三种抗生素骨水泥抗菌作用和机械强度的研究
作者：吕厚山 马迪 丁海明
单位：100044 北京医科大学人民医院关节病诊疗研究中心
关键词：人工关节；抗生素类；拉伸强度；抗感染药，局部
中华外科杂志98z120 【摘要】 目的 探讨常用抗生素在国产骨水泥中的抗菌作用及对其机械性能的影响。 方法 在不同细菌培养皿内放置含不同比例的硫酸妥布霉素粉剂、硫酸庆大霉素粉剂和西力欣三种抗生素的骨水泥，培养并观察抑菌环的大小和抑菌时间；同时测试含各种浓度抗生素骨水泥的抗拉强度和弹性模量。 结果 0.5～2.0 g抗生素(40 g骨水泥)对细菌有明显抑制作用，0.5～1.5 g组骨水泥抗拉强度和弹性模量较空白对照略有增加，2.0 g组开始下降。加水剂抗生素抗拉强度较粉剂和空白对照明显降低。 结论 加入适量和适当剂型抗生素既可以发挥抗菌作用，同时也不降低骨水泥的机械性能。
Bactericidal activity and mechanical properties of bone cement with three antibiotics Lu Houshan,Ma Di,Ding Haiming.Arthritis Research and Clinic Center,People′s Hospital,Beijing Medical University,Beijing 100044.
, 百拇医药
【Abstract】 Objective To evaluate the bactericidal effect and mechanical characteristics of bone cement with antibiotics. Method Bactericidal activity was determined by placing the bone cement on the plate with different bacteria. The diameter of bacterilitic area and duration were measuned. Tensile strength and elastic modulus of the cement were studied. Result Antibiotics between 0.5 and 2.0 g had remarkably bactericidal activity.Addition of 0.5 to 1.5 g of powder antibiotics to bone cement did not affect the tensile strength and elastic modulus. Conclusion Addition of proper form and dose of antibiotics significantly increases the bactericidal activity of bone cement and does not decrease its mechanical properties.
, 百拇医药
【Key words】 Joint prosthesis Antibiotics Tensile strength Anti-infective agents,local
感染是人工关节置换手术后最严重的一种并发症，而预防性使用抗生素可以明显降低术后感染的发生。但迄今为止国产骨水泥尚无含抗生素系列。不同抗生素及其不同剂量和剂型不仅影响抗生素释放速度，同时也影响到骨水泥的机械性能。本研究旨在探讨不同剂型抗生素加入国产骨水泥的抗菌作用以及对国产骨水泥机械强度的影响，以期指导临床应用，并为今后国产骨水泥的研制进行探索。
材料与方法
1.主要实验材料：骨水泥(PMMA，天津合成材料工业研究所)、硫酸妥布霉素粉剂(tobramycin，无锡制药厂)、硫酸庆大霉素粉剂(gentam-ycin，北京第四制药厂)、西力欣(cefuroxim，英国葛兰素威康制药公司)、真空搅拌器(美国Stryk公司)、有机玻璃模具、1×105金黄色葡萄球菌(ATCC25923)培养皿、1×105艾希氏大肠杆菌(ATCC25922)培养皿和1×105绿脓杆菌(ATCC27853)培养皿。
