复合型可注射磷酸钙骨水泥应用于胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折的生物力学研究

武智超，张立才，平 伟，胡 琪

（定州市人民医院骨二科，河北 定州 073000）

复合型可注射磷酸钙骨水泥应用于胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折的生物力学研究

武智超，张立才，平 伟，胡 琪

（定州市人民医院骨二科，河北 定州 073000）

目的研究复合型可注射磷酸钙骨水泥应用于胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折的生物力学效果。方法选取10对老年尸体胫骨近端标本，制备成胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折模型；将10对标本随机分配到观察组和对照组，分别采用复合型可注射磷酸钙骨水泥和自体松质骨进行植骨固定，检测两组标本的生物相容性以及生物力学强度。结果观察组复合型可注射磷酸钙骨水泥料浸提液处理后，小鼠结缔组织成纤维细胞株L929的MTT值以及G0/G1比例、S期比例、G2/M期比例与对照组自体松质骨浸提液处理无差异；观察组标本的最大载荷及抗压刚度值均高于对照组。结论复合型可注射磷酸钙骨水泥的最大载荷以及抗压刚度均更大，且与自体松质骨的生物相容性相当，是治疗胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折的理想材料。

胫骨平台骨折；复合型可注射磷酸钙骨水泥；自体松质骨；生物力学

胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折是临床上较为复杂的骨折类型，在治疗时必须同时达到关节面解剖复位、强力且牢固的内固定。复位后多存在骨质缺损，会影响复位效果或造成复位后再塌陷，进而导致创伤性关节炎、关节不稳定、关节功能恢复不良等并发症[1]。因此，需要通过植骨来完成填充支撑、维持胫骨平台高度[2]。自体骨和磷酸钙骨水泥(Calcium phosphate cement，CPC)是常用的植骨材料，具有各自的优势和不足之处。近年来，通过对CPC成分的改进，使得该材料的生物相容性和力学强度均得到了改善。在下列研究中，笔者在45%结晶磷酸钙(Partially crystallizedcalcium phosphate，PCCP)和45%磷酸氢钙(Dicalcium phosphate anhydrous、DCPA)组成的CPC基础上加入了10%聚乳酸-羟基乙酸共聚物(Poly lactic-co-glycolic acid，PLGA)，制作成为复合型可注射磷酸钙骨水泥，并对该材料的生物力学情况进行了研究。

1 材料与方法

1.1 实验材料 磷酸钙骨水泥CPC由华南理工大学生物材料研究所提供，成分包括45%PCCP、45%DCPA、10%PLGA。骨水泥穿刺注射针由山东冠龙医疗用品公司提供，X线骨密度仪由美国HOLOGIC公司提供，力学测试仪由美国MTS公司提供。

1.2 实验方法

1.2.1 标本制备方法 选择由南方医科大学解剖教研室提供的10对多聚甲醛浸泡的老年尸体胫骨近端标本，其中男性6对，女性4对，年龄48～79岁，平均(68.12±9.03)岁。经膝盖上15 cm至膝盖下25 cm处截取双侧膝关节共计10对(配对编号，每对标注左右)，经X线摄片排除骨肿瘤及骨折、畸形等解剖异常情况。清除膝关节标本的周围软组织、离断膝关节，保留对应股骨远端标本，锯除股骨馁髁。采用骨密度仪测定上述胫骨平台标本的干骺端骨密度(BMD)，其后将标本以生理盐水纱布包裹、塑料袋封装后置入-20℃冰箱中冻存备用。

1.2.2 胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折模型制作方法 将10对标本按照参考文献[1]的方法制作胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折模型，具体如下：矢状面锯断胫骨外侧平台距离皮质边缘1 cm处的平台骨块，于胫骨外侧平台软骨下约1 cm处用骨凿制作一个大小约3.0 cm×1.5 cm×1.0 cm的骨缺损区，随后锯断此缺损区上方的骨块，制备相应模型。

1.2.3 骨折修复方法 将以上10对模型标本左右随机配对分配为两组，分为复合型可注射磷酸钙骨水泥组(观察组，n=10)，自体松质骨组(对照组，n= 10)。两组标本首先复位外侧平台骨块，随后于平台下1 cm处钻孔拧入松质骨拉力螺钉两枚，呈横排方式进行内固定。对照组标本在平台下塌陷区前方骨皮质开1 cm×1 cm骨窗，向其内填塞自体松质骨。观察组于同一位置将复合型可注射磷酸钙骨水泥充分碾磨后与生理盐水按2:5比例调配搅匀，用骨水泥填充推杆加压注入骨缺损区。

