吳 琳，王祿增，哈斯達來，袁 月，張勁松

(1.中國醫(yī)科大學口腔醫(yī)學院修復科，沈陽 110002;2.中國醫(yī)科大學實驗動物部，沈陽 110001;3.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016)

應力對大段骨缺損修復影響的實驗兔模型探討

吳 琳1，王祿增2，哈斯達來1，袁 月1，張勁松3

(1.中國醫(yī)科大學口腔醫(yī)學院修復科，沈陽 110002;2.中國醫(yī)科大學實驗動物部，沈陽 110001;3.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016)

目的 建立用于研究應力對大段骨缺損修復作用的實驗兔動物模型。方法 選用20只健康成年大耳白兔，隨機分成兩組，在右側肱骨中下段制造13 mm的大段骨缺損后植入泡沫碳化硅人工骨，實驗組選用具有固定和持續(xù)軸向加壓雙重作用的鎳鈦記憶合金接骨器，對照組選用同種材料和規(guī)格的僅有固定作用的接骨器，術后常規(guī)護理，待取材觀察。結果 20只實驗兔中，7只在蘇醒后當天，10只術后1～3 d，3只術后4～7 d，出現(xiàn)植入體從植入部位脫出游離至皮下現(xiàn)象。結論 用于研究應力對大段骨缺損修復作用的實驗兔動物模型未成功建立，鎳鈦記憶合金接骨器對兔肱骨大段骨缺損處人工骨的固定和持續(xù)加載，在實驗兔肱骨難以實現(xiàn)。

大段骨缺損;持續(xù)應力;泡沫碳化硅;鎳鈦記憶合金接骨器;動物模型;兔

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 實驗動物：選用20只普通級成年日本大耳白兔，兔齡7～12個月，體重2.5～3.0 kg，雌雄不限，由中國醫(yī)科大學實驗動物部提供［SCXK(遼)2009-0003］，每只動物獨籠飼養(yǎng)，自由進食，觀察一周后開始用于實驗。

1.1.2 泡沫碳化硅人工骨：孔隙率70%，盲孔率≤1%，孔徑尺寸800～1000 μm，抗壓強度≥30 MPa，彈性模量25 GPa，由中國科學院金屬研究所提供。按兔肱骨中下段外形制作長度13 mm，近心端直徑6 mm，遠心端直徑5 mm的人工骨。經超聲波清洗3次，高壓蒸汽滅菌(134℃，0.21 MPa)后備用。

1.1.3 鎳鈦記憶合金接骨器：取含鎳50% ～53%的醫(yī)用鎳鈦合金板材料，厚為1 mm，依據肱骨中下段解剖特征制成由體部、環(huán)形部、尾鉤和軸向加壓鉤組成的鎳鈦記憶合金接骨器(見圖1，封三)，由中國科學院金屬研究所制作提供。超聲波清洗3次，高溫高壓滅菌(134℃，0.21 MPa)。術前置于0～4℃冰水中降溫后打開環(huán)形部，并向背側拉展軸向加壓鉤，形狀恢復溫度為(33±2)℃。

1.2 方法

1.2.1 術前準備：在兔臀肌按0.3 mL/(kg·bw)注射速眠新合劑(中國醫(yī)科大學實驗動物部安全評價中心提供)全身麻醉，嬰兒電動理發(fā)器(HK-168大連嬌子堂工貿有限公司)于右側肱骨周圍內外約5 cm備皮，左側臥位固定，手術側(右肢)游離。術區(qū)1%碘伏消毒，常規(guī)鋪巾。將4萬U慶大霉素加入250 mL 0.9%氯化鈉注射液中，備術中沖洗和降溫時使用。

1.2.2 手術步驟：用2%利多卡因兔局部浸潤麻醉，在肱骨中下段沿兩塊肌肉之間順骨長軸方向切開皮膚，鈍性分離皮下和肌肉組織，直到骨面，剝離骨膜，暴露出手術骨段，距遠心端肌腱附著1～2 mm處，用齒科打磨機(韓國STONG90)以裂鉆鉆穿骨皮質，制作縱向1 mm、橫向2 mm的固位孔以容納接骨器尾鉤，再以整個軸向加壓鉤長度為準在近心端制作相同的固位孔以容納加壓鉤，換以切割盤于遠端固位孔近端7～8 mm處慢速切斷肱骨，距斷面13 mm處近端再次全層截斷肱骨，去除游離骨，植入泡沫碳化硅人工骨，再將預先展開的接骨器植入，35～40℃生理鹽水沖洗，環(huán)形部形變復位橫向環(huán)抱骨斷端和人工骨起固定作用，實驗組接骨器軸向加壓鉤形變復位對人工骨持續(xù)加壓(圖2，封三)，對照組則不加壓，探查固定可靠后慶大霉素沖洗，分層縫合關閉切口。

