同种异体皮质骨移植的生物力学研究
作者：汤亭亭 戴 戎 顾冬云
单位：200011 上海第二医科大学附属第九人民医院骨科
关键词：骨移植；移植，同种；生物力学
中华外科杂志/980507 【摘要】 目的 探讨不同力学环境下同种异体皮质骨的生物力学性能变化。方法 以40只家兔前肢尺骨中段骨移植后造成不同受力状态的动物模型，左前肢承受正常生理载荷，右前肢承受低载荷，对植骨区标本进行三点弯曲破坏载荷、骨密度值、骨孔隙率的测试。结果 同种异体皮质骨植入后，移植骨-宿主骨界面间的连接强度持续上升，而移植骨自身的生物力学性能呈较快下降再缓慢上升的趋势；从骨移植后第8周开始，正常载荷侧的移植骨-宿主骨界面间的连接强度明显高于低载荷侧，到第16周时，正常载荷侧移植骨自身的生物力学强度改善也更为明显。结论 同种异体皮质骨植入以后的生物力学性能呈较快下降再缓慢上升的趋势；生理载荷的刺激有利于同种异体皮质骨生物力学性能的恢复与改善。
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Incorporation of cortical allograft:a biomechanical study Tang Tingting，Dai Kerong，Gu Dongyun.Department of Orthopaedics,Ninth People′s Hospital,Shanghai Second Medical University,Shanghai 200011.
【Abstract】 Objective To explore the changes of biomechanmical properties of cortical allograft in different mechanical environments. Method Cortical allograft was transplanted to each side of the midshaft diaphyseal ulnar of 40 rabbits.The left transplanted allograft underwent normal physiological load,while the right underwent lower load. Animals were killed and specimens taken for examination of bone mineral density, bone porosity and maximal three-point-bend breaking load. Result The union strength of allograft-host bone junction increased constantly,while the internal creeping substitution led to an initial greater weakening of the cortical allograft itself and the later recovery of its strength.In comparison, the union strength of the normally loaded graft-host surface was significantly higher than that of the lower loaded side at eight and sixteen weeks after transplantation.At the sixteenth week,there was greater bone strength in normally loaded graft than that in less loaded graft. Conclusion The internal repair would lead to initial greater weakening of cortical allograft and the later gradual recovery of its strength.The effect of physiological load can accelerate the improvement of the biomechanical properties of allograft.
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【Key words】 Bone transplantation Transplantation,homologous Biomechanics
临床上，进行同种异体皮质骨移植的目的一般为提供结构上的支持。移植后的同种异体骨在特定的生物力学环境中承受复杂的载荷，有些移植骨在术后早期就承受较高的载荷。我们利用骨移植后处于不同受力状态的动物模型，对同种异体皮质骨移植后的力学性能变化进行了观察。
材料与方法
一、同种异体皮质骨的制备
在无菌条件下从健康成年新西兰大白兔的尺桡骨处取材，用线锯锯成长1.0 cm的皮质骨，经清洗骨髓脱脂后放入真空冷冻干燥机(美国Virtis公司)内处理(最低温度-60℃，残余湿度5%以下)。取出后真空包装，γ射线照射后备用[1]。
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二、模型制备及观察指标
1.模型制备：成年新西兰兔40只，2.5%戊巴比妥钠耳缘静脉麻醉。前肢纵切口，骨膜部分剥离后用咬骨钳在尺骨中段造成一个1.0 cm的完全缺损，植入同种异体皮质骨块。并在尺骨上下段各穿入一根克氏针，两端咬平后骨水泥固定，组成一简易外固定支架。在右侧同样植骨后，尺骨上下端克氏针贯穿后拔出(假性手术)，不作外固定。
2.观察指标:
(1)骨密度测定：分别于术后2、4、8、16周每次处死5只兔，取出尺骨，上端在植骨块以上0.5 cm处，下端在植骨块以下0.5 cm处分别锯断，获得长2.0 cm的标本。利用Hologic QDR-2000型双能X线仪检测样本单位面积骨矿物含量。扫描速度60 mm/s，分辨率1.0 mm×1.0 mm，扫描范围为整个样本。
(2)生物力学性能测试：上述标本骨密度测试完毕后，置于岛津材料试验机上进行三点弯曲试验。加载点位于样本中段，两侧支点间跨距1.5 cm，加载速度1 mm/min，描记载荷一变形曲线，记录最大破坏载荷(N)。
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(3)骨孔隙率观测：分别于术后2、4、8、16周每次处死5只兔，取出尺骨后上端在植骨块以上0.5 cm处，下端在植骨块中段锯断。样本长1 cm，经75%乙醇固定，梯度乙醇逐级脱水后甲基丙烯酸甲酯(PMMA)包埋，Polycut S型硬组织切片机纵向切片(50 μm)，在普通光学显微镜下观察，并应用VIDAS自动图像分析系统计测骨的孔隙率[2]。
3.统计学处理：利用t检验方法对两组间数据进行比较。
结 果
1.单位面积内骨矿物含量(BMD)：实验过程中没有发现植入皮质骨的塌陷。同种异体皮质骨植入后，植骨区BMD值逐渐下降，到第8周时，BMD值降到最低值，而到第16周后，数值又逐渐回升(图1)。统计学结果显示:第16周时，正常载荷侧BMD值明显高于低载荷侧，两者间差异有显著性意义(P<0.05)。
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图1 骨矿化物含量变化示意图
2.最大三点弯曲破坏载荷(N)：同种异体皮质骨植入后，两侧植骨区的最大三点弯曲破坏载荷均逐渐上升，而以第4～8周之间上升较快。第8周后，正常载荷侧破坏载荷明显高于低载荷侧(图2)。统计学结果显示：两者间差异有显著性意义(均为P<0.05)。
测试时观察发现：植骨区标本承受三点弯曲载
图2 植骨区最大三点弯曲破坏载荷变化示意图
荷时，第2、第4周时的断裂部位均发生在宿主骨-移植骨界面处，而到第8周时，已有部分断裂发生在移植骨本身。到第16周时，几乎全部断裂均发生在移植骨本身。提示宿主骨-移植骨间的接合强度随时间的增加而不断提高。
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3.骨孔隙率测定：在第2～8周时，孔隙率逐渐上升，到第8周时达到最高值。此后孔隙率呈下降趋势,尤以正常载荷侧为明显(图3)。两侧比较，第16周时，正常载荷侧的孔隙率已明显低于低载荷侧，差异有极显著性意义(P<0.01)。
图3 植入皮质骨内部骨孔隙率变化示意图
讨 论
1.在充填大块骨缺损时，移植同种异体皮质骨的目的是要重建骨的连续性，这时临床移植手术的成功取决于这些移植骨的生物力学性能以及它们适应新的力学环境的能力。根据我们的实验结果，从骨孔隙率、骨密度和三点弯曲破坏载荷的变化趋势分析，同种异体皮质骨植入后，其力学强度逐渐降低，到第8周时达最低点，然后再缓慢回升。这种变化是和同种异体皮质骨移植后的生物学变化过程密切相关的。一般认为[3，4]，同种异体皮质骨植入后，创伤反应和异物刺激触发了宿主的修复机制，首先是单核-巨噬细胞系统来源的破骨细胞出现，在骨内形成大量的吸收腔，皮质骨的边缘也被侵蚀，这时也开始有成骨细胞在吸收腔表面呈贴覆性生长。但比较而言，破骨细胞的活动占据优势，导致骨的孔隙率逐渐升高，骨密度值逐渐下降。当骨内的吸收腔扩大到一定程度，破骨细胞活动逐渐减弱，成骨细胞活动增强，骨形成阶段开始，大量新骨沉积在吸收腔的周围，降低了骨的孔隙率，增加了骨密度值。相应的，移植骨的力学强度逐渐回复。
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2.构成移植骨-宿主骨复合体力学强度的要素除移植骨自身的力学性能外，还有移植骨-宿主骨界面间的连接强度。有报告指出：宿主骨-移植骨界面间的连接同骨折愈合的过程一样，即随着界面处骨基质形成和矿化沉积，其连接强度迅速提高[5]。我们的实验发现：骨植入后早期(2～4周)，整个复合体的力学薄弱点在移植骨-宿主骨界面处，这个阶段的标本在进行三点弯曲测试时，断裂均发生在界面处。而到第8周时，界面间的连接强度已上升到较高程度。相反，移植骨自身由于内部旧骨的吸收与被替代，其生物力学性能下降到最低点。这时，整个复合体结构的力学薄弱点是移植骨本身，所以这个阶段(8～16周)的标本承受三点弯曲载荷时，断裂大多发生在移植骨中段。
3.对正常载荷侧与低载荷侧的比较分析发现，生理载荷的刺激可以增强植骨区的力学强度。对于宿主骨-移植骨界面间连接强度来说，两侧的区别出现得较早(第8周)；而移植骨自身的生物力学性能，两侧之间到第16周才出现区别。其原因主要是同种异体皮质骨内部的修复较慢，在2～8周期间，其内部处在骨吸收阶段，新骨的形成较少，移植骨基本上是一个死骨的框架，类似一种生物惰性材料，难以对应力起反应[3]；而到后期，移植骨内部新骨替代的比例逐渐增大，血管化也比较完全，这时它就能适应新的力学环境的要求进行自身的改建[6]。
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4.由于同种异体皮质骨的力学强度在修复过程中会受到较大的削弱，因此临床上同种异体皮质骨植入骨干部位承受较大载荷时，需要有稳妥的内固定的保护，以防止骨折的发生。在我们的动物实验中，移植皮质骨力学强度最薄弱的时间是术后8周，但这随着移植骨大小的不同及宿主床的血运状况而异，难以确定对临床上有用的参照日期。另一方面，正常生理载荷的刺激却有利于同种异体皮质骨修复过程中生物力学性能的改善与提高。因此，在进行同种异体皮质骨移植时，需要根据移植骨所处的不同力学环境,既控制超过正常生理范围的应力出现，防止疲劳骨折的发生，又尽量有效地利用生理应力的刺激，促使移植骨更好地塑形以适应新的力学环境的要求。
