骨水泥强化力学结构防治股骨头坏死塌陷的实验研究进展

股骨头坏死好发于中青年人[1-2]，未经有效治疗，多数患者将在1～4年内出现股骨头塌陷[3]。约80%的患者会因股骨头塌陷而需行全髋关节置换术。约87%的股骨头从塌陷至需行人工全髋关节置换术的间隔时间为24个月[4]。目前，全髋关节置换对中青年的中长期疗效仍难预料[5]，保留股骨头仍是目前治疗的主要方法，理想的保留股骨头的治疗方法应该是既能有效改善股骨头的血液供应，促进坏死骨的修复，又能改善股骨头的力学性能，防止股骨头塌陷[6]。

股骨头坏死后骨量减少，承载应力后顺应性下降使股骨头的机械强度减弱[7]。软骨下骨的生物力学强度在股骨头塌陷时下降较松质骨显著，与股骨头塌陷关系密切[8]。Kim[9]对坏死股骨头软骨下骨和中部松质骨分别做力学测试，证明负重区软骨下骨力学性能降低与股骨头塌陷有直接的关系。随着软骨下骨板力学性能的下降，软骨下骨受到更大的应力并随着软骨下骨板的断裂而塌陷。股骨头坏死保留股骨头手术治疗的主要目的是防止股骨头软骨下骨塌陷既停止或延缓关节变性过程。因此，股骨头坏死的治疗，不仅要加快骨缺损的修复，而且更主要的是恢复股骨头的力学性能，才能达到较好的治疗效果。近年来有作者报道，采用骨水泥强化力学结构防治股骨头坏死后塌陷，取得了较满意的疗效。

1 实验研究

1.1骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯，Polymethylmethacrylate， PMMA）填充法 骨水泥单体混合后可通过经皮穿刺注射法，或股骨头颈交界处钻孔填充法达到股骨头强化效果。何志军等[10]，对20只大白兔40个股骨头用注射盐酸及激素制模建立股骨头坏死模型，摄片观察15只21个股骨头出现囊变及塌陷改变，将其随机分3组，第1组5个股骨头作病理切片检查，第2组8个股骨头做骨水泥经皮注射，第3组8个股骨头作为对照，将2、3组进行压力负荷实验。结果PMMA注射组股骨头压力负荷较对照组明显提高。刘志国等[11]，将60只中国白兔，随机分为4组，除A组为正常组其余3组在股骨头颈交界处钻孔造成股骨头缺损，并加用95%酒精30min灌注造成股骨头缺损模型。B组股骨头作为自然修复对照。c组股骨头造成缺损酒精填充后填充骨水泥。D组股骨头造成股骨头缺损酒精填充后填充造影剂骨水泥。四组动物于术后12w处死，立即取股骨头标本观察关节软骨性状。然后分别行病理学检查及生物力学测试。结果显示骨水泥组和造影剂骨水泥组股骨头外形始终保持完整无变形，软骨厚度较自然修复者厚，抗压强度和刚度均高于自然修复组，骨水泥组刚度最强。

1.2 羟基磷灰石骨水泥（hydroxyapatite methylmethacrylate cement）填充法 通过股骨头颈交界处钻孔法清除股骨头内死骨，将羟基磷灰石颗粒以35%的重量比例与骨水泥调和，待骨水泥至面团期时，再置适量羟基磷灰石颗粒于调制好的骨水泥团表面，填入股骨头内达到强化效果。Dong Tianhua等[12]，用冷冻法制作狗的股骨头坏死的动物模型，于术后1个月即修复期分别用带肌蒂髂骨、游离腓骨、羟基磷灰石骨水泥植入股骨头来评价不同手术方法的疗效。实验结果表明羟基磷灰石骨水泥植入3个月后股骨头外形良好，无囊性变，植入物与周围骨组织紧密结合，界面无松动。荧光显微镜观察可见新生骨能越过界面长入羟基磷灰石的粒隙内，使植入物与受区骨之间形成生物学结合。

