骨基质明胶预防人工关节无菌性松动的实验研究
作者：游洪波 陈安民 孙淑珍 林柏云
单位：(游洪波 林柏云)广东医学院附属医院骨科，湛江 524001；(陈安民)同济医科大学同济医院，武汉 430030；(孙淑珍)武汉工业大学材料学院，武汉 420070
关键词：骨基质；明胶；人工关节；实验
广东医学院学报990205 摘要 目的：研究骨基质明胶(BMG)防治人工关节无菌性松动的可行性。方法：制备兔BMC及陶瓷人工股骨头。大白兔40只，随机分成两组，行右人工股骨头置换，一组植入BMC，另一组不植BMC作为对照，并以不同时期作生物力学测定、组织学检查、立体显微摄影和电子探针检测，以了解人工关节周围的成骨情况。结果：BMG组各时期拔出强度明显高于对照组。BMG组人工关节周围成骨速度及骨量明显高于对照组。结论：BMG能加速骨组织与人工关节的结合，可加速人工关节的生物学固定，防止无菌性松动的发生。
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Prevention of aseptic loosening after artificial joint replacement
by bone matrix gelatin
You Hongbo，Chen Anmin，Sun Shuzhen，et al
Department of Orthopedics，Affiliated Hospital of Guangdong Medical College，Zhanjiang 524001
Abstract Objective：To prevent aseptic loosening after artificial joint replacement by bone matrix gelatin(BMG).Methods:BMG and rabbit prosthes is of femoral head were made.Forty rabbits，operated on them for right artificial replacement，were divided randomly into two groups.BMG was implanted into rabbit prothesis in one group，and other group was not as control group.The tissues around prosthesis were examined by biologic dynamic test，histologic examination，dimensional microscopy，and electric probe X-ray microscopy analysis.Results:The pull-out strength of BMG group was higher than that of the control group.The osteoinductive quantity and quality of BMG group were obviously higher than those in the control group.Conclusion:BMG could accelerate periprostheses osteoinduction and prevent aseptic loosening of cementless prosthesis.
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Key words:bone matrix; gelatin；artificial joint replacement；experiment
无菌性松动是人工关节置换术后最常见的并发症之一。随着“骨水泥病”(cement disease)概念的提出，人们广泛开展了对生物学固定假体的研究，但生物学固定假体的松动率仍较高[1]。如何解决非骨水泥型假体的无菌性松动是骨科亟待解决的难题。BMG诱导成骨能力已被众多的研究证明。本文对BMG加速非骨水泥假体的生物学固定防止无菌性松动作了研究，现将结果报道如下。
1 材料与方法
1.1BMG的制备 采用Urist的方法[2]制得BMG，将BMG制成等大块状，入冻干机冻干。每粒BMG重平均为(37.88±0.53)mg，分装后以Co-60消毒备用。
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1.2 兔人工股骨头的制备 兔人工股骨头主体采用氧化锆(ZrO2)增韧陶瓷，涂层采用30%羟基磷灰石(HAP)与70%ZrO2制备成的二元体系复合生物陶瓷涂层。人工股骨头的大小为6、7、8mm(图1)。测试ZrO2涂层的吸水率、气孔率、体积密度、抗折强度、断裂韧性值及扫描电镜(SEM)下观察其结构。
图1 免人工股骨头(股骨头的直径分别为6、7、8mm)