1.2.3 術后護理：待動物蘇醒，送回飼養(yǎng)室。術后第2天開始青霉素40萬單位，每日兩次，臀肌注射，連續(xù)3 d。除觀察進食排便精神等一般健康狀況外重點觀察手術肢體的功能恢復情況，如能否正常著地、支撐體重、行走步態(tài)情況。

2 結果

20只實驗兔術后均能正常進食排便，創(chuàng)口愈合良好，但術側肢體不能正常著地，20只實驗兔中，7只在蘇醒后0 d，10只術后1～3 d，3只術后4～7 d，出現(xiàn)植入體從植入骨端部位脫出游離至皮下的現(xiàn)象。

3 討論

3.1 實驗骨的選擇

在骨折愈合早期縱向壓應力驅動成骨細胞和成纖維細胞分化成骨，有利于骨折愈合，而剪切和扭轉載荷產生剪切應力驅動成纖維細胞增殖為纖維組織，對愈合不利。因此，在本實驗動物模型選擇兔在正常功能狀況下受力與骨長軸一致的長骨，以減少正?；顒訒r產生的剪切應力對骨再生重建的不利影響;另外所選擇的實驗骨要有相對規(guī)則的骨外形和一定的大小，規(guī)則的骨外形有利于人工骨的仿真制作，同時確保接骨器牢固固定兩個骨斷端和人工骨。結合上述兩方面兔肱骨便成了實驗骨的最佳選擇，因為它是兔在功能狀態(tài)下受力較接近骨長軸并有較大體積和較規(guī)則外形的中下段長骨。

3.2 大段骨缺損范圍大小的確定

在研究骨缺損修復材料時實驗性骨缺損只有大于骨的自行修復能力的范圍時，材料的成骨潛力才有意義，這種實驗性骨缺損成為基準大小缺損，亦稱為臨界骨缺損［2］。目前認為臨界骨缺損的標準長度為其直徑的1.5～2.5倍以上或為長骨長度的1/10以上［3］。本實驗所采用的日本成年大耳白兔肱骨總長度約為70～80 mm，臨界骨缺損應為7～8 mm，所以我們建立大段骨缺損模型時選用的實驗性骨缺損必須大于7～8 mm。另外術后要保證實驗肢體的正常功能，不能過多的損傷骨周肌肉組織的正常附著，故本實驗選用的肱骨段為冠突窩以上到三角肌粗隆以下外形較規(guī)則的肱骨中下段約25～30 mm，此外骨缺損兩側至少保留6 mm宿主骨以供接骨器固定，因此本實驗設定大段骨缺損模型的骨缺損范圍為13 mm。

3.3 鎳鈦記憶合金接骨器

鎳鈦記憶合金具有形狀記憶效應［4］。由于這種特殊性能和良好的生物相容性使鎳鈦記憶合金已經應用于醫(yī)學領域，如骨折固定等［5，6］。本實驗的接骨器在體溫驅動下形變復位后，環(huán)形部起固定作用，而弓形的軸向加壓鉤低溫下向背側拉展，形變復位時尾鉤和加壓鉤的拮抗，使兩骨斷端對人工骨產生持續(xù)壓應力。這種接骨器的優(yōu)點：第一、軸向加壓鉤在尾鉤的拮抗下記憶形變對人工骨產生的持續(xù)縱向壓應力不因宿主骨的吸收而大幅度削減;第二、由于骨外形的不規(guī)則性使接骨器與宿主骨和人工骨呈點狀接觸，而非緊貼于骨干表面，有利于血供。

3.4 泡沫碳化硅人工骨

泡沫碳化硅是近年來由中國科學院金屬研究所采用自有專利技術開發(fā)出的具有松質骨結構的三維多孔材料，屬生物惰性陶瓷的一種，具有良好的生物相容性［7］和理想的三維孔隙(孔隙率≥70%，通透率≥98%，孔徑尺寸在300～1000 μm范圍內可調控)，有利于骨組織的生長。該材料的優(yōu)勢在于①具有良好的力學性能：抗壓強度可達80 MPa，使大段骨缺損修復后對人工骨進行原位加載成為可能;②彈性模量20～23 GPa使對人工骨進行加載時應力場不因在人工骨內的傳導而衰弱，保證應力在人工骨內近似均勻分布，以便觀察相近應力作用下不同部位人工骨內的成骨情況;③良好的可加工性，可根據不同部位骨的形態(tài)進行仿真制作。

