骨水泥聚合反应与冷却对骨骼肌热损伤的关系

曹建飞，张晟，叶海明，王超，熊奡，辛风，张波*

(1.安徽医科大学北大深圳医院临床学院，广东 深圳 518036；2.北京大学深圳医院骨关节科，广东 深圳 518036)

实验研究

骨水泥聚合反应与冷却对骨骼肌热损伤的关系

曹建飞1，2，张晟2，叶海明2，王超2，熊奡2，辛风2，张波2*

(1.安徽医科大学北大深圳医院临床学院，广东 深圳 518036；2.北京大学深圳医院骨关节科，广东 深圳 518036)

目的模拟骨水泥外溢在周围骨骼肌中的固化放热过程，研究其聚合放热对骨骼肌的损伤作用及加予4℃生理盐水局部灌注冷却对损伤的影响。方法选取健康清洁级SD大鼠12只，雌雄不限，体重220～250 g，采用左右侧对照，分别在左右侧臀大肌注入现配骨水泥1 mL，同时右侧加予4℃生理盐水局部灌注冷却。采用针式温度计连续测量两组骨水泥固化过程中骨水泥-肌肉界面的温度变化情况。分别于术后1 d、4 d、7 d各处死4只，切取与骨水泥接触部位的肌肉，行常规石蜡切片，HE染色镜检。对比两组局部温度的变化情况以及肉眼、镜下观察骨水泥-肌肉界面的肌肉组织形态学的改变。结果两组局部最高温度分别为(61.58±2.75)℃和(44.73±2.03)℃，40℃以上持续时间分别为(227.83±22.21) s和(53.33±15.79) s，均P<0.01，有显著统计学意义。混匀至最高温度时间分别为(571.67±7.92) s和(575.00±8.00) s，P>0.05，无统计学意义。组织学上，与骨水泥组相比，骨水泥+4℃水组的局部肌肉组织细胞形态改变较轻，炎性细胞浸润少，组织修复时间短。结论骨水泥聚合反应可对周围骨骼肌造成热损伤，加于4℃水局部冷却可明显降低局部最高温度及缩短40℃以上持续时间，有效减少炎症反应和缩短修复时间。若能合理地应用于临床，将对预防术后感染有一定的参考价值。

骨水泥；骨骼肌；热损伤；冷却

骨水泥，化学名为聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)，自20世纪50年代应用于骨科以来，凭借其自身的特性与优势，在临床治疗中占有重要的地位。然而，骨水泥在其固化过程中，会发生聚合反应释放出大量的热量，而在由液态变为固态的过程中极易发生外溢或渗漏，造成临近组织的热损伤。有文献报道，骨水泥聚合反应放热可对周围的骨、软骨、神经、心血管系统及皮肤等组织造成不同程度的损伤，而对周围肌肉组织的损伤并未见相关报道[1]。

室温下测得1 mL骨水泥体外聚合反应最高温度达73.5 ℃，而Selsby[2]研究报道，当肌肉组织温度超过40 ℃时，肌肉中的热休克蛋白即表达升高，有潜在的损伤风险。本文模拟单纯骨水泥外溢在周围骨骼肌的固化放热过程，研究其聚合放热对骨骼肌的损伤作用及加予4 ℃生理盐水局部灌注冷却对损伤的影响。

1 资料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 实验动物 健康清洁级SD大鼠12只，雌雄不限，体重220～250 g，由广东省医学实验动物中心提供。实验期间，室内温度保持在20～25 ℃，相对湿度保持在50%～70%，每天光照12 h。正常饲养的1周时间内所有大鼠自由进食(普通饲料)和饮水。

1.1.2 主要实验试剂 氯胺酮、速眠新Ⅱ、palcos R骨水泥、多聚甲醛、庆大霉素、生理盐水.

1.1.3 主要实验仪器 鼠台、针式温度计、石蜡包埋机、HM315轮转式石蜡切片机(德国/Microm)、水浴锅、负压吸引器。

1.2 动物模型建立及分组 选取健康清洁级SD大鼠12只，雌雄不限，体重220～250 g，手术前1 d下背部脊柱两侧备皮。速眠新Ⅱ与氯胺酮1︰1配比0.4 mL/kg肌肉注射麻醉，取背部正中纵行切口，剪开肌筋膜，沿肌纤维方向钝性分离左侧臀大肌，注入现配骨水泥1 mL共2枚，平行于脊柱，离中线约10 mm，各植入物间隔约10 mm。同法在对侧对称部位注入1 mL骨水泥，并加用4 ℃生理盐水灌注，同时接负压吸引器引流。两组互为对照。连续测量骨水泥-肌肉界面温度变化，待骨水泥完全固化冷却，逐层缝合至皮肤。术后切口以安尔碘消毒，以庆大霉素(2万U/kg)肌注，每天3次。待动物苏醒，放回笼中继续饲养。

1.3 取材 分别于术后1 d、4 d、7 d后，各处死4只实验动物。沿肌纤维方向切取小块与骨水泥接触的臀大肌，大小约4 mm×4 mm×6 mm，自然伸直(勿牵拉)，置于多聚甲醛溶液固定24 h，用于石蜡切片。

1.4 切片和HE染色 石蜡切片：HM315轮转式石蜡切片机切片，厚为2 μm，然后贴于涂有APES载玻片上，60 ℃烘烤30 min后，室温保存，常规HE染色。

