骨水泥结合钢板固定对猪股骨远端不同大小骨缺损的生物力学研究

苏情 于秀淳 徐明 许宋峰

1 引言

骨巨细胞瘤是原发性骨肿瘤中常见的一种，占原发骨肿瘤的5%~8%，以侵袭长骨的干骺端为主，通常不侵袭软骨，好发于股骨远端、胫骨近端。该肿瘤具有较强的侵蚀性及较高的局部复发性[1]。自从1969 年Vidal 等[2]首次报道了病灶内刮除术后用骨水泥填充骨缺损治疗骨巨细胞瘤后，该手术便成了治疗骨巨细胞瘤的一种可行手术方式，为了降低其复发率，通常先采用高速磨钻、液氮冷冻、石碳酸烧灼等方法处理瘤壁。但是骨水泥聚合反应释放的热量对骨有一定程度的破坏作用，可造成2~3mm松质骨和0.5mm 皮质骨坏死[3]，使骨水泥与骨缺损壁间留有空隙，从而产生骨水泥的滚珠效应，导致骨水泥松动，降低重建后骨骼的生物力学性能。目前很多研究是否联合内固定能增强重建后骨骼的生物力学性能，Toy[4]等发现骨水泥填充骨缺损联合交叉皮质螺钉固定的生物力学性能优于单纯骨水泥填充骨缺损的生物力学性能。本实验在建立猪股骨远端不同大小的骨缺损模型基础上，行骨水泥及钢板固定修复方式后通过生物力学性能试验，以探讨骨水泥结合钢板固定对股骨远端不同骨缺损生物力学的影响，为临床合理选择修复股骨远端骨缺损的手术方

2 材料与方法

2.1 材料

新鲜猪股骨购于济南维尔康食品有限公司冷鲜肉分公司，去除周围软组织，备用。

2.2 模型建立

将50 根猪股骨随机分为10 组：M 组为正常股骨，D1、C1、P1 组为1/4 骨缺损组，D2、C2、P2 组为2/4 骨缺损组，D3、C3、P3组3/4 骨缺损组。骨缺损位于股骨内侧髁处，矢状面上，每组骨缺损的前端至后端包括了整个股骨内侧髁的前后宽度，只留下完整的骨皮质壳，冠状面/额面上，骨缺损的近端至远端包括从软骨板至股骨干与干骺端的交界处之间的宽度，横断面上，D1、C1、P1 组骨缺损占整个股骨横断面的1/4，D2、C2、P2 组骨缺损占整个股骨横断面的2/4，D3、C3、P3 组骨缺损占整个股骨横断面的3/4。将骨水泥（北京万洁天元医疗器械有限公司）调和均匀至面团期时，填充C1、C2、C3 组骨缺损处，用力压实。使用5 孔的股骨远端钢板（山东威高骨科材料有限公司）固定于P1、P2、P3 组的猪股骨标本的股骨远端内侧髁，并将调和均匀至面团期的骨水泥填充骨缺损，用力压实。存入-80℃以下的冰箱里，备用。

图1 不同猪股骨模型的外观照、X 线及CT 照

2.3 生物力学性能测试

每个猪股骨标本首先固定于INSRON MODEL8032 多功能材料试验机（由中国兵器工业集团第五三研究所完成），

图2 不同猪股骨模型的生物力学检测

从0 负荷及0 位移开始，以10N/s 的速度匀速增加纵向压力载荷至435N，持续30 秒，进行预压，使骨水泥与骨缺损壁紧密接触及消除标本松弛、蠕变等影响因素。预压后行波动幅度位于50N~900N间的压力载荷，变化呈正弦波，频率为1Hz，处理2000次循环，行疲劳试验。疲劳试验后，未骨折的股骨固定于INSRON MODEL5969 多功能材料试验机，给予1mm/s 的位移控制反馈的压力至骨折。如果纵向压力载荷瞬间降低达到445N 则定义为标本骨折[5]。测试过程一直描记压力载荷及位移，记载骨折时最大的压力载荷，并绘制压力载荷-位移曲线，仪器自动记录测定点的刚度数据。