参 考 文 献
1戴 戎，裘世静.无机骨粒骨水泥的实验研究.中华外科杂志，1989，27:309-311.
2裘世静，戴 戎.接骨板内固定诱发早期骨质疏松的定量组织学研究.中华医学杂志，1989,69:496-498.
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3Burchardt H.Biology of bone transplantation.Orthop Clin North Am，1987，18:187-196.
4Enneking WF,Burchardt H,Pukl JJ,et al.Physical biological aspects of repair in dog cortical-bone transplants. J Bone Joint Surg，1975，57A: 237-252.
5Richardt RP, Gary EF. Biomechanical aspects of bone autografts and allografts. Orthop Clin Orthop Am，1987，18:235-239.
6Friedlaender GE. Current concepts review: bone grafts.J Bone Joint Surg，1987，69A:786-790., http://www.100md.com
单位：200011 上海第二医科大学附属第九人民医院骨科
关键词：骨移植；移植，同种；生物力学
中华外科杂志/980507 【摘要】 目的 探讨不同力学环境下同种异体皮质骨的生物力学性能变化。方法 以40只家兔前肢尺骨中段骨移植后造成不同受力状态的动物模型，左前肢承受正常生理载荷，右前肢承受低载荷，对植骨区标本进行三点弯曲破坏载荷、骨密度值、骨孔隙率的测试。结果 同种异体皮质骨植入后，移植骨-宿主骨界面间的连接强度持续上升，而移植骨自身的生物力学性能呈较快下降再缓慢上升的趋势；从骨移植后第8周开始，正常载荷侧的移植骨-宿主骨界面间的连接强度明显高于低载荷侧，到第16周时，正常载荷侧移植骨自身的生物力学强度改善也更为明显。结论 同种异体皮质骨植入以后的生物力学性能呈较快下降再缓慢上升的趋势；生理载荷的刺激有利于同种异体皮质骨生物力学性能的恢复与改善。
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Incorporation of cortical allograft:a biomechanical study Tang Tingting，Dai Kerong，Gu Dongyun.Department of Orthopaedics,Ninth People′s Hospital,Shanghai Second Medical University,Shanghai 200011.
【Abstract】 Objective To explore the changes of biomechanmical properties of cortical allograft in different mechanical environments. Method Cortical allograft was transplanted to each side of the midshaft diaphyseal ulnar of 40 rabbits.The left transplanted allograft underwent normal physiological load,while the right underwent lower load. Animals were killed and specimens taken for examination of bone mineral density, bone porosity and maximal three-point-bend breaking load. Result The union strength of allograft-host bone junction increased constantly,while the internal creeping substitution led to an initial greater weakening of the cortical allograft itself and the later recovery of its strength.In comparison, the union strength of the normally loaded graft-host surface was significantly higher than that of the lower loaded side at eight and sixteen weeks after transplantation.At the sixteenth week,there was greater bone strength in normally loaded graft than that in less loaded graft. Conclusion The internal repair would lead to initial greater weakening of cortical allograft and the later gradual recovery of its strength.The effect of physiological load can accelerate the improvement of the biomechanical properties of allograft.