1.3 BMG在兔陶瓷人工股骨头周围诱导成骨作用和生物力学测定 大白兔40只，体重2.3～4.0 kg，按完全随机分成A(20只)与B(20只)两组后，行右侧人工股骨头置换术。A组人工关节柄两侧各植入一粒BMG，而B组不植BMG作对照。术后2、4、6、8、10周每次处死4～5只动物行生物力学测定(XL-250型拉力试验机)、组织学检查。将8、10周人工关节柄中段横截面抛光后，行立体显微摄影；表面喷涂厚为10 nm导电碳膜后，行电子探针(EPMA)(JCXA-733电子探针X射线显微分析仪)检测，以观察涂层周围及孔隙内的成骨情况。
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1.4 统计学处理方法 采用χ2检验和t检验。
2 结果
2.1兔人工股骨头理化性能测试及SEM分析
表1 兔人工股骨头理化性能测试的结果
吸水率/%
气孔率
%
体积密度
ρ/g.cm-3
抗折强度
(p/MPa)
, 百拇医药
断裂韧性
(MPa.m1/2)
ZrO2
0.37
2.33
6.00
734
6.82
HAP-ZrO2
2.6
7.85
3.64
, http://www.100md.com
120
1.74
理化性能测试结果见表1。表1表明人工关节材料抗折强度超过人致密骨的下限使用标准(约90MPa)。SEM分析，见颗粒分布均匀、气孔少且均匀、致密性高，因此相对密度也大，力学性能也随之增高。
2.2 组织学检查 BMG人工关节柄周围2周时产生大量的软骨细胞，4周时产生编织骨，8周时出现板层骨，10周时板层骨更加致密。对照组2周时无明显软骨形成，6周时产生编织骨，10周时有少量板层骨形成。
2.3 立体显微摄影 8、10周时在人工关节柄中段横截面行立体显微摄影(×100)可见BMG组涂层周围成骨量明显高于对照组(见表2及图2～3)，其差异有高度显著性意义(P<0.01)。表2 立体显微摄影下涂层周围相对成骨量 (
±s；%) 组别
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n
8W
10W
BMG组
8
71.13±23.71*
77.36±21.37*
对照组
8
34.25±21.86
44.85±19.29
与对照组比 * P<0.01
, 百拇医药
图2 BMG组(术后10周)，人工关节柄中段横截面立体显微摄影(×100)，可见陶瓷周围有大量骨组织附着(箭头处)。
图3 对照组(术后10周)，人工关节柄中段横截面立体显微摄影(×100)，可见陶瓷周围附着的骨组织(箭头处)明显少于BMG组。
2.4 电子探针检测 二次成像(SEI)可见BMG组人工关节涂层孔隙内成骨量明显高于对照组。(见表3及图4～5)，其差异有高度显著性(P<0.01)。Ca、P分布与上述结果一致，即BMG组涂层内Ca、P分布比对照组广且致密。
表3 电子探针二次成像下涂层孔隙内相对成骨量 (±s；%) 组别
, 百拇医药
n
8W
10W
BMG组
8
60.54±21.69*
66.52±20.55*
对照组
8
32.68±15.26
38.48±22.57
与对照组比 * P<0.01
, 百拇医药
图4 BMG组(术后10周)，人工关节柄中段横截面电子探针检测(SEI)(×40)，可见涂层内及涂层周围有大量骨组织(箭头处)。
图5 对照组(术后10周)，人工关节柄中段横截面电子探针检测(SEI)(×66)。可见涂层内及涂层周围骨组织量(箭头处)明显少于BMG组。
2.5 生物力学测定 结果见表4。
表4 兔人工股骨头拔出强度(±s；ρs/(kg.cm-2) 组别
n
2W
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4W
6W
8W
10W
BMG组
8
1.90±0.34**
15.99±3.87*
25.66±7.52**
32.43±10.56*
34.65±9.88*
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对照组
8
0.84±0.18
7.55±4.11
15.23±3.29
20.53±6.27
23.76±11.24
与对照组比 *P<0.05 **P<0.01
表4表明BMG组各时期拔出强度均高于对照组，两组拔出强度随时间的延长而逐渐升高。3 讨论
目前尚无明确解决无菌性松动的方法。增加固定的稳固性，提高材料的耐磨性，可减少磨损颗粒的产生。另外，人工地在骨-假体界面形成一种结合紧密的“垫圈”，依靠骨与假体的紧密结合，来延缓、防止磨损颗粒的产生、移动，从而防止骨溶解和假体松动的发生，即所谓“垫圈”机制[3]。这种“垫圈”可以依靠良好的骨内生长的多孔假体，HA(羟基磷灰石)涂层假体，以及利用现代骨水泥技术来实现。本文用BMG加速骨组织生长的特点，将BMG植入骨与人工关节之间，能加速骨组织长入假体的多孔材料和珍珠面空隙内而致生物学固定，来加速这种“垫圈”的形成，可有效防止非骨水泥型人工关节置换术后无菌性松动的发生。
, 百拇医药
HA涂层假体目前被广泛应用。HA俗称“钙磷陶瓷”，当其表面存有自由的钙、磷化合物时，能与周围的骨组织产生生物活性反应，所以具有很高的生物相容性[4]。本文制备的兔复合陶瓷人工股骨头主体采用ZrO2增韧陶瓷，HA-ZrO2复合陶瓷为涂层，HA-ZrO2涂层既具有强的与骨组织粘合的特点，同时因具有良好的强度及韧性[5]，涂层可制成多孔的形状，故我们制备的兔人工股骨头既能满足HA涂层的特点，同时又能满足多孔假体的特点。