图3 压力负荷-位移曲线

2.4 统计处理

所有数据以形式输出，采用SPSS16.0 进行完全随机设计资料的单因素方差分析 检验及组间两两比较的SNK-q 检验，进行统计学分析。

3 结果

相同重建方式的各组股骨间差异有统计学意义，骨水泥填充修复1/4 骨缺损组与骨水泥填充联合钢板固定修复1/4 骨缺损组差异无统计学意义。见表1~3。

表1 空白填充骨缺损组间的SNK-q 检验统计结果

表2 单纯骨水泥填充修复骨缺损组间的SNK-q 检验统计结果

表3 骨水泥填充骨缺损与骨水泥填充骨缺损联合钢板固定组间 检验的统计结果

4 讨论

4.1 不同骨缺损对股骨远端生物力学的影响

骨缺损能够破坏股骨远端原有的力学结构、降低力学强度值。骨强度是指骨骼自身的特性，是其抵抗外在负荷应力对其破坏的能力，而最终强度指骨骼抵抗外在负荷应力对其破坏的最大能力，当外在负荷应力对骨骼的破坏超过此值时骨骼就会发生骨折。骨量和骨质量是影响骨骼自身骨强度的两大最主要因素[6]。有研究表明，在一定骨缺损范围内，骨骼的生物力学强度并无明显的改变，但是当骨缺损超过这一范围时，则会导致骨骼力学强度出现明显的降低。很多文献曾报道过骨缺损大小与骨强度之间的关系，杨明[7]等动物实验表明，长管状骨单侧皮质缺损直径在长管状骨外径的（22.6±1.4）%以内时，对其抗弯曲性能无明显影响。Edgerton[8]等以羊的股骨为动物模型，探讨了不同大小的环状缺损对其抗扭转性能的影响，发现当缺损直径与管状骨外径比为10%时，并未引起其抗扭转力的明显降低，当缺损直径为管状骨的20%时，使其抗扭转力降低了34%，所以他认为缺损直径为管状骨的20%时是一个引起应力变化的启动点，长管状骨弯曲性能的降低并非与缺损大小完全成正比关系。Ford和Keayeny 等[9]研究认为，基于形变的骨折理论要优于基于应力的骨折理由，他们认为，在骨骼承受一定压力载荷范围内，承受压力载荷的骨骼会出现变形，当外力撤除后，骨可恢复原有的结构特征，而如果压力载荷范围超过一定范围则会出现相应的变形，即形变，进一步导致骨发生断裂。而骨骼的抗变形能力与松质骨有密切关系，由于松质骨具有良好的延展性，而股骨远端骨缺损减少了松质骨的含量，因此其抗形变能力减弱，容易出现骨折。因此随着骨缺损面积增加，松质骨丢失量也增加，故其生物力学性能渐减弱。另外，根据力学原理：应力=外力/面积，由于骨缺损导致股骨远端受力面积减少，因此，随着骨缺损面积的增加，股骨远端受力面积逐渐减小，因而，相同外力作用下，骨缺损面积越大，股骨受到的应力越大，越容易出现应力集中，导致其发生骨折，因此其生物力学性能渐减弱。

4.2 单纯骨水泥填充修复骨缺损对股骨远端生物力学的影响

骨水泥作为一种骨缺损填充材料，其弹性模量较松质骨大，骨水泥的抗压力作用及抗形变能力均比松质骨强。曾有文献报道[10]，在静力负荷下，骨水泥对抗压缩应力的能力较强，力学强度范围在55~85MPa，屈曲应力耐受强度为50~55MPa，剪力条件下为25~50MPa。因此在骨水泥填充修复骨缺损股骨中，骨缺损面积越大，修复后的股骨远端的骨水泥的含量越高及面积越大。根据两个或两个以上具有不同弹性模量的成分组成一个机械系统，同时接受同一外力作用时，具有较高弹性模量的成分承受较重的载荷，使弹性模量较低的材料较少承受或者不承受外力载荷，应变也就相应的减少。因此，在该组的股骨中骨水泥起主导承重作用。随着骨缺损面积的增大，骨水泥修复骨缺损后骨水泥的面积也逐渐增大，根据力学原理：应力=外力/面积，由于股骨远端骨缺损经骨水泥填充后，骨水泥成了主要的承受外力载荷的应力集中点，在外力不变的情况下，应力与受力面积成反比，因此，随着骨缺损面积的增大，在骨水泥填充修复骨缺损的股骨中起主要承受负荷的修复的骨水泥面积也越大，则其整体承受负荷的能力也随之增强。

3.3 钢板、骨水泥对修复股骨远端不同骨缺损的生物力学的影响

骨水泥不是一种粘合剂，其主要起填充作用和支架作用，具有即时的生物力学功能，但是其长期生物力学性能却受影响。据文献报道[11]，临床常用的40g 和60g 骨水泥团块聚合反应时，其表面的温度能到达60~70℃，高温持续时间可达5~7 分钟，它可以灭活高温周围1mm 深度的松质骨组织，而对骨质疏松的骨髓组织灭活竟深达30mm。另有文献报道，骨水泥填充骨病灶内，聚合反应释放的热量对骨有一定程度的破坏作用，可造成1.5~2 mm 松质骨和0.5mm 皮质骨坏死。因此由于骨水泥的热效应，骨水泥与骨界面之间存在一定间隙。而且，骨水泥在聚合反应时，其可发生收缩，造成骨水泥与骨界面之间产生裂隙，据Homsy[12]等研究发现，骨水泥在聚合反应时有2%~4%的收缩率，可在骨水泥与骨界面之间形成一定间隙。因此，骨水泥会出现滚珠效应导致骨水泥松动，降低股骨的生物力学强度。同时，由于骨水泥填充股骨远端骨缺损时，骨水泥的周围骨界面以松质骨为主，骨水泥的弹性模量与松质骨有较大的差别，根据力学规律中，由于各种受力材料间力学性能的差别，在同一外力载荷下会发生不同的形变和产生界面之间的微动，并且随着压力载荷的变化各材料和界面也会发生相应的改变。所以，在骨水泥填充修复骨缺损受力期间，同样会导致骨水泥与松质骨之间产生相对位移，引起摩擦，引起骨水泥松动，影响股骨远端的生物力学性能。而钢板的松质骨螺钉将骨水泥与剩余骨松质及对侧皮质结合为一体，减少了骨水泥与松质骨的界面微动和摩擦，因此，骨水泥填充骨缺损联合钢板固定的猪股骨标本的生物力学强度相对位移，引起摩擦，引起骨水泥松动，影响股骨远端的生物力学性能。而钢板的松质骨螺钉将骨水泥与剩余骨松质及对侧皮质结合为一体，减少了骨水泥与松质骨的界面微动和摩擦，因此，骨水泥填充骨缺损联合钢板固定的猪股骨标本的生物力学强度好。

5 结论

骨水泥填充修复股骨远端1/4 骨缺损无需钢板固定，骨水泥填充修复股骨远端2/4 骨缺损及其以上骨缺损钢板固定可增强被填充骨的强度。

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