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【Key words】 Bone transplantation Transplantation,homologous Biomechanics
临床上，进行同种异体皮质骨移植的目的一般为提供结构上的支持。移植后的同种异体骨在特定的生物力学环境中承受复杂的载荷，有些移植骨在术后早期就承受较高的载荷。我们利用骨移植后处于不同受力状态的动物模型，对同种异体皮质骨移植后的力学性能变化进行了观察。
材料与方法
一、同种异体皮质骨的制备
在无菌条件下从健康成年新西兰大白兔的尺桡骨处取材，用线锯锯成长1.0 cm的皮质骨，经清洗骨髓脱脂后放入真空冷冻干燥机(美国Virtis公司)内处理(最低温度-60℃，残余湿度5%以下)。取出后真空包装，γ射线照射后备用[1]。
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二、模型制备及观察指标
1.模型制备：成年新西兰兔40只，2.5%戊巴比妥钠耳缘静脉麻醉。前肢纵切口，骨膜部分剥离后用咬骨钳在尺骨中段造成一个1.0 cm的完全缺损，植入同种异体皮质骨块。并在尺骨上下段各穿入一根克氏针，两端咬平后骨水泥固定，组成一简易外固定支架。在右侧同样植骨后，尺骨上下端克氏针贯穿后拔出(假性手术)，不作外固定。
2.观察指标:
(1)骨密度测定：分别于术后2、4、8、16周每次处死5只兔，取出尺骨，上端在植骨块以上0.5 cm处，下端在植骨块以下0.5 cm处分别锯断，获得长2.0 cm的标本。利用Hologic QDR-2000型双能X线仪检测样本单位面积骨矿物含量。扫描速度60 mm/s，分辨率1.0 mm×1.0 mm，扫描范围为整个样本。
(2)生物力学性能测试：上述标本骨密度测试完毕后，置于岛津材料试验机上进行三点弯曲试验。加载点位于样本中段，两侧支点间跨距1.5 cm，加载速度1 mm/min，描记载荷一变形曲线，记录最大破坏载荷(N)。
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(3)骨孔隙率观测：分别于术后2、4、8、16周每次处死5只兔，取出尺骨后上端在植骨块以上0.5 cm处，下端在植骨块中段锯断。样本长1 cm，经75%乙醇固定，梯度乙醇逐级脱水后甲基丙烯酸甲酯(PMMA)包埋，Polycut S型硬组织切片机纵向切片(50 μm)，在普通光学显微镜下观察，并应用VIDAS自动图像分析系统计测骨的孔隙率[2]。
3.统计学处理：利用t检验方法对两组间数据进行比较。
结 果
1.单位面积内骨矿物含量(BMD)：实验过程中没有发现植入皮质骨的塌陷。同种异体皮质骨植入后，植骨区BMD值逐渐下降，到第8周时，BMD值降到最低值，而到第16周后，数值又逐渐回升(图1)。统计学结果显示:第16周时，正常载荷侧BMD值明显高于低载荷侧，两者间差异有显著性意义(P<0.05)。
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图1 骨矿化物含量变化示意图
2.最大三点弯曲破坏载荷(N)：同种异体皮质骨植入后，两侧植骨区的最大三点弯曲破坏载荷均逐渐上升，而以第4～8周之间上升较快。第8周后，正常载荷侧破坏载荷明显高于低载荷侧(图2)。统计学结果显示：两者间差异有显著性意义(均为P<0.05)。
测试时观察发现：植骨区标本承受三点弯曲载
图2 植骨区最大三点弯曲破坏载荷变化示意图
荷时，第2、第4周时的断裂部位均发生在宿主骨-移植骨界面处，而到第8周时，已有部分断裂发生在移植骨本身。到第16周时，几乎全部断裂均发生在移植骨本身。提示宿主骨-移植骨间的接合强度随时间的增加而不断提高。
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3.骨孔隙率测定：在第2～8周时，孔隙率逐渐上升，到第8周时达到最高值。此后孔隙率呈下降趋势,尤以正常载荷侧为明显(图3)。两侧比较，第16周时，正常载荷侧的孔隙率已明显低于低载荷侧，差异有极显著性意义(P<0.01)。
图3 植入皮质骨内部骨孔隙率变化示意图
讨 论