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2.实验方法：将上述三种抗生素分别以0.5 g、1.0 g、1.5 g和2.0 g剂量与40 g骨水泥在无菌条件下混合，各加20 ml单体，真空搅拌器搅拌或普通搅拌2分钟，加入模具内，制成直径6 mm、厚3 mm的圆盘形，各制9个。分别放在上述三种细菌培养皿中(每个皿放3个)。37℃温度条件下放置24小时，观察骨水泥周围的抑菌环大小。每24小时更换新培养皿一次，直至抑菌环小于6 mm为止。
根据我国标准塑料拉伸实验方法[1],采用铝合金制作的二型式样模具。掺入抗生素的骨水泥经真空搅拌或普通搅拌后，加入模具内固化成形，制成标准式样，模型有效部分长50 mm, 每组5个样本，并做1组不含抗生素样本作为对照，同时将水剂妥布霉素0.5 g(12.5 ml)和庆大霉素0.5 g(50 U,12.5 ml)按上述方法与骨水泥制成模具。
实验在静态性能测试室进行，实验温度23±1℃，湿度15%。拉伸速度为5±0.2 mm/min。弹性模量(E)按下式计算。
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E[kgF/cm2(MPa)]=应力/应变＝(P应力×L0)÷(B×C×ΔL)。其中P为载荷，即变形曲线上初始直线段的载荷增量，单位为kgF(N)；L0为标距(试样拉伸部分)；B为宽度；C为标距长度；ΔL为标距内的变形,与载荷增量P对应的标距L0内的变形增量，单位cm。
3.统计学处理：不同剂量抗生素抗菌作用比较应用方差分析；不同搅拌方法和不同剂型抗生素对骨水泥机械性能的影响应用t检验。
结果
1.抗生素骨水泥的抗菌作用(表1)：三种抗生素0.5～2.0 g对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和绿脓杆菌均有抑制作用，随着抗生素剂量的增加，骨水泥的抑菌作用逐渐增强。但是三种抗生素对细菌的作用敏感度不同，这与抗生素的抗菌谱有关。
2.抗生素对骨水泥机械强度的影响(表2)：实验结果显示，不同方法获得的含抗生素的骨水泥其抗拉强度和弹性模量不同。不同种类以及不同剂量的抗生素，真空搅拌者均比普通搅拌性能好，这与现代骨水泥技术的要求相一致。加入0.5～1.5 g妥布霉素的骨水泥抗拉强度与空白对照组相比有所增加，但是2.0 g组较之降低。其中1.0 g组强度较空白组有明显增强(P<0.01)。0.5～1.5 g组与2.0 g组相比差异有极显著性意义(P<0.01)。各组弹性模量均较空白对照组明显增加(P<0.05)。含1.0 g庆大霉素真空搅拌组其抗拉强度和弹性模量显著高于空白对照组(P<0.05)。普通搅拌庆大霉素组和含1.5 g西力欣组则仅弹性模量较对照组高(P<0.05)。后二者抗拉强度较妥布霉素组明显低(P<0.05)。
, 百拇医药
3.水剂抗生素对骨水泥机械性能的影响(表3)：骨水泥加入水剂妥布霉素后颜色变红，发热反应明显提前，影响操作，易呈层状，脆性增加，抗弯强度下降。水剂庆大霉素对骨水泥的影响较妥布霉素小。与掺入粉剂抗生素及不加抗生素的骨水泥相比，弹性模量和抗拉强度明显降低(P<0.05)。
表1 三种抗生素骨水泥的抑菌作用 抗生素
剂量(g)
金黄色葡萄球菌抑菌环
大肠杆菌抑菌环
绿脓杆菌抑菌环
第1天直径(mm)
持续时间(d)
第1天直径(mm)
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持续时间(d)
第1天直径(mm)
持续时间(d)
妥布霉素
0.5
21.3±0.5
5
21.6±0.5
3
22.0±1.0
3
1.0
21.6±0.5
, http://www.100md.com
5
21.6±1.1
4
23.6±0.5
4
1.5
23.3±0.5
6
23.3±0.5
5
26.3±1.5
5
2.0
, http://www.100md.com
25.7±1.8
7
26.6±0.5
5
28.3±0.5
5
庆大霉素
0.5
21.8±1.0
4
25.3±0.5
4
19.3±0.5
, 百拇医药
4
1.0
23.6±0.5
5
28.3±1.1
4
25.6±0.5
4
1.5
26.8±0.7
5
29.5±0.5
5
, http://www.100md.com
28.3±0.5
5
2.0
34.3±1.5
7
20.6±1.5
3
29.6±1.0
6
西力欣
0.5
32.3±0.5
7
, 百拇医药
19.8±0.7
3
0
0
1.0
35.0±1.0
7
20.3±0.5
3
6.6±1.1
2
1.5
36.0±0.7
, 百拇医药