1.3 磷酸钙骨水泥（Calcium phosphate cement ，CPC）复合物填充法 通过经皮穿刺注射法，股骨头活门法或股骨头颈交界处钻孔法，将CPC复合物填充于股骨头内达到强化作用。侯昌龙等[13-14]，对20头猪以真丝线段微绒毛行股骨头供血动脉栓塞，建立ANFH动物模型。对ANFH FicatⅡ期模型行经皮穿刺骨水泥注射治疗并与对照组作影像及病理对照研究，结果表明对Ficat Ⅱ期病变可以有效地阻止病变进展，防治其塌陷。康鹏德等[15]，对20只犬单侧股骨头用活门法（Trapdoor）造骨缺损模型并将对侧作对照，通过活门在骨缺损区A组植入磷酸钙骨水泥/rhBMP-2；B组植人多孔磷酸钙骨水泥；C组缺损区不做处理。回植活门区软骨瓣与骨关节面平齐。16w后进行组织标本观察、组织学检查、生物力学测试。结果：A组，关节面光滑，无活门区软骨瓣塌陷，活门区软骨瓣色泽与周围关节软骨相近，缺损区磷酸钙骨水泥几乎完全吸收由新生骨组织替代，力学强度明显高于B、C组；结论为多孔磷酸钙骨水泥/rhBMP-2能明显加快股骨头软骨下骨缺损的修复并有效地恢复股骨头的力学性能。苏云等[16]，用24只兔单侧股骨头钻孔酒精纱布填塞造模，12只用CPC/BMP复合材料填充，另12只用CPC填充，术后3、12w分批处死动物，每组每次处死6只。通过大体观察、X线摄片、HE染色、透射电镜等手段观察新骨形成和材料降解情况。综合评价CPC/BMP复合材料对ANFH骨缺损的修复能力。结果表明：CPC是BMP的理想载体，CPC/BMP复合材料具有较强的传导成骨和诱导成骨活性，对实验性ANFH具有修复作用。在降解速度上CPC/BMP组明显快于单纯CPC组。有作者[17-18]，应用CPC/复方丹参系统植入兔股骨头坏死模型中，与CPC、自体骨颗粒对比研究，认为CPC-丹参缓释系统通过中药的局部缓释，可促进VEGF等细胞因子的分泌刺激血管内皮的增殖、分化，促进血管的生长和修复，从而改善、重建股骨头局部微循环，促进骨坏死修复。

1.4 骨水泥填充对关节软骨面的影响 植入骨水泥的力学特性与松质骨不同，长期应用是否会引起股骨头部分的应力集中，从而进一步引起关节软骨的损伤是临床关心的问题。薛文等用三维有限元方法对CPC和PMMA填充治疗成人股骨头坏死的力学改变进行对比分析。结果：填充CPC初期的股骨头表面最大塌陷值（0.3162mm）较正常股骨头减少，但减少幅度小于填充PMMA（0.3126mm）。填充CPC吸收稳定后股骨头的表面最大塌陷值（0.3264mm）较正常股骨头增大，但小于坏死股骨头的改变。结论：植入不同骨水泥后对于股骨头表面软骨的影响来讲，CPC对于股骨头形变的影响较PMMA为小，长期对于软骨的损伤要小。结合其可吸收性及与多种促骨应子复合等诸多优点，在临床应用中更适合作为填充材料来使用。

2 小结

目前用于实验研究的材料有：骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯，Polymethylmethacrylate， PMMA），羟基磷灰石骨水泥（hydroxyapatite methylmethacrylate cement），磷酸钙骨水泥（Calcium phosphate cement ，CPC）复合物。实验动物有：兔，犬，猪。股骨头坏死造模方法有：动脉栓塞法，注射盐酸及激素法，冷冻法，活门法（Trapdoor），钻孔酒精纱布填塞法。植入物充填方法有：经皮穿刺注射法，活门法，股骨头颈交界处钻孔填充法。作为填充治疗材料，CPC较PMMA更为合适。PMMA的刚度及强度均较CPC大，植入后不可吸收，能够保持植入初期的刚度及强度，但由于形变小，可能带来软骨损伤。CPC为可吸收材料，植入后经过吸收，其刚度及强度还有一定的下降，但其可以与多种促骨修复因子复合，加强坏死区的骨重建。随着CPC的吸收，其刚度及强度的下降，产生的形变较正常股骨头为大，但也明显小于坏死时的改变情况，提示临床在改进CPC时应该考虑增大其吸收稳定后的刚度及强度，也就是缩小CPC最初与最终的刚度及强度的差值。

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