生物力学测定的结果表明BMG组及对照组拔出强度随时间的延长逐渐增高，可见HA-ZrO2复合陶瓷涂层能防止松动，但BMG组各个时期的拔出强度均大于对照组。说明加入BMG后能加速骨组织与涂层的粘合。本实验的立体显微摄影及电子探针检测显示：BMG组各时期涂层周围及孔隙内的成骨量均较对照组高，也证实了上述观点。
4 参考文献
, 百拇医药
1 Brown IW，Ring PA.Osteolytic changes in the upper femoral shaft following porous coated hip replacement.J Bone Joint Surg(Br)，1985，67B：218～221
2 Urist MR，Chang JJ，Lietze A，et al.Methods of preparation and bioassay of bone morphogenetic protein and fragments. Methods in Enzyology，1987，146：294～312
3 Tanzer M，Harris WH，Maloney WJ，et al.The progression of femoral cortical osteolysis in association with total hip arthroplasty without cement.J Bone Joint Surg(Am)，1992，74A：404～410
4 Geesink R，Groot K，Klein C.Bonding of bone to apatitecoated implants.J Bone Joint Surg(Br)，1988，70B：17～22
5 黎非.磷酸钙质生物陶瓷的研究.江苏陶瓷，1993，2
收稿日期：1998-10-19, http://www.100md.com
单位：(游洪波 林柏云)广东医学院附属医院骨科，湛江 524001；(陈安民)同济医科大学同济医院，武汉 430030；(孙淑珍)武汉工业大学材料学院，武汉 420070
关键词：骨基质；明胶；人工关节；实验
广东医学院学报990205 摘要 目的：研究骨基质明胶(BMG)防治人工关节无菌性松动的可行性。方法：制备兔BMC及陶瓷人工股骨头。大白兔40只，随机分成两组，行右人工股骨头置换，一组植入BMC，另一组不植BMC作为对照，并以不同时期作生物力学测定、组织学检查、立体显微摄影和电子探针检测，以了解人工关节周围的成骨情况。结果：BMG组各时期拔出强度明显高于对照组。BMG组人工关节周围成骨速度及骨量明显高于对照组。结论：BMG能加速骨组织与人工关节的结合，可加速人工关节的生物学固定，防止无菌性松动的发生。
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Prevention of aseptic loosening after artificial joint replacement
by bone matrix gelatin
You Hongbo，Chen Anmin，Sun Shuzhen，et al
Department of Orthopedics，Affiliated Hospital of Guangdong Medical College，Zhanjiang 524001
Abstract Objective：To prevent aseptic loosening after artificial joint replacement by bone matrix gelatin(BMG).Methods:BMG and rabbit prosthes is of femoral head were made.Forty rabbits，operated on them for right artificial replacement，were divided randomly into two groups.BMG was implanted into rabbit prothesis in one group，and other group was not as control group.The tissues around prosthesis were examined by biologic dynamic test，histologic examination，dimensional microscopy，and electric probe X-ray microscopy analysis.Results:The pull-out strength of BMG group was higher than that of the control group.The osteoinductive quantity and quality of BMG group were obviously higher than those in the control group.Conclusion:BMG could accelerate periprostheses osteoinduction and prevent aseptic loosening of cementless prosthesis.
