh，计算各组不同观察周期2个界面的平均剪切强度。
, 百拇医药
4.组织学观察：图1所示的上段和下段标本用70%～100%乙醇梯度脱水共96小时，再用甲基丙烯酸甲酯塑料包埋，在JB-H型式业车床上快速旋转横行切割成3.0mm2小块，手工磨成40～50μm薄片，行HE或改良Von-kossa染色。多重荧光标记的骨片不染色。
图1 拔出假体的标本被切割成三段
结 果
一、X线片
各组术后立即X线摄影除Ⅳ组有一只股骨上段骨折外，均未发现人工股骨头脱位及 股骨骨折。术后2周：Ⅳ组中1只脱位；2只下沉2.0～4.5mm，一只上移2.0mm。8周：Ⅰ、Ⅱ组假体柄周围骨水泥中出现线状、团块样密度增高影(图2)；Ⅲ组柄周围出现X线透亮带，并有骨质吸收、囊性变(图3)，其中1只上移2.5mm，四只柄尾端骨质肥厚；Ⅳ组中3只下沉或上移2.5～4.5mm，柄尾端骨质肥厚及周围出现X线透亮带。12周：Ⅰ、Ⅱ组骨水泥中密度增高影增多，呈片状；Ⅰ组中1只出现X线透亮带及尾端肥厚且上移1.5mm；Ⅲ组3只柄周围骨质吸收、囊性变更明显，其中2只上移2.5mm～3.5mm，X线透亮带增加；Ⅳ组中2只骨质吸收及X线透亮带增加。24周：Ⅱ组中1只出现X线透亮带，但无明显位置改变；Ⅲ组2只下沉或下移1.5～2.5mm，骨质吸收更加明显，其中1只近端内侧骨缺损4.0mm；Ⅳ组中2只位置改变，下沉或上移1.5～2.0mm，近端外侧骨缺损2.0mm。32周：除Ⅲ组骨质吸收明显上移2.5mm外，其余同24周。从上可得出：Ⅰ、Ⅱ组仅1只出现松动现象。Ⅲ组3只有松动、下沉。Ⅳ组4只松动、下沉。
, http://www.100md.com
图2 术后8周,Ⅱ组骨水泥中线状密
度增高影
图3 术后8周,Ⅲ组骨吸收、囊性变
二、免疫组织化学及组织学改变
荧光显微镜下Ⅰ、Ⅱ组8、12周柄周围骨水泥中有条柱状、网状黄绿荧光(图4)；Ⅲ组骨水泥中未出现黄绿荧光。Ⅰ、Ⅱ组HE及改良Von-Kossa染色的组织学变化基本相同，在此主要描述Ⅱ组的组织学改变。
图4 术后12周,柄周围骨水泥中条柱状、网状黄绿荧光(荧光显微镜下5×10)
Ⅱ组：2周时骨水泥-骨界面有大量炎性细胞、间充质细胞，少量巨噬细胞；骨水泥中BMG部分吸收形成间隙，并有少许毛细血管长入。8周骨细胞长入骨水泥，为条索样，远端呈毛刷状，约达同水泥层的一半；骨小梁中骨小管、骨陷窝清晰(图5)。12周骨小梁通过骨水泥全层到达柄缘，呈网状穿插于骨水泥中，改良Von-Kossa染色证实为新生骨小梁(图6)。24周成熟的骨小梁广泛连接成网，排列较规则，形成哈佛氏系统(图7)。32周骨组织进一步成熟，无吸收现象。
, 百拇医药
图5 术后8周,长入骨水泥中的骨小梁,其骨小管、骨陷窝清晰(HE 40)
图6 术后12周,骨小梁通过骨水泥全层到达柄缘,呈网状、团块样穿插于骨水泥中(VK 40)
图7 术后24周,长入的骨组织进一步成熟,形成哈佛氏系统,无吸收现象(HE 100)
Ⅲ组：2～8周炎性细胞、巨噬聚集在骨水泥-骨界面，骨水泥中无毛细血管长入。12～24周骨水泥-骨界面有分离，少许骨水泥颗粒、死骨块及纤维膜性组织充填其间(图8)。32周骨水泥微细断裂，纤维膜性组织增厚，界面分离明显。
图8 Ⅲ组成2周骨水泥-骨界面分离,纤维膜性组织充填其间;
, 百拇医药
骨水泥中无骨组织长入(HE 100)
三、生物力学
复合骨水泥或单纯骨水泥与骨、柄形成两个界面，测量各组两个界面(Ⅳ组为柄-骨界面)的不同置入时间的平均剪切强度，用t检验进行统计学处理(表1，2)。
