负载抗结核药物骨水泥生物力学实验研究

余涌杰 赖 震 费 骏 胡胜平

晚期关节结核严重影响患者生活质量，随着关节置换技术的发展，越来越多的学者尝试将关节置换术用于治疗关节结核[1-3]。如何降低关节置换术后结核的复发具有重要的临床意义。研究发现，在水泥中混入抗结核药物是提高结核病灶局部药物浓度的有效方法[4]，然而随着药量的增加，骨水泥颗粒周围药物层增加，影响骨水泥的生物力学性能。本研究将一线抗结核药物分别按不同剂量加入骨水泥中，观察其对材料生物力学性能的影响，报道如下。

1 材料与方法

1.1 实验材料 利福平胶囊（浙江医药股份有限公司新昌制药厂，规格：0.15g，批号180406），乙胺丁醇片（杭州民生药业有限公司，规格：0.25g，批号T18K004），异烟肼片（杭州民生药业有限公司，规格：0.1g，批号T18H044），吡嗪酰胺胶囊（沈阳红旗制药有限公司，规格：0.25g，批号1810061），骨水泥（德国Heraeus 公司，批号8814786）。

1.2 方 法

1.2.1 实验分组 以无载药的骨水泥作为对照组，根据负载药物剂量的不同将载药骨水泥分为R1 组予负载0.75g 利福平，R2 组予负载1.5g 利福平，R3组予负载2.25g 利福平，H1 组予负载0.3g 异烟肼，H2 组予负载0.6g 异烟肼，H3 组予负载0.9g 异烟肼，E1 组予负载0.75g 乙胺丁醇，E2 组予负载1.5g 乙胺丁醇，E3 组予负载2.25g 乙胺丁醇，Z1 组予负载1.5g吡嗪酰胺，Z2 组予负载3.0g 吡嗪酰胺，Z3 组予负载4.5g 吡嗪酰胺，每组6 个，共制成78 个试验样品。

1.2.2 负载抗结核药骨水泥样品制作 将40g 骨水泥分别与不同剂量的利福平、异烟肼、乙胺丁醇、吡嗪酰胺，在无菌条件下真空搅拌，并加入骨水泥单体15mL，制成直径6mm、厚度3mm 的矮圆柱体实验样品，每组各制6 个。

1.2.3 负载药物骨水泥生物力学性能测定（1）骨水泥压缩强度测定：测定每组骨水泥圆柱体的直径，并记录；实验开始前，将模具、盖板混合实验装置和骨水泥在（23±1）℃环境中放置16h，并且在该温度环境下进行实验；将圆柱体置于实验机上，圆柱体和实验机之间不放任何衬垫；开动实验机速度为20～25.4mm/min，作出形变一负载曲线，当圆柱体破裂或通过上屈服点时停机；对于每个圆柱体，记录引起破裂的力或2%屈服负载或上屈服点负载，将该力除以圆柱体原始横截面积，所得的商即为压缩强度。（2）骨水泥弯曲强度和弯曲模量测定：将骨水泥对称置于三点弯曲实验装置上，开动弯曲试验机，取横梁速度为（5±1）mm/min，记录作为受力函数的板条中心偏离，不断增加力直至实验板条断裂，记录15N 和50N时发生的偏离，并记录断裂时的力。通过杨氏模量表式计算弯曲强度及弯曲模量[4]。

1.2.4 统计学方法 应用SPSS 22.0 统计程序包（SPSS 公司，美国），计量数据以均数±标准差（）表示，多组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD-t 检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 骨水泥压缩强度测定 载药骨水泥压缩强度较标准骨水泥均有不同程度的降低，载药量越大压缩强度降低越明显。与对照组比较，低剂量载药组（R1组、H1 组、E1 组、Z1 组）和中剂量载药组（R2 组、H2组、E2 组、Z2 组）压缩强度差异无统计学意义（P＞0.05），高剂量载药组（R3 组、H3 组、E3 组、Z3 组）压缩强度降低，差异有统计学意义（P 均＜0.05）。见表1。

2.2 抗结核药物对骨水泥弯曲强度和弯曲模量影响结果 载药骨水泥的弯曲强度和弯曲模量较对照组标准骨水泥均有不同程度的降低，随着载药量越大弯曲强度和弯曲模量降低越明显。与对照组比较，低剂量载药组（R1 组、H1 组、E1 组、Z1 组）弯曲强度和弯曲模量，差异无统计学意义（P＞0.05），中剂量载药组（R2 组、H2 组、E2 组、Z2 组）和高剂量载药组（R3组、H3 组、E3 组、Z3 组）弯曲强度和弯曲模量降低，差异有统计学意义（P 均＜0.05）。见表1。