張春才等［8，9］應用鎳鈦合金材料研制成的天鵝型形狀記憶接骨器成功地在新西蘭大白兔的肱骨上建立了骨干骨折內固定實驗模型。天鵝型形狀記憶接骨器與本實驗的鎳鈦記憶合金接骨器的外形與作用原理相似，但是本實驗結果20個植入體一周內分別脫出。原因可能有以下2個方面：①天鵝型形狀記憶接骨器對骨折斷端的固定持續(xù)穩(wěn)定，而本實驗的鎳鈦記憶合金接骨器的環(huán)形部對宿主骨和人工骨的固位不良;②由于兔的多動和前肢被毛皮下松軟，不能實施外固定。

綜上，本實驗條件下的兔肱骨大段骨缺損動物模型無法成功建立。通過本實驗我們認為由于兔肱骨的持重特點，建立兔肱骨大段骨缺損動物模型很難實現(xiàn)，也不適合用于研究鎳鈦記憶合金接骨器對兔肱骨大段骨缺損處人工骨的持續(xù)加載。

(本文圖1，2見封三)。

［1］ Tian C，Zhang JS，Cao XM.High strength silicon carbide foams and their deformation behavior［J］.J Mater Sci Technol，2006，22(2)：269 －272.

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Effect of stress on reconstruction of a large bone defect：establishment of an experimental rabbit model

WU Lin1，WANG Lu-zeng2，HASI Da-lai1，YUAN Yue1，ZHANG Jing-song3
(1.Department of Prosthodontics，School of Stomatology，China Medical University，Shenyang 110002，China;2.Laboratory Animal Center，China Medical University，Shenyang 110001;3.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016)

Objective To establish an experimental rabbit model for studying the effect of the continuous compressive stress on reconstruction of a large bone defect.Methods Twenty adult Japanese rabbits were used and randomly divided into two groups.Artificial bone made of foam silicon carbide was implanted in a large bone defect in length of 13 mm at mid-distal humeral shaft of right side.Ni-Ti shape memory connector with both fixation and continuous compressive stress was used as the experimental group，and that with fixation but without stress was used as the control group.Routine nursing was given to the rabbits after the operation for further observation at proper time points.Results The implants were free from the implanted sites to the subcutaneous space in all the 20 rabbits.It occurred just at the day after regaining consciousness in 7 rabbits，after 1－3 days in 10 rabbits，and at 4－7 days after operation in 3 rabbits.Conclusions In this study we failed to establish the rabbit model for studing the effect of continuous compressive stress on reconstruction of large bone defect.It is impractical to use Ni-Ti shape-memory connector for fixation and continuous compressive stress on the artificial bone at large humeral bone defect.

Large bone defect;Continuous stress;Foam silicon carbide;Ni-Ti shape-memory alloy connector;Animal model，rabbit

Q95-33，R782.2

A

1005-4847(2011)01-0026-03

10.3969/j.issn.1005-4847.2011.01.006

應力應變對骨生長和重建的影響是當前骨科學和應用生物材料領域的研究熱點，相關研究主要集中在骨折愈合方面。而探討應力對大段骨缺損修復影響的研究，特別是體內的研究，長期以來缺乏突破性進展。主要由于現(xiàn)有三維多孔修復材料(如羥基磷灰石，β-磷酸三鈣)自身力學性能方面的不足，不能實現(xiàn)對人工骨在骨缺損區(qū)域的原位加載。近年來，中國科學院金屬研究所采用自有專利技術開發(fā)出的泡沫碳化硅(SiC)，以其良好的幾何結構、力學性能和生物學的優(yōu)點［1］，為探究應力應變對大段骨缺損修復后人工骨內骨生長和重建行為的影響規(guī)律提供了可靠的理想的材料學基礎。為了深入研究應力應變對人工骨內骨生長和重建行為的影響機制，建立可靠的動物模型是前提。同時也有利于對三維多孔人工骨結構和性能的優(yōu)化，為研發(fā)更加符合大段骨缺損臨床修復要求的人工骨材料提供生物力學依據。

國家863計劃資助項目(2009AA03Z421);中科院金屬研究所合作項目(新型生物醫(yī)用材料研究)。

吳琳(1969－)，女，副教授，博士，碩士生導師。研究方向：骨缺損修復材料及生物力學研究。E-mail：wulin13@163.com

2010-07-21