表1 各组不同置入时间柄界面平均剪切强度(kPa) 组别
2周
8周
12周
24周
32周
P值
, 百拇医药 Ⅰ
207.3
318.5
559.9
647.1
662.2
-
Ⅱ
199.7
329.8
586.4
686.2
810.1
, http://www.100md.com
>0.05
Ⅲ
208.5
221.2
183.3
151.7
126.4
<0.01
Ⅳ
139
265.4
303.3
322.3
, http://www.100md.com
309.6
<0.01
*均与Ⅰ组比较
表2 不同置入时间骨水泥-骨界面平均剪切强度(kPa)
组别
2周
8周
12周
24周
32周
P值
Ⅰ
, 百拇医药
495.6
1013.3
1833.6
1978.4
1990.5
-
Ⅱ
458.4
1043.5
1906
2038.7
2062.8
>0.05
, 百拇医药
Ⅲ
518.7
434.3
388
337.8
301.6
<0.01
*均与Ⅰ组比较
各组假体柄在观察周期内柄界面抗张应力的变化曲线及界面平均剪切强度的比较见图9、10。
图9 各组假体柄观察周期内抗张应力变化
, 百拇医药
图10 各组观察周期内柄界面平均剪切强度
讨 论
实验显示复合骨水泥组(Ⅰ、Ⅱ组)除Ⅰ组中1只上移1.5mm外，未发现其他假体柄的松动、下沉。组织学证明：Ⅰ、Ⅱ组植入2周，其骨水泥中有毛细血管长入；随着时间的推移，骨组织逐渐长入骨水泥，8～12周为条索状或网状骨小梁，24周广泛连接成网；显然DBM或BMG掺入骨水泥仍具有诱导成骨活性。诱导成骨过程可能是早期复合骨水泥中的DBM或BMG出现部分吸收，使该材料形成有广泛连通的多孔状结构，其中所含的骨水泥则作为多孔状材料的良好支架，利于宿主骨长入材料内部；DBM或BMG含有的骨形态发生蛋白(BMP)等有效成分可同步诱导间充质细胞或血管内皮细胞成骨，这样使其与宿主骨相互交织、紧密接触、融为一体，共同完成对假体柄的生物固定。
骨水泥假体的松动、下沉是由于骨水泥老化、破碎及界面假膜形成的结果〔5〕。Ⅲ组8周出现骨质吸收，24周柄周围骨质缺损，骨水泥微细断裂及纤维假膜充填于骨水泥-骨界面，均证实单纯骨水泥固定的不良。
, 百拇医药
Ⅳ组柄插入时由于不扩大髓腔，可能造成股骨骨折；其柄较高的松动率也证明不用骨水泥的假体柄直接插入髓腔容易导致柄的松动、下沉〔6〕。这是由于假体柄直接插入髓腔达不到早期的机械固定，不能满足髋关节在负重状态下的生物力学要求，势必导致假体置入的失败〔7〕。
据测定，静止时作用于假体柄的力为体重的2.4倍，当髋关节承受10倍体重时，所需骨水泥-骨界面剪切强度为920kPa〔8，9〕。本实验Ⅰ、Ⅱ组柄、骨水泥-骨界面剪切强度8周时开始增加，24周达高峰并趋平稳。Ⅰ组柄界面、骨水泥-骨界面剪切强度的平均值分别为479.0kPa、1 462.3kPa；Ⅱ组柄、骨水泥-骨界面的平均值分别为522.4kPa、1501.9kPa；其骨水泥-骨界面剪切强度远远超过髋关节承受10倍体重时所需要的界面剪切强度，达到了人工关节的生物力学要求。Ⅲ组柄界面的平均剪切强度为178.2kPa，骨水泥-骨界面的平均剪切强度为395.7kPa，明显低于Ⅰ、Ⅱ组(P<0.01)，且随时间的延长仍在逐渐下降。这也证明单纯骨水泥的老化、破碎及界面假膜形成，使其不能满足生物力学要求，导致松动、下沉。Ⅳ组柄界面各期的剪切强度(均值267.9kPa)更明显低于Ⅰ、Ⅱ组，提示本实验使用的非骨水泥假体也不容易达到确切的固定。将DBM作为非骨水泥表面微孔假体柄的固定材料已有报道〔10〕。