相对干燥骨髓腔对骨水泥-骨界面结合强度影响的研究

尹一然，张德祥，鲁晓波

目前全球每年行关节置换数量已达到85万个，且随着社会发展越来越受到重视。在髋关节置换术后的短时间里骨水泥就可以提供足够强的稳定性，较生物固定具有明显的优越性。在应用骨水泥的过程中有不少并发症，一是在术中发生的骨水泥置入综合征(bone cement implantation syndrome，BCIS)，它是骨水泥型人工髋关节置换术中致死致残的最重要原因;二是术后远期发生的并发症，其中最主要的是无菌性松动，它是导致假体失败的重要原因。因此，如何防止假体松动，增加骨水泥-骨界面的结合强度成为目前人工关节外科的重要课题。本研究目的是创造相对干燥的骨髓腔环境，观察其能否提高骨水泥-骨界面的结合强度，延缓骨水泥-骨界面发生无菌性松动的时间，为临床应用提供理论依据。

材料与方法

1 材料

1.1 试验动物 购活猪16头，10月龄，体重在122kg左右。

1.2 材料与器械 骨水泥16包(强生公司，40g/包);骨水泥真空搅拌器、骨水泥枪、髓腔锉、自制髓腔栓、高压脉冲冲洗器、摆锯、负压吸引器、直尺等;改良电热烘干装置(奉化市溪口骏马电器厂定制);泸州医学院附属医院CT教研室(16排);60～100倍可调高倍放大镜(浙江三格田教学仪器有限公司);四川大学分析测试中心万能力学实验机。

2 方法及步骤

2.1 分组 将16头活猪的32根股骨随机分为6组，抗拉力实验组(A1)、对照组(A2)和抗压力实验组(B1)、对照组(B2)，每组各6根;影像学实验组(C1)和对照组(C2)，每组各4根。猪麻醉后取俯卧位，四肢固定并备皮，取股外侧切口，常规消毒铺巾，切开皮肤及软组织，分离肌层达，将股骨全段解剖暴露。

2.2 在距股骨内外髁6cm处用摆锯作股骨截骨，截除近端，使其正好暴露骨小梁(髓内松质骨厚度为3～5mm)，保留远端。使用髓腔锉沿股骨纵轴方向开通髓腔，直径为1．2cm，深度为6cm。实验组猪股骨扩髓后分别用3%过氧化氢、高压脉冲、1‰肾上腺素纱布填塞髓腔，再用改良的热烘干装置(温度控制在50℃)干燥髓腔;对照组仅用高压脉冲冲洗髓腔。远端置入自制髓腔栓，栓子长度为1cm，剩余5cm深度髓腔留用灌注骨水泥。灌注骨水泥:通过真空搅拌器搅拌骨水泥，在骨水泥糊状期［1］时使用骨水泥枪进行加压灌注，抗压力组外留直径为1cm、高度为0．5cm，抗拉力组外留直径为2cm、高度为0．5cm骨水泥柱以便进行后期的力学实验。待骨水泥凝固后从膝关节处离断股骨，在原来标记的髓腔栓的近端位置截骨，截除股骨远端，暴露远端骨水泥柱。

3 观察指标

3.1 力学测试 将A1、A2和B1、B2组所得标本在力学试验机上分别进行抗拉力和抗压力测试，通过与之相连的计算机记录实验所得数据。

3.2 影像学测试 将C1、C2组所得标本行CT横截面扫描，间隔2mm，观察CT片横截面，结合紧密者多为骨水泥-骨小梁中无暗黑的低密度带者，反之，出现暗黑的低密度带者为结合欠或不紧密。用Barrack标准［2］评定骨水泥对股骨假体柄的把持力。3.3 大体标本观察 将进行影像学测试后的C1、C2标本沿纵轴剖开，用放大镜观察骨水泥及髓腔表面情况。

4 统计学分析

力学实验组统计学处理方法采用两组样本(A1与A2、B1与B2)配对t检验;影像学实验组(C1与C2)采用χ2检验。P≤0．05为差异有统计学意义。

结 果

1 力学测试

1.1 在抗拉力实验中，随着载荷的增大，当骨水泥被拉出或骨水泥-骨界面发生松动时各组载荷分别是:A1组(2．17±0．10)KN，A2组(1．81±0．08)KN(表1)。根据配对t检验统计结果，按照α=0．05的检验水准，两组比较差异具有统计学意义(t=6．595，P=0．001)(表2)。

1.2 在抗压力实验中，随着载荷的增大，当骨水泥被压缩或骨水泥-骨界面发生松动时各组载荷分别是:B1组(3．25±0．08)KN，B2组(2．85±0．12)KN(表3)。根据配对t检验统计结果，同理，B1与B2具有统计学意义(t=5．381，P=0．003)(表4)。

1.3 抗拉力、抗压力配对t检验两两配对见表5。即在干燥髓腔环境的情况下，骨水泥-骨界面抗拉力和抗压力的强度明显大于非干燥情况下，说明干燥的髓腔环境能够增强骨水泥-骨界面的结合强度。

表1 A1、A2两组标本能承受的最大拉力值(KN)

表2 抗拉力实验数据的配对t检验表

表3 B1、B2两组标本能承受的最大压力值(KN)