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Key words:bone matrix; gelatin；artificial joint replacement；experiment
无菌性松动是人工关节置换术后最常见的并发症之一。随着“骨水泥病”(cement disease)概念的提出，人们广泛开展了对生物学固定假体的研究，但生物学固定假体的松动率仍较高[1]。如何解决非骨水泥型假体的无菌性松动是骨科亟待解决的难题。BMG诱导成骨能力已被众多的研究证明。本文对BMG加速非骨水泥假体的生物学固定防止无菌性松动作了研究，现将结果报道如下。
1 材料与方法
1.1BMG的制备 采用Urist的方法[2]制得BMG，将BMG制成等大块状，入冻干机冻干。每粒BMG重平均为(37.88±0.53)mg，分装后以Co-60消毒备用。
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1.2 兔人工股骨头的制备 兔人工股骨头主体采用氧化锆(ZrO2)增韧陶瓷，涂层采用30%羟基磷灰石(HAP)与70%ZrO2制备成的二元体系复合生物陶瓷涂层。人工股骨头的大小为6、7、8mm(图1)。测试ZrO2涂层的吸水率、气孔率、体积密度、抗折强度、断裂韧性值及扫描电镜(SEM)下观察其结构。
图1 免人工股骨头(股骨头的直径分别为6、7、8mm)
1.3 BMG在兔陶瓷人工股骨头周围诱导成骨作用和生物力学测定 大白兔40只，体重2.3～4.0 kg，按完全随机分成A(20只)与B(20只)两组后，行右侧人工股骨头置换术。A组人工关节柄两侧各植入一粒BMG，而B组不植BMG作对照。术后2、4、6、8、10周每次处死4～5只动物行生物力学测定(XL-250型拉力试验机)、组织学检查。将8、10周人工关节柄中段横截面抛光后，行立体显微摄影；表面喷涂厚为10 nm导电碳膜后，行电子探针(EPMA)(JCXA-733电子探针X射线显微分析仪)检测，以观察涂层周围及孔隙内的成骨情况。
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1.4 统计学处理方法 采用χ2检验和t检验。
2 结果
2.1兔人工股骨头理化性能测试及SEM分析
表1 兔人工股骨头理化性能测试的结果
吸水率/%
气孔率
%
体积密度
ρ/g.cm-3
抗折强度
(p/MPa)
, 百拇医药
断裂韧性
(MPa.m1/2)
ZrO2
0.37
2.33
6.00
734
6.82
HAP-ZrO2
2.6
7.85
3.64
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120
1.74
理化性能测试结果见表1。表1表明人工关节材料抗折强度超过人致密骨的下限使用标准(约90MPa)。SEM分析，见颗粒分布均匀、气孔少且均匀、致密性高，因此相对密度也大，力学性能也随之增高。
2.2 组织学检查 BMG人工关节柄周围2周时产生大量的软骨细胞，4周时产生编织骨，8周时出现板层骨，10周时板层骨更加致密。对照组2周时无明显软骨形成，6周时产生编织骨，10周时有少量板层骨形成。
2.3 立体显微摄影 8、10周时在人工关节柄中段横截面行立体显微摄影(×100)可见BMG组涂层周围成骨量明显高于对照组(见表2及图2～3)，其差异有高度显著性意义(P<0.01)。表2 立体显微摄影下涂层周围相对成骨量 (
±s；%) 组别, http://www.100md.com
n
8W
10W
BMG组
8
71.13±23.71*
77.36±21.37*
对照组
8
34.25±21.86
44.85±19.29
与对照组比 * P<0.01
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图2 BMG组(术后10周)，人工关节柄中段横截面立体显微摄影(×100)，可见陶瓷周围有大量骨组织附着(箭头处)。
图3 对照组(术后10周)，人工关节柄中段横截面立体显微摄影(×100)，可见陶瓷周围附着的骨组织(箭头处)明显少于BMG组。
2.4 电子探针检测 二次成像(SEI)可见BMG组人工关节涂层孔隙内成骨量明显高于对照组。(见表3及图4～5)，其差异有高度显著性(P<0.01)。Ca、P分布与上述结果一致，即BMG组涂层内Ca、P分布比对照组广且致密。
表3 电子探针二次成像下涂层孔隙内相对成骨量 (
±s；%) 组别, 百拇医药
n
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BMG组