1.在充填大块骨缺损时，移植同种异体皮质骨的目的是要重建骨的连续性，这时临床移植手术的成功取决于这些移植骨的生物力学性能以及它们适应新的力学环境的能力。根据我们的实验结果，从骨孔隙率、骨密度和三点弯曲破坏载荷的变化趋势分析，同种异体皮质骨植入后，其力学强度逐渐降低，到第8周时达最低点，然后再缓慢回升。这种变化是和同种异体皮质骨移植后的生物学变化过程密切相关的。一般认为[3，4]，同种异体皮质骨植入后，创伤反应和异物刺激触发了宿主的修复机制，首先是单核-巨噬细胞系统来源的破骨细胞出现，在骨内形成大量的吸收腔，皮质骨的边缘也被侵蚀，这时也开始有成骨细胞在吸收腔表面呈贴覆性生长。但比较而言，破骨细胞的活动占据优势，导致骨的孔隙率逐渐升高，骨密度值逐渐下降。当骨内的吸收腔扩大到一定程度，破骨细胞活动逐渐减弱，成骨细胞活动增强，骨形成阶段开始，大量新骨沉积在吸收腔的周围，降低了骨的孔隙率，增加了骨密度值。相应的，移植骨的力学强度逐渐回复。
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2.构成移植骨-宿主骨复合体力学强度的要素除移植骨自身的力学性能外，还有移植骨-宿主骨界面间的连接强度。有报告指出：宿主骨-移植骨界面间的连接同骨折愈合的过程一样，即随着界面处骨基质形成和矿化沉积，其连接强度迅速提高[5]。我们的实验发现：骨植入后早期(2～4周)，整个复合体的力学薄弱点在移植骨-宿主骨界面处，这个阶段的标本在进行三点弯曲测试时，断裂均发生在界面处。而到第8周时，界面间的连接强度已上升到较高程度。相反，移植骨自身由于内部旧骨的吸收与被替代，其生物力学性能下降到最低点。这时，整个复合体结构的力学薄弱点是移植骨本身，所以这个阶段(8～16周)的标本承受三点弯曲载荷时，断裂大多发生在移植骨中段。
3.对正常载荷侧与低载荷侧的比较分析发现，生理载荷的刺激可以增强植骨区的力学强度。对于宿主骨-移植骨界面间连接强度来说，两侧的区别出现得较早(第8周)；而移植骨自身的生物力学性能，两侧之间到第16周才出现区别。其原因主要是同种异体皮质骨内部的修复较慢，在2～8周期间，其内部处在骨吸收阶段，新骨的形成较少，移植骨基本上是一个死骨的框架，类似一种生物惰性材料，难以对应力起反应[3]；而到后期，移植骨内部新骨替代的比例逐渐增大，血管化也比较完全，这时它就能适应新的力学环境的要求进行自身的改建[6]。
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4.由于同种异体皮质骨的力学强度在修复过程中会受到较大的削弱，因此临床上同种异体皮质骨植入骨干部位承受较大载荷时，需要有稳妥的内固定的保护，以防止骨折的发生。在我们的动物实验中，移植皮质骨力学强度最薄弱的时间是术后8周，但这随着移植骨大小的不同及宿主床的血运状况而异，难以确定对临床上有用的参照日期。另一方面，正常生理载荷的刺激却有利于同种异体皮质骨修复过程中生物力学性能的改善与提高。因此，在进行同种异体皮质骨移植时，需要根据移植骨所处的不同力学环境,既控制超过正常生理范围的应力出现，防止疲劳骨折的发生，又尽量有效地利用生理应力的刺激，促使移植骨更好地塑形以适应新的力学环境的要求。
参 考 文 献
1戴 戎，裘世静.无机骨粒骨水泥的实验研究.中华外科杂志，1989，27:309-311.
2裘世静，戴 戎.接骨板内固定诱发早期骨质疏松的定量组织学研究.中华医学杂志，1989,69:496-498.
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3Burchardt H.Biology of bone transplantation.Orthop Clin North Am，1987，18:187-196.
4Enneking WF,Burchardt H,Pukl JJ,et al.Physical biological aspects of repair in dog cortical-bone transplants. J Bone Joint Surg，1975，57A: 237-252.
5Richardt RP, Gary EF. Biomechanical aspects of bone autografts and allografts. Orthop Clin Orthop Am，1987，18:235-239.
6Friedlaender GE. Current concepts review: bone grafts.J Bone Joint Surg，1987，69A:786-790., http://www.100md.com