7
24.3±0.5
3
13.3±0.5
3
2.0
36.6±0.5
7
26.3±1.5
4
14.3±0.5
3
表2 不同含量抗生素骨水泥抗拉强度与弹性模量 抗生素
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剂量(g)
样本量(个)
抗拉强度(MPa)
强性模量(GPa)
普通搅拌
真空搅拌
普通搅拌
真空搅拌
妥布霉素
0.5
5
36.0±0.8
38.9±0.7
, 百拇医药
2.70±0.01
2.86±0.04
1.0
5
36.8±1.3
43.6±0.8
2.86±0.09
3.17±0.04
1.5
5
36.2±0.8
30.5±1.1
, 百拇医药
2.89±0.09
3.15±0.04
2.0
5
33.0±1.2
35.5±1.1
2.93±0.04
3.40±0.02
庆大霉素
1.0
5
30.6±1.4
, 百拇医药 42.1±0.7
2.77±0.45
3.04±0.04
西力欣
1.5
5…
37.7±1.2…
3.19±0.03
阴性对照
0
5
30.0±1.5
38.4±1.1
, http://www.100md.com
2.50±0.06
2.87±0.02
表3 水剂抗生素骨水泥的抗拉强度和弹性模量 抗生素
剂量(g)
样本量
抗拉强度(MPa)
弹性模量(GPa)
妥布霉素
0.5
5
27.7±0.8
2.28±0.70
, 百拇医药
庆大霉素
0.5
5
23.6±1.2
2.40±0.06
空白对照
0
5
30.0±1.5
2.50±0.06
注：妥布霉素、庆大霉素剂量为12.5ml溶液中含量(g/ml)讨论
感染是人工关节置换手术最为严重的并发症，可以导致手术的失败，甚至造成患者死亡。尽管随着手术无菌技术的提高手术感染率在进一步下降，人工髋、膝关节置换的感染率由原来的12%降至1%～2%，但是术后感染仍然是导致手术失败的最主要原因，尤其是返修手术更是如此。因此，如何降低或控制感染，值得研究。
, 百拇医药
利用抗生素骨水泥来抵抗感染成为控制感染的主要方法之一。1970年，Buchholz和Engelbercht发现骨水泥中的抗生素可以持续释放，并可降低人工关节置换手术后的感染率。以后许多研究证明将耐热的抗生素加入骨水泥，在实验或活体内具有有效的抗菌作用。骨水泥中的抗生素仍可以通过浓度梯度向周围扩散。本研究结果表明，妥布霉素、庆大霉素和西力欣加入骨水泥后具有明显的抗菌作用，随着加入抗生素剂量的增加对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和绿脓杆菌的抑菌环直径逐渐扩大，对细菌的抑制时间也逐渐延长。抗生素剂量由0.5 g增加到2.0 g，抑菌环直径由21.3 mm增至25.7 mm, 由5天增至7天。其中对金黄色葡萄球菌抗菌力以西力欣最强，对大肠杆菌和绿脓杆菌以庆大霉素最强。说明上述三种抗生素在国产骨水泥内具有良好的释放能力和耐热能力，是掺入骨水泥的优选抗生素。
骨水泥掺入抗生素后，其机械性能是否发生变化?这是骨科医生关心的另一个重要问题。既往的研究中，有学者对庆大霉素、新青霉素Ⅰ和先锋霉素Ⅰ掺入骨水泥进行了研究，发现40 g骨水泥加入少于2.0 g的抗生素对其压力强度和张力强度没有明显影响。然而在40 g骨水泥中加入4.5 g以上的庆大霉素时，骨水泥抗压强度明显下降，低于可接受的最低标准70 MPa。本研究发现与空白对照相比，上述三种粉剂抗生素由0.5 g～1.5 g抗拉强度和弹性模量有所增加，但是加至2.0 g时抗拉强度开始下降。
, 百拇医药
与粉剂抗生素不同，水剂抗生素的掺入会明显降低骨水泥的机械强度，脆性增加，颜色改变。0.5 g水剂庆大霉素和妥布霉素抗拉强度分别下降至27.7和23.6 MPa，与国外学者的报道相似。我们认为，临床上不宜采用水剂抗生素掺入骨水泥。
综上所述，本实验结果表明，国产骨水泥添加庆大霉素、妥布霉素和西力欣都具有较明显的释放和抑菌能力，有效时间可维持5～7天；0.5～1.5 g的添加比例不影响骨水泥的抗拉强度和弹性模量，而且有所增加；多于2.0 g后，抗拉强度和弹性模量开始下降，但仍较空白对照组高；水剂抗生素可明显降低骨水泥的抗拉强度和弹性模量，临床上不宜采用。
志谢 本研究得到中国航空材料研究所大力协助
参 考 文 献
1 国家技术监督局.中华人民共和国国家标准(GB/T1040-92):塑料拉伸性能实验方法.国家技术监督局，1992.