8
60.54±21.69*
66.52±20.55*
对照组
8
32.68±15.26
38.48±22.57
与对照组比 * P<0.01
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图4 BMG组(术后10周)，人工关节柄中段横截面电子探针检测(SEI)(×40)，可见涂层内及涂层周围有大量骨组织(箭头处)。
图5 对照组(术后10周)，人工关节柄中段横截面电子探针检测(SEI)(×66)。可见涂层内及涂层周围骨组织量(箭头处)明显少于BMG组。
2.5 生物力学测定 结果见表4。
表4 兔人工股骨头拔出强度(
±s；ρs/(kg.cm-2) 组别n
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BMG组
8
1.90±0.34**
15.99±3.87*
25.66±7.52**
32.43±10.56*
34.65±9.88*
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对照组
8
0.84±0.18
7.55±4.11
15.23±3.29
20.53±6.27
23.76±11.24
与对照组比 *P<0.05 **P<0.01
表4表明BMG组各时期拔出强度均高于对照组，两组拔出强度随时间的延长而逐渐升高。3 讨论
目前尚无明确解决无菌性松动的方法。增加固定的稳固性，提高材料的耐磨性，可减少磨损颗粒的产生。另外，人工地在骨-假体界面形成一种结合紧密的“垫圈”，依靠骨与假体的紧密结合，来延缓、防止磨损颗粒的产生、移动，从而防止骨溶解和假体松动的发生，即所谓“垫圈”机制[3]。这种“垫圈”可以依靠良好的骨内生长的多孔假体，HA(羟基磷灰石)涂层假体，以及利用现代骨水泥技术来实现。本文用BMG加速骨组织生长的特点，将BMG植入骨与人工关节之间，能加速骨组织长入假体的多孔材料和珍珠面空隙内而致生物学固定，来加速这种“垫圈”的形成，可有效防止非骨水泥型人工关节置换术后无菌性松动的发生。
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HA涂层假体目前被广泛应用。HA俗称“钙磷陶瓷”，当其表面存有自由的钙、磷化合物时，能与周围的骨组织产生生物活性反应，所以具有很高的生物相容性[4]。本文制备的兔复合陶瓷人工股骨头主体采用ZrO2增韧陶瓷，HA-ZrO2复合陶瓷为涂层，HA-ZrO2涂层既具有强的与骨组织粘合的特点，同时因具有良好的强度及韧性[5]，涂层可制成多孔的形状，故我们制备的兔人工股骨头既能满足HA涂层的特点，同时又能满足多孔假体的特点。
生物力学测定的结果表明BMG组及对照组拔出强度随时间的延长逐渐增高，可见HA-ZrO2复合陶瓷涂层能防止松动，但BMG组各个时期的拔出强度均大于对照组。说明加入BMG后能加速骨组织与涂层的粘合。本实验的立体显微摄影及电子探针检测显示：BMG组各时期涂层周围及孔隙内的成骨量均较对照组高，也证实了上述观点。
4 参考文献
, 百拇医药
1 Brown IW，Ring PA.Osteolytic changes in the upper femoral shaft following porous coated hip replacement.J Bone Joint Surg(Br)，1985，67B：218～221
2 Urist MR，Chang JJ，Lietze A，et al.Methods of preparation and bioassay of bone morphogenetic protein and fragments. Methods in Enzyology，1987，146：294～312
3 Tanzer M，Harris WH，Maloney WJ，et al.The progression of femoral cortical osteolysis in association with total hip arthroplasty without cement.J Bone Joint Surg(Am)，1992，74A：404～410
4 Geesink R，Groot K，Klein C.Bonding of bone to apatitecoated implants.J Bone Joint Surg(Br)，1988，70B：17～22
5 黎非.磷酸钙质生物陶瓷的研究.江苏陶瓷，1993，2
收稿日期：1998-10-19, http://www.100md.com