但由于DBM不良的机械强度及粘固性仍很难使假体柄达到早期的机械固定。本实验将DBM或BMG加入骨水泥将有助于防止柄的松动、下沉。这是由于：早期可利用骨水泥而达到机械固定；尔后骨水泥中的DBM或BMG部分吸收，使骨水泥形成微孔，且DBM或BMG同步诱导成骨，使新生骨长入骨水泥，而与宿主骨融为一体，防止骨水泥老化、破碎及界面假膜形成，消除骨水泥假体松动、下沉的病理基础，使假体柄得到更完善的包裹，从而吸收机械震荡，避免界面松动；DBM或BMG的诱导成骨，使髓腔内骨质得到加强，植入物获得更好的骨性支持。经计算当弹性模量增加一倍时，压力应增加15%-18%〔9〕。骨组织长入复合骨水泥，而能使其弹性模量接近于骨质，增加顺应性，减少假体的松动、下沉〔9〕；使柄与骨之间形成合理的弹力梯度，减少应力不遮挡的损害。而且具有经济简便、安全可靠等特点。
, http://www.100md.com
注：本课题为全军青年基金资助项目
参考文献
1 Magee FP,Weinstein AM,Longo JA,et al.A canine composite femoral stem:An in vivo study.Clin Orthop,1988,235:237.
2 Harris WH,Maloney WJ.Hybrid total hip arthroplasty.Clin Orthop,1989,249:21.
3 Engh CA,Massin P,Suthers KE.Roentgenographic as-sessment of the biologic fixation of porous-surfaced femoral components.Clin Orthop,1990,257:107.
, http://www.100md.com
4 Gruen TA,Bruese C,Kaisteuen HL,et al.Modes of fail-ure of cemented stem-type femoral components:A radiographic analysis of loosening.Clin Orthop,1979,141:17.
5 Ohlin A,Johnell O,Lerner UH.The pathogenesis of loos-ening of total hip arthroplasties.Clin Orthop,1990,253:287.
6 Capello WN.Fit the patient to the prosthesis.Clin Orthop,1989,249:56.
7 Noble PC,Alexander JW,Lindahl LJ,et al.The anatomic basis of femoral componont design.Clin Orthop,1988,235:148.
, http://www.100md.com
8 戴克戎，郑泽坤，高玉兰，等。无机骨粒骨水粒实验研究。中华外科杂志，1989，27：309.
9 王以进，王介麟。骨科生物力学。北京：人民军医出版社，1989，275-289.
10 Mclaughlin RE,Reger SI,Bolander M,et al.Enhancement of bone ingrowth by the use of bone matrix as a biologic cement.Clin Orthop,1984,183:255.