表4 抗拉力实验数据的配对t检验表

表5 抗拉力、抗压力配对t检验两两配对表

2 影像学测试

髓腔相对干燥组的CT断层片上可见骨水泥截面与骨小梁之间大多数都嵌合紧密。骨水泥在骨髓腔内充填均匀，骨水泥向骨小梁间弥散好，但是随着截面往近端靠近时会出现少量低密度带，可能与髓腔内骨水泥从远端至近端受到的压力梯度逐渐减小有关。对照组的CT断层片上可见骨水泥截面与骨小梁之间结合稍差。低密度带较多，其低密度带明显较实验组的宽。实验组结合紧密者为83个，非结合者为13个，其结合率为86．46%。对照组结合紧密者为64个，非结合者为32个，结合率为66．67%(表6)。根据χ2检验计算公式求得χ2=10．478，P＜0．01，二者具有显著差异性。

表6 实验组C1与对照组C2结合数/结合率

3 大体标本观察

实验组骨水泥柱表面干净，有大量细小突起，骨小梁表面清洁，有大量与骨水泥结合的骨小梁孔。对照组骨水泥表面呈暗红色，细小突起少，骨小梁孔较少且表面被一层膜所覆盖。

讨 论

人工关节置换术假体固定分为骨水泥固定和生物学固定两大类，骨水泥固定具有术后早期固定牢靠等特点，目前在临床上大量应用。在关节假体髓内固定中骨水泥主要通过机械交锁作用提供良好的假体稳定性［3］。临床回顾性分析表明，造成骨水泥固定假体后期发生无菌性松动的主要原因是骨水泥-骨界面嵌合强度不够［4］。而骨水泥-骨界面接合失败主要是骨水泥-骨界面微动增加使骨水泥-骨界面分离，导致骨水泥碎裂产生磨屑，并进入骨水泥-骨界面的缘故［5］。如何在早期就增加骨水泥-骨界面的稳定性，研究人员主要尝试通过改进骨水泥的治疗;骨水泥搅拌技术革新;创造良好的髓腔环境等提升效果。宋烜赫等［6］通过使用高压脉冲冲洗骨髓腔，结果表明高压脉冲冲洗加刷洗可显著增强骨水泥-骨界面的结合强度。说明骨髓腔比骨水泥更能影响骨水泥-骨界面的嵌合能力。

本研究在抗拉力及抗压力实验中，随着载荷的增大，当骨水泥被拉出或骨水泥-骨界面发生松动时各组载荷分别是:A1组(2．17±0．10)KN，A2组(1．81±0．08)KN，B1组(3．22±0．08)KN，B2组(2．85±0．12)KN，根据配对t检验统计结果，按照α=0．05的检验水准，抗拉力组与抗压力组皆具有统计学意义(P＜0．05)。即在相对干燥髓腔环境的情况下形成的骨水泥-骨界面抗拉力和抗压力的强度明显大于非干燥情况下，说明干燥的髓腔环境能够增强骨水泥-骨界面的结合强度。由于骨髓腔经干燥后骨髓腔中渗血明显减少，在骨髓腔骨小梁表面形成的荚膜减少，骨小梁与骨水泥结合数量和面积增加，造成了本实验实验组与对照组在力学测试上的显著差异。同时，骨水泥-骨界面结合强度的增强，一个稳定封闭的界面便在此形成，从而可以阻止某些物质如引起炎性反应、骨溶解和骨松动的磨损颗粒、炎性细胞和细胞因子进入骨-骨水泥界面，炎性反应、免疫反应和溶骨反应均得到有效的抑制，从而减少了关节置换术后松动的发生率。另外，髓腔相对干燥组的CT横扫片上可见骨水泥截面与骨小梁之间大多数都嵌合紧密。骨水泥在骨髓腔内充填均匀，骨水泥向骨小梁间填充侵润良好;对照组的CT横截面上可见骨水泥与骨小梁之间结合稍差。低密度带较多，其低密度带明显较实验组的宽。二者具有显著差异性，即干燥的髓腔环境可以增加骨水泥-骨界面的微锁程度，增强骨水泥-骨界面的稳定性及强度。

［1］杨述华，邱贵兴．关节置换外科学［M］．北京:清华大学出社，2005:50．

［2］Barrack RL，Mulroy RD Jr，Harris WH．Improved cementing techniques and femoral component loosening in young patients with hip arthroplasty:a 12-year radiographic review［J］．JBone Joint Surg(Br)，1992，74(3):385-389．

［3］Charnley J．Anchorage of the femoral head prostbesis to the shaft of the femur［J］．J Bone Joint Surg(Br)，1960，42(1):28-30．

［4］王毅，同峰，末殿臣，等．骨水泥振动器的研制及其对骨水泥骨界面影响的实验研究［J］．中华外科杂志，2008，46(6):431-433．

［5］Schrnalzried TP，Maloney WJ，Jasty M，et al．Autopsy studies of the bonecement interface in well-fixed cemented total hip arthroplasties［J］．J Arthroplasty，1993，8(2):179-188．

［6］宋烜赫，张波，步万庶，等．骨髓腔冲刷对骨水泥-骨界面结合强度的影响［J］．哈尔滨医科大学学报，2003，37(3):242-246．