2 结 果

2.1 实验测得数据 骨水泥组和骨水泥+4 ℃水组局部最高温度分别为(61.58±2.75) ℃和(44.73±2.03) ℃，40 ℃以上持续时间分别为(227.83±22.21) s和(53.33±15.79) s，均P<0.01，差异有显著统计学意义。混匀至最高温度时间分别为(571.67±7.92) s和(575.00±8.00) s，P>0.05，差异无统计学意义。

2.2 两组大鼠骨水泥接触界面肌肉的变化

2.2.1 肉眼观察 骨水泥组：术后1 d局部肌纹理排列稍紊乱，呈暗红色，可见少量渗出；术后4 d，肌纹理紊乱，界限不清，颜色暗红，可见明显渗出；术后7 d，肌纹理模糊，表面可见点状坏死灶及肉芽组织生长。骨水泥+4 ℃组：术后1 d肌纹理较清晰，浅红色；术后4 d，肌纹理稍紊乱，界限尚清，暗红，可见少量渗出；术后7 d，肌纹理可见，稍模糊，与正常组织无明显差异。

2.2.2 镜下观察 正常肌肉组织细胞大小一致，呈多角形相嵌分布，多核，位于周边，未见炎细胞浸润、肌纤维坏死及再生等变化(见图1)。

图1 正常肌细胞镜下所见(HE，×100)

图2 骨水泥组术后1 d局部细胞充血、水肿(HE，×100) 图3 骨水泥组术后4 d时部分细胞破裂，胞质溢出，染色不均，少量炎性细胞浸润，以嗜酸性粒细胞为主(HE，×100) 图4 骨水泥组术后7 d时细胞出现坏死，大量炎性细胞浸润，以巨噬细胞为主(HE，×100)

图5 骨水泥+4℃水组术后1 d，局部细胞无明显充血、轻度水肿(HE，×100) 图6 骨水泥+4℃水组术后4 d时部分细胞轮廓圆润，胞质深染不一，未见明显细胞破裂(HE，×100) 图7 骨水泥+4℃水组术后7 d时，细胞形态近乎正常，个别细胞出现坏死，未见明显炎性细胞浸润(HE，×100)

3 讨 论

本文通过在大鼠身上模拟单纯骨水泥外溢在骨骼肌中的固化放热过程，并加于4℃水局部冷却进行对比，由大体观察及HE染色镜检结果，1 mL骨水泥的聚合放热可导致骨骼肌细胞的损伤甚至坏死，而4℃水冷却可显著降低局部最高温度，缩短40℃以上持续时间，有效减轻骨骼肌的组织形态学改变。

众所周知，局部软组织的损伤情况与感染有着密切的关系。而感染作为关节置换术后常见并发症之一，在过去的几年里，虽其发生率已降到1%～2%，但对于外科医生来说，仍旧是一个严峻的挑战。因为它会增加治疗成本，延长治疗时间，且难以治愈，功能预后不佳，致死致残率高[3]。随着我国人口老龄化的到来，老年性股骨颈骨折、股骨头坏死的病例越来越多，人工关节手术的发展也十分迅速，尤其髋、膝关节置换手术例数每年倍增，不可避免地涉及到骨水泥的安全问题。骨水泥聚合反应放热可不同程度地损伤到周围组织，常导致局部感染、患处的感觉或功能障碍、无菌性骨溶解及假体的早期松动，从而影响手术成功率及远期疗效[4]。因此，有效地减轻或预防局部软组织的损伤，可一定程度上降低感染的发生率，提高手术疗效，从而减少经济成本及社会成本。

针对如何减轻或预防骨水泥聚合反应的热损伤，Kärrholm[5]总结前人已有的经验提出以下方案：a)减少骨水泥用量；b)使用金属植入物；c)预冷假体植入物、骨水泥或骨；d)通过添加重金属或熔化结晶单体来增加骨水泥的热容量；e)减慢骨水泥聚合反应速率；f)通过增加粉液比、添加含水凝胶或粒状聚合物来降低单体比例。不少专家学者也正在不懈努力的探索可行方案，但尚未系统运用于临床。

骨水泥单体与粉剂，从开始混合至最终固化，可分为湿砂期、粘丝期、面团期、固化期四个时期。本实验中，选择在面团期注入骨水泥，加用低温生理盐水灌注，并无改变骨水泥的粉液比。另外，冷水灌注局限于骨水泥表面，降低外部温度，而有学者研究发现，在改变外部温度的情况下，并不改变骨水泥的生物力学特性[6]。Belkoff等[7，8]临床医生在椎体成形术中，降温处理骨水泥，也并没有发现任何不良副作用。Rothstock等[9]在髋关节置换术中，使用水冷却与两种不同材质髋臼杯(钴铬合金和聚乙烯)进行对照研究，测量髋臼水泥界面的骨水泥固化温度，发现两种材质髋臼杯的未冷却组峰值温度均达70℃，而钴铬合金髋臼杯的冷却组可降至50℃以下。作者认为水冷却和(或)使用金属植入物，可有效降低骨水泥固化温度，而并未发现对骨水泥性能有明显影响。

综上所述，临床上在使用骨水泥的同时，加于可控温度的冷水局部灌注冷却，方法操作简单，材料容易获得，减轻炎症反应及组织损伤明显，而对骨水泥的性能无明显影响，若能合理地应用于临床，将对预防术后感染有一定的参考价值。

[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]Kärrholm 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

深圳市科技计划项目(201202012)；*本文通讯作者：张波

R318.08

：A

2014-03-17

曹建飞(1988- )，男，研究生在读，安徽医科大学北大深圳医院临床学院，518036。