(收稿：1992-12-21 修回：1993-03-31), 百拇医药
单位：630042重庆第三军医大学大坪医院骨科(杨欣建、林贵德、蒋祖言、吴先道、卓光富、彭学良、王明刚、罗涛丽)；第三军医大学野战外科研究所(李月君)
关键词：髋假体；骨基质；骨粘固剂；骨质再生
中华医学杂志930707 摘要 实验通过脱钙骨基质(DBM)加骨水泥(Ⅰ组)、骨基质胶(BMG)加骨水泥(Ⅱ组)、单钝骨水泥(Ⅲ组)、柄直接插入(Ⅳ组)等四种假体柄固定方法，经X线摄片、组织学、生物力学观察发现：复合骨水泥(Ⅰ、Ⅱ组)能使假体柄达到早期的机械固定；晚期骨组织长入骨水泥，其界面剪切强度随时间逐渐增加，明显高于Ⅲ组或Ⅳ组(P<0.01)。Ⅲ组晚期骨质吸收、破坏，纤维假膜形成。Ⅳ组早期机械固定不牢，有假体的松动、下沉。同时对复合骨水泥中DBM、BMG的诱导成骨机制，其防止柄松动、下沉的组织学、生物力学等问题一并进行了讨论。
, 百拇医药
髋假体柄的松动、下沉是导致人工髋关节失败的主要原因，迄今尚无十分理想的防止方法。传统骨水泥假体存在较高的松动率，Beckenbaugh等〔1，2〕报道5年随访松动率为24%，10年达40%。近10年来盛行的非骨水泥表面微孔假体也显示极大的局限性及缺陷〔3～5〕，Engh等〔6〕随访5～6年松动率达20%。因此有效地改善骨水泥技术，寻找新的固定方法，已成为矫形外科的重要课题〔7〕。我们拟通过在骨水泥中添加脱钙骨基质(DBM)或骨基质胶(BMG)，作为髋假体柄新型固定材料，证实其是否具有早期机械固定和晚期生物固定作用，为临床应用提供依据。
材料和方法
一、材料制备
1.DBM、BMG制备：取家兔四肢长骨，经乙醇、乙醚脱水、脱脂，电磨成粉；0.5mol/L盐酸脱钙，洗酸至pH7.3～7.4，再次脱水、脱脂，制成DBM。取部分DBM再经2mol/L氯化钙、0.5mol/L乙二胺四乙酸二钠、3mol/L氯化锂及55℃恒温水浴箱等四步处理制成BMG。用标准筛取直径300～450μm的DBM、BMG颗粒封装，60Co2mol/L rad照射后备用。
, http://www.100md.com
2.骨水泥：天津TJ-骨粘固剂。
3.兔人工股骨头：通过对40只(
2.5kg)成年家兔股骨解剖测试，制做出大、中、小(股骨头直径分别为9.0、8.0、7.0mm，柄长22～24mm)三型兔人工股骨头。二、动物实验
1.分组：30只(
2.6kg)家兔，随机分成复合骨水泥Ⅰ组(DBM+骨水泥)10只、复合骨水泥Ⅱ组(BMG+骨水泥)10只、单纯骨水泥Ⅲ组5只、假体柄直接插入Ⅳ组5只。2.手术：3%戊巴比妥钠(lml/kg)静脉麻醉，从右股前与外侧肌间隙进入髋关节，切除股骨头保留股骨距1.5～2.0mm。扩大髓腔，试放人工股骨头合适后，Ⅰ、Ⅱ组分别调配DBM或BMG+骨水泥粉(重量比1∶3和1∶4各5只)及适量单体(MMA)，待骨水泥呈面团状时用指压法填入髓腔，再插入人工股骨头并保持10°～15°前倾角，固化后复位。Ⅲ组单纯骨水泥固定。Ⅳ组将人工股骨头直接插入髓腔，检查人工股骨头稳定后再复位；如不稳定，用切除的骨质填塞，以保证其初步稳定。术后肢体不制动，分笼喂养，随意活动。
, http://www.100md.com
术后2、8、12、24、32周处死动物，Ⅰ、Ⅱ组每次各2只，Ⅲ、Ⅳ组每次各1只。
三、检测方法
1.X线照片：术后立即及2、8、12、24、32周摄右髋关节及股骨正侧位片，X线征象参照Engh和Gruen等〔3，4〕的方法描述。
2.多重荧光标记：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组手术后8、12周观察。动物处死前2周行多重荧光标记，标记物为盐酸四环素(50mg/kg)、钙黄绿素(8mg/kg)，肌注，每周2次。