1.3 观察指标

1.3.1 生物相容性 取贴壁生长的小鼠结缔组织成纤维细胞株L929培养，常规消化、传代、种在48孔板中，细胞密度1.5×108/L，每孔500 μl；分别取复合型可注射磷酸钙骨水泥的浸提液(观察组)、自体松质骨的浸提液(对照组)以及生理盐水(阴性对照组)各100µl加入细胞培养孔中，处理24 h后小心吸去上清进行细胞活力检测和细胞周期检测。细胞活力检测采用MTT法，具体方法如下：加入160 μl 1640培养基、40 μl 0.5%MTT溶液，孵箱中继续培养4 h。而后吸尽上清，每孔加入200 μl DMSO，在摇床上低速振荡10 min，而后在酶标测仪上检测490 nm处的吸光值。以对照组的吸光值为100，求出观察组吸光值的相对值。细胞周期检测采用流失细胞法，具体方法如下：胰酶消化细胞后离心，用含有10%胎牛血清的PBS溶液300 μl重悬细胞，加入700 μl无水乙醇固定过夜，第二天离心并用PBS洗两遍，而后用碘化丙啶染色，上流式细胞仪检测细胞周期指标。

1.3.2 生物力学性能 将两组标本固定于MTS858材料试验机上，采用垂直轴向压缩法经股骨外髁对胫骨外侧平台进行垂直轴向负载。预先给予100～200 N 2 min左右以消除标本松弛、蠕变等因素影响。测定最大载荷(反映系统对负载的最大承受力，以轴向塌陷超过3 mm为判断失效标准)、抗压刚度(反映系统在轴向负载下单位量形变所能承受的最大负荷，以载荷-位移曲线的斜率作为系统抗压刚度)。待骨水泥凝结后两组标本摄正位X线片，观察骨缺损区填充效果，室温下放置24 h后用于生物力学测试。

1.4 统计学方法 采用SPSS18.0软件录入数据并进行分析，计量资料以均数±标准差()表示，采用t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义、

2 结果

2.1 X线片结果 观察组标本复合型可注射磷酸钙骨水泥注入后凝结时间14～23 min，完全固化时间平均(3.12±0.21)h。经X线摄片后显示，观察组骨缺损区充填充分，骨水泥与周围骨质无明显缝隙，材料在缺损区周围松质骨内渗透扩撒；对照组骨缺损区填入松质骨后填充充实，与周围骨无腔隙遗留。

2.2 生物相容性比较 不同材料浸提液处理后，小鼠结缔组织成纤维细胞株L929MTT值的差异无统计学意义(见图1A)，细胞周期G0/G1比例、S期比例、G2/M期比例的差异无统计学意义(见图1B)。

图1 不同材料浸提液处理后L929细胞的MTT检测结果和细胞周期检测结果

2.3生物力学性能比较 观察组的最大载荷及抗压刚度值均高于对照组，差异有统计学意义(P＜0.05)，见表1。

表1 两组胫骨平台标本的生物力学性能比较()

表1 两组胫骨平台标本的生物力学性能比较()

观察组对照组t值P值3772.13±583.13 703.82±101.42 32.492＜0.05 1328.15±214.24 231.73±47.16 9.471＜0.05

3 讨论

自体骨移植是治疗胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折的最常规思路，具有骨传导性能优良、能够诱导成骨活性等优势，在临床中使用较为广泛[3]。但是，自体骨的供应源有限、会对供区造成较大创伤并遗留疼痛，且在植入后不能立即为胫骨平台骨折部位提供足够的支撑力，这也在一定程度上限制了其应用价值[4]。磷酸钙骨水泥是常用的人工骨材料，来源广泛、制作程序相对简单，但是CPC植入后的力学强度不佳且可注射性也不十分理想，还存在可降解性与力学强度之间匹配、新骨生存速度与材料降解速度不匹配等矛盾[5]。近年来，临床学者也致力于对CPC材料的改进，包括提高可注射性、加快降解速度、改善力学强度等，使其能够在胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折中发挥更为有效的治疗价值[6]。Wang等[7]在2008年的研究中采用PCCP和DCPA制备了新型的CPC，通过体外研究证实了改进后CPC的可注射性、生物相容性以及力学强度均得到了改善。