3 讨论

骨关节结核的治疗过程中，抗结核药物很难在病灶局部达到有效浓度[5]，常导致术后假体松动，甚至脱位，严重影响术后疗效。研究显示，在骨关节结核病灶中，病灶周围的硬化骨会阻碍抗结核药物向病灶渗透，血液和病灶外围健康组织中的结核药物不能充分扩散到患者结核病灶脓肿和干酪组织坏死中，因此在病灶部位填充一定的生物材料，填充材料可在局部长期缓慢释放抗结核药物，提高疗效[6-8]。载抗结核药骨水泥在人工关节置换治疗关节结核中的应用逐渐得到重视。将抗结核药加入到骨水泥中制成载抗结核药骨水泥，在临床使用中能达到固定人工假体、填补骨质缺损部位和持续释放抗结核药的多重效果[9]。载药骨水泥可以使抗结核药物在结核病灶局部缓慢释放，达到长时间维持有效浓度的效果，提高抗结核效果。

表1 各组抗结核药物对骨水泥压缩强度、弯曲强度和弯曲模量的影响（Mpa，）

表1 各组抗结核药物对骨水泥压缩强度、弯曲强度和弯曲模量的影响（Mpa，）

注：R1～R3 组分别为负载0.75g、1.5g、2.25g 利福平骨水泥；H1～H3 组分别为负载0.3g、0.6g、0.9g 异烟肼骨水泥；E1～E3 组分别为负载0.75g、1.5g、2.25g 乙胺丁醇骨水泥；Z1～Z3 组分别为负载1.5g、3.0g、4.5g 吡嗪酰胺骨水泥；与对照组比较，aP＜0.05

研究显示，载药骨水泥中的药物会导致骨水泥黏度降低，骨水泥凝固成团时间延长甚至成团困难，从而改变骨水泥生物力学特性，降低骨水泥机械强度影响临床使用[10]。研究发现，由于在搅拌不同物质时，不能完全确保均匀混合，而且在实际操作时个人的状态、习惯也有差异，对载药骨水泥力学强度造成一定影响[11]。骨水泥凝固过程中，药物的逐渐释放也会留下许多细小孔隙，对骨水泥的生物力学性能产生影响。本实验研究发现，骨水泥中载入低剂量的抗结核药物不会对骨水泥的力学性能产生明显的影响。低剂量载药组（R1 组、H1 组、E1 组、Z1 组）与对照组比较，压缩强度、弯曲强度和弯曲模量差异均无统计学意义（P＞0.05）。随着添加抗结核药物剂量的增加，骨水泥的压缩强度、弯曲强度和弯曲模量逐渐减少。但压缩强度减少的程度低，中剂量载药组（R2组、H2 组、E2 组、Z2 组）与对照组相比较差异无统计学意义（P＞0.05），而弯曲强度和弯曲模量减少的程度快，中剂量载药组（R2 组、H2 组、E2 组、Z2 组）与对照组相比较差异有统计学意义（P＜0.05），高剂量载药组（R3 组、H3 组、E3 组、Z3 组）压缩强度、弯曲强度和弯曲模量与对照组相比较差异有统计学意义（P＜0.05）。这可能是因为抗结核药物增加骨水泥凝固过程中的孔隙率，凝固过程中随着骨水泥中抗结核药物的释放，势必会在骨水泥中留下很多细小的空隙，抗结核药物载入越多，残留孔隙越大，生物力学强度下降越明显。采用现代骨水泥技术将抗结核药与骨水泥在真空无菌条件下混合，可最大限度降低负载抗结核药物对骨水泥的影响。本实验采用的真空搅拌技术成熟，能够降低实际操作差异对载药骨水泥力学强度的影响，使抗结核药与骨水泥粉剂充分搅拌，避免了成团的抗结核药析出后在骨水泥中留下较大的孔隙，从而降低对骨水泥的力学性能的影响。

本实验结果显示，载抗结核药物会影响骨水泥生物力学特性，降低骨水泥机械强度，载药越多影响越明显。临床使用时需根据实际要求选择载入抗结核药药量，不能盲目增加载药剂量。目前本研究结果仅限于体外实验，不能代表其体内特性，临床使用效果仍需进一步研究确定。