3.生物力学测试：各组人工股骨头及股骨全段标本，在WD-10F型万能力学实验机上行人工股骨头拔出试验；拔出假体的标本，用锯式切割成三段如图1。中段再行复合骨水泥或骨水泥与骨界面的推出试验；测定其拔出或推出所需的力(F)，除以界面面积，即得骨与骨水泥、柄与骨水泥界面的剪切强度P＝F/πDh，计算各组不同观察周期2个界面的平均剪切强度。
, 百拇医药
4.组织学观察：图1所示的上段和下段标本用70%～100%乙醇梯度脱水共96小时，再用甲基丙烯酸甲酯塑料包埋，在JB-H型式业车床上快速旋转横行切割成3.0mm2小块，手工磨成40～50μm薄片，行HE或改良Von-kossa染色。多重荧光标记的骨片不染色。
图1 拔出假体的标本被切割成三段
结 果
一、X线片
各组术后立即X线摄影除Ⅳ组有一只股骨上段骨折外，均未发现人工股骨头脱位及 股骨骨折。术后2周：Ⅳ组中1只脱位；2只下沉2.0～4.5mm，一只上移2.0mm。8周：Ⅰ、Ⅱ组假体柄周围骨水泥中出现线状、团块样密度增高影(图2)；Ⅲ组柄周围出现X线透亮带，并有骨质吸收、囊性变(图3)，其中1只上移2.5mm，四只柄尾端骨质肥厚；Ⅳ组中3只下沉或上移2.5～4.5mm，柄尾端骨质肥厚及周围出现X线透亮带。12周：Ⅰ、Ⅱ组骨水泥中密度增高影增多，呈片状；Ⅰ组中1只出现X线透亮带及尾端肥厚且上移1.5mm；Ⅲ组3只柄周围骨质吸收、囊性变更明显，其中2只上移2.5mm～3.5mm，X线透亮带增加；Ⅳ组中2只骨质吸收及X线透亮带增加。24周：Ⅱ组中1只出现X线透亮带，但无明显位置改变；Ⅲ组2只下沉或下移1.5～2.5mm，骨质吸收更加明显，其中1只近端内侧骨缺损4.0mm；Ⅳ组中2只位置改变，下沉或上移1.5～2.0mm，近端外侧骨缺损2.0mm。32周：除Ⅲ组骨质吸收明显上移2.5mm外，其余同24周。从上可得出：Ⅰ、Ⅱ组仅1只出现松动现象。Ⅲ组3只有松动、下沉。Ⅳ组4只松动、下沉。
, http://www.100md.com
图2 术后8周,Ⅱ组骨水泥中线状密
度增高影
图3 术后8周,Ⅲ组骨吸收、囊性变
二、免疫组织化学及组织学改变
荧光显微镜下Ⅰ、Ⅱ组8、12周柄周围骨水泥中有条柱状、网状黄绿荧光(图4)；Ⅲ组骨水泥中未出现黄绿荧光。Ⅰ、Ⅱ组HE及改良Von-Kossa染色的组织学变化基本相同，在此主要描述Ⅱ组的组织学改变。
图4 术后12周,柄周围骨水泥中条柱状、网状黄绿荧光(荧光显微镜下5×10)
Ⅱ组：2周时骨水泥-骨界面有大量炎性细胞、间充质细胞，少量巨噬细胞；骨水泥中BMG部分吸收形成间隙，并有少许毛细血管长入。8周骨细胞长入骨水泥，为条索样，远端呈毛刷状，约达同水泥层的一半；骨小梁中骨小管、骨陷窝清晰(图5)。12周骨小梁通过骨水泥全层到达柄缘，呈网状穿插于骨水泥中，改良Von-Kossa染色证实为新生骨小梁(图6)。24周成熟的骨小梁广泛连接成网，排列较规则，形成哈佛氏系统(图7)。32周骨组织进一步成熟，无吸收现象。
, 百拇医药
图5 术后8周,长入骨水泥中的骨小梁,其骨小管、骨陷窝清晰(HE 40)
图6 术后12周,骨小梁通过骨水泥全层到达柄缘,呈网状、团块样穿插于骨水泥中(VK 40)
图7 术后24周,长入的骨组织进一步成熟,形成哈佛氏系统,无吸收现象(HE 100)
Ⅲ组：2～8周炎性细胞、巨噬聚集在骨水泥-骨界面，骨水泥中无毛细血管长入。12～24周骨水泥-骨界面有分离，少许骨水泥颗粒、死骨块及纤维膜性组织充填其间(图8)。32周骨水泥微细断裂，纤维膜性组织增厚，界面分离明显。
图8 Ⅲ组成2周骨水泥-骨界面分离,纤维膜性组织充填其间;
, 百拇医药