CPC的物理强度来自于固化采用中结晶的交织结合状态，在材料的水化过程中，原料中的矿物质能够在溶液中溶解并再次晶体化，是材料固化并达到一定的物理强度[8]。根据近年来的研究，人工骨的生物力学性能主要取决于粉剂的成分、液剂的成分、粉剂和液剂的比例、孔隙大小等等[9]，关于如何选择生物力学强度与孔隙率之间的平衡点仍存在较大争议。在本研究中，我们在PCCP和DCPA组成的CPC基础上加入了10%聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA，可以适当的增加骨水泥的孔隙率，使得细胞粘附、新生骨和血管的长入更为便利，也为营养成分的渗入以及代谢产物的排出提供了通道[10]。首先通过X线检查对骨水泥的固化情况进行了检测，结果发现骨水泥与周围骨质无明显缝隙，材料在缺损区周围松质骨内渗透扩撒。这就提示该类型的CPC能够有效固化且完成对骨缺损部位的填充，可以作为胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折的填充材料。

McDonald等[11]已经对该类型的CPC材料进行了研究，并发现该材料可以在24周内被完全降解并被新生的骨小梁所取代，无明显的排斥反应和毒副反应。在本研究中，我们通过尸体标本建立胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折的模型，并从生物相容性和生物力学性能两方面比较了复合型可注射磷酸钙骨水泥与自体松质骨的应用价值。自体松质骨的最大优势在于生物相容性良好，为新生骨的形成创造有利条件[12]，而本研究对CPC材料进行了改进，并通过分析不同材料浸提液对小鼠结缔组织成纤维细胞的影响来反映生物相容性。我们分别检测了细胞活力和细胞周期，由结果可知复合型可注射磷酸钙骨水泥浸提液的MTT值以及G0/G1比例、S期比例、G2/M期比例与自体松质骨浸提液。这就说明改进后的复合型CPC材料与自体松质骨具有相当的生物相容性。人体在正常步态下膝关节外侧能够承受最大的压力约为3倍体质量的40%，一个体质量60 kg的患者单侧膝关节外侧能够承受的最大力量约为720 N[13]，而本研究中所采用的复合型可注射磷酸钙骨水泥的最大载荷为(3 772.13±583.13)N，明显高于自体松质骨，也远远高于膝关节外侧最大负荷的5倍。同时，我们还发现改良后CPC的抗压刚度也高于自体松质骨。这就说明复合型可注射磷酸钙骨水泥的物理性能优于自体松质骨。

综上所述，复合型可注射磷酸钙骨水泥的最大载荷以及抗压刚度均更大，且与自体松质骨的生物相容性相当，是治疗胫骨平台SchatzkerⅡ型骨折的理想材料。

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Biomechanical study on composite type injectable calcium phosphate bone cement in TypeⅡSchatzker tibialplateau fractures.

WU Zhi-chao,ZHANG Li-cai,PING Wei,HU Qi.Second Department of Orthopedics,People's Hospital of Dingzhou,Dingzhou 073000,Hebei,CHINA

ObjectiveTo study the biomechanical effects of composite type injectable calcium phosphate bone cement in TypeⅡSchatzker tibial plateau fractures.MethodsTen couples of elderly cadavers(mice)proximal tibia specimens were collected and prepared for SchatzkerⅡtibial plateau fracture model;10 couples of specimens were randomly divided into observation group and control group,given respectively composite type injectable calcium phosphate bone cement and autogenous cancellous bone for bone grafting fixation.Biocompatibility and biomechanics of the two groups were compared.ResultsAfter the composite type injectable calcium phosphate bone cement extract liquor treatment in observation group,the MTT value and G0/G1ratio,S ratio,G2/M ratio of connective tissue fibroblast cell line L929 had no difference with that of the control group;but the maximum load and compression stiffness values of observation group were higher than those of the control group.ConclusionThe maximum load and compression stiffness values of composite type injectable calcium phosphate bone cement are larger,and its biocompatibility is equal with that of the autogenous cancellous bone.It is thus an ideal material for TypeⅡSchatzker tibial plateau fractures.

Tibial plateau fracture;Composite type injectable calcium phosphate bone cement;Autogenous cancellous bone;Biomechanics

R683.42

A

1003—6350（2014）23—3467—03

10.3969/j.issn.1003-6350.2014.23.1355

2014-07-18)

河北省保定市科技局2011年科研立项课题（编号：20131104001）

武智超。E-mail：zhanglicai88@163.com