骨水泥中无骨组织长入(HE 100)
三、生物力学
复合骨水泥或单纯骨水泥与骨、柄形成两个界面，测量各组两个界面(Ⅳ组为柄-骨界面)的不同置入时间的平均剪切强度，用t检验进行统计学处理(表1，2)。
表1 各组不同置入时间柄界面平均剪切强度(kPa) 组别
2周
8周
12周
24周
32周
P值
, 百拇医药 Ⅰ
207.3
318.5
559.9
647.1
662.2
-
Ⅱ
199.7
329.8
586.4
686.2
810.1
, http://www.100md.com
>0.05
Ⅲ
208.5
221.2
183.3
151.7
126.4
<0.01
Ⅳ
139
265.4
303.3
322.3
, http://www.100md.com
309.6
<0.01
*均与Ⅰ组比较
表2 不同置入时间骨水泥-骨界面平均剪切强度(kPa)
组别
2周
8周
12周
24周
32周
P值
Ⅰ
, 百拇医药
495.6
1013.3
1833.6
1978.4
1990.5
-
Ⅱ
458.4
1043.5
1906
2038.7
2062.8
>0.05
, 百拇医药
Ⅲ
518.7
434.3
388
337.8
301.6
<0.01
*均与Ⅰ组比较
各组假体柄在观察周期内柄界面抗张应力的变化曲线及界面平均剪切强度的比较见图9、10。
图9 各组假体柄观察周期内抗张应力变化
, 百拇医药
图10 各组观察周期内柄界面平均剪切强度
讨 论
实验显示复合骨水泥组(Ⅰ、Ⅱ组)除Ⅰ组中1只上移1.5mm外，未发现其他假体柄的松动、下沉。组织学证明：Ⅰ、Ⅱ组植入2周，其骨水泥中有毛细血管长入；随着时间的推移，骨组织逐渐长入骨水泥，8～12周为条索状或网状骨小梁，24周广泛连接成网；显然DBM或BMG掺入骨水泥仍具有诱导成骨活性。诱导成骨过程可能是早期复合骨水泥中的DBM或BMG出现部分吸收，使该材料形成有广泛连通的多孔状结构，其中所含的骨水泥则作为多孔状材料的良好支架，利于宿主骨长入材料内部；DBM或BMG含有的骨形态发生蛋白(BMP)等有效成分可同步诱导间充质细胞或血管内皮细胞成骨，这样使其与宿主骨相互交织、紧密接触、融为一体，共同完成对假体柄的生物固定。
骨水泥假体的松动、下沉是由于骨水泥老化、破碎及界面假膜形成的结果〔5〕。Ⅲ组8周出现骨质吸收，24周柄周围骨质缺损，骨水泥微细断裂及纤维假膜充填于骨水泥-骨界面，均证实单纯骨水泥固定的不良。
, 百拇医药
Ⅳ组柄插入时由于不扩大髓腔，可能造成股骨骨折；其柄较高的松动率也证明不用骨水泥的假体柄直接插入髓腔容易导致柄的松动、下沉〔6〕。这是由于假体柄直接插入髓腔达不到早期的机械固定，不能满足髋关节在负重状态下的生物力学要求，势必导致假体置入的失败〔7〕。
据测定，静止时作用于假体柄的力为体重的2.4倍，当髋关节承受10倍体重时，所需骨水泥-骨界面剪切强度为920kPa〔8，9〕。本实验Ⅰ、Ⅱ组柄、骨水泥-骨界面剪切强度8周时开始增加，24周达高峰并趋平稳。Ⅰ组柄界面、骨水泥-骨界面剪切强度的平均值分别为479.0kPa、1 462.3kPa；Ⅱ组柄、骨水泥-骨界面的平均值分别为522.4kPa、1501.9kPa；其骨水泥-骨界面剪切强度远远超过髋关节承受10倍体重时所需要的界面剪切强度，达到了人工关节的生物力学要求。Ⅲ组柄界面的平均剪切强度为178.2kPa，骨水泥-骨界面的平均剪切强度为395.7kPa，明显低于Ⅰ、Ⅱ组(P<0.01)，且随时间的延长仍在逐渐下降。这也证明单纯骨水泥的老化、破碎及界面假膜形成，使其不能满足生物力学要求，导致松动、下沉。Ⅳ组柄界面各期的剪切强度(均值267.9kPa)更明显低于Ⅰ、Ⅱ组，提示本实验使用的非骨水泥假体也不容易达到确切的固定。将DBM作为非骨水泥表面微孔假体柄的固定材料已有报道〔10〕。但由于DBM不良的机械强度及粘固性仍很难使假体柄达到早期的机械固定。本实验将DBM或BMG加入骨水泥将有助于防止柄的松动、下沉。这是由于：早期可利用骨水泥而达到机械固定；尔后骨水泥中的DBM或BMG部分吸收，使骨水泥形成微孔，且DBM或BMG同步诱导成骨，使新生骨长入骨水泥，而与宿主骨融为一体，防止骨水泥老化、破碎及界面假膜形成，消除骨水泥假体松动、下沉的病理基础，使假体柄得到更完善的包裹，从而吸收机械震荡，避免界面松动；DBM或BMG的诱导成骨，使髓腔内骨质得到加强，植入物获得更好的骨性支持。经计算当弹性模量增加一倍时，压力应增加15%-18%〔9〕。骨组织长入复合骨水泥，而能使其弹性模量接近于骨质，增加顺应性，减少假体的松动、下沉〔9〕；使柄与骨之间形成合理的弹力梯度，减少应力不遮挡的损害。而且具有经济简便、安全可靠等特点。
, http://www.100md.com
注：本课题为全军青年基金资助项目
参考文献
1 Magee FP,Weinstein AM,Longo JA,et al.A canine composite femoral stem:An in vivo study.Clin Orthop,1988,235:237.
2 Harris WH,Maloney WJ.Hybrid total hip arthroplasty.Clin Orthop,1989,249:21.
3 Engh CA,Massin P,Suthers KE.Roentgenographic as-sessment of the biologic fixation of porous-surfaced femoral components.Clin Orthop,1990,257:107.
, http://www.100md.com
4 Gruen TA,Bruese C,Kaisteuen HL,et al.Modes of fail-ure of cemented stem-type femoral components:A radiographic analysis of loosening.Clin Orthop,1979,141:17.
5 Ohlin A,Johnell O,Lerner UH.The pathogenesis of loos-ening of total hip arthroplasties.Clin Orthop,1990,253:287.
6 Capello WN.Fit the patient to the prosthesis.Clin Orthop,1989,249:56.
7 Noble PC,Alexander JW,Lindahl LJ,et al.The anatomic basis of femoral componont design.Clin Orthop,1988,235:148.
, http://www.100md.com
8 戴克戎，郑泽坤，高玉兰，等。无机骨粒骨水粒实验研究。中华外科杂志，1989，27：309.
9 王以进，王介麟。骨科生物力学。北京：人民军医出版社，1989，275-289.
10 Mclaughlin RE,Reger SI,Bolander M,et al.Enhancement of bone ingrowth by the use of bone matrix as a biologic cement.Clin Orthop,1984,183:255.
(收稿：1992-12-21 修回：1993-03-31), 百拇医药