(收稿：1998-07-15 修回：1998-10-08), 百拇医药
单位：100044 北京医科大学人民医院关节病诊疗研究中心
关键词：人工关节；抗生素类；拉伸强度；抗感染药，局部
中华外科杂志98z120 【摘要】 目的 探讨常用抗生素在国产骨水泥中的抗菌作用及对其机械性能的影响。 方法 在不同细菌培养皿内放置含不同比例的硫酸妥布霉素粉剂、硫酸庆大霉素粉剂和西力欣三种抗生素的骨水泥，培养并观察抑菌环的大小和抑菌时间；同时测试含各种浓度抗生素骨水泥的抗拉强度和弹性模量。 结果 0.5～2.0 g抗生素(40 g骨水泥)对细菌有明显抑制作用，0.5～1.5 g组骨水泥抗拉强度和弹性模量较空白对照略有增加，2.0 g组开始下降。加水剂抗生素抗拉强度较粉剂和空白对照明显降低。 结论 加入适量和适当剂型抗生素既可以发挥抗菌作用，同时也不降低骨水泥的机械性能。
Bactericidal activity and mechanical properties of bone cement with three antibiotics Lu Houshan,Ma Di,Ding Haiming.Arthritis Research and Clinic Center,People′s Hospital,Beijing Medical University,Beijing 100044.
, 百拇医药
【Abstract】 Objective To evaluate the bactericidal effect and mechanical characteristics of bone cement with antibiotics. Method Bactericidal activity was determined by placing the bone cement on the plate with different bacteria. The diameter of bacterilitic area and duration were measuned. Tensile strength and elastic modulus of the cement were studied. Result Antibiotics between 0.5 and 2.0 g had remarkably bactericidal activity.Addition of 0.5 to 1.5 g of powder antibiotics to bone cement did not affect the tensile strength and elastic modulus. Conclusion Addition of proper form and dose of antibiotics significantly increases the bactericidal activity of bone cement and does not decrease its mechanical properties.
, 百拇医药
【Key words】 Joint prosthesis Antibiotics Tensile strength Anti-infective agents,local
感染是人工关节置换手术后最严重的一种并发症，而预防性使用抗生素可以明显降低术后感染的发生。但迄今为止国产骨水泥尚无含抗生素系列。不同抗生素及其不同剂量和剂型不仅影响抗生素释放速度，同时也影响到骨水泥的机械性能。本研究旨在探讨不同剂型抗生素加入国产骨水泥的抗菌作用以及对国产骨水泥机械强度的影响，以期指导临床应用，并为今后国产骨水泥的研制进行探索。
材料与方法
1.主要实验材料：骨水泥(PMMA，天津合成材料工业研究所)、硫酸妥布霉素粉剂(tobramycin，无锡制药厂)、硫酸庆大霉素粉剂(gentam-ycin，北京第四制药厂)、西力欣(cefuroxim，英国葛兰素威康制药公司)、真空搅拌器(美国Stryk公司)、有机玻璃模具、1×105金黄色葡萄球菌(ATCC25923)培养皿、1×105艾希氏大肠杆菌(ATCC25922)培养皿和1×105绿脓杆菌(ATCC27853)培养皿。
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2.实验方法：将上述三种抗生素分别以0.5 g、1.0 g、1.5 g和2.0 g剂量与40 g骨水泥在无菌条件下混合，各加20 ml单体，真空搅拌器搅拌或普通搅拌2分钟，加入模具内，制成直径6 mm、厚3 mm的圆盘形，各制9个。分别放在上述三种细菌培养皿中(每个皿放3个)。37℃温度条件下放置24小时，观察骨水泥周围的抑菌环大小。每24小时更换新培养皿一次，直至抑菌环小于6 mm为止。
根据我国标准塑料拉伸实验方法[1],采用铝合金制作的二型式样模具。掺入抗生素的骨水泥经真空搅拌或普通搅拌后，加入模具内固化成形，制成标准式样，模型有效部分长50 mm, 每组5个样本，并做1组不含抗生素样本作为对照，同时将水剂妥布霉素0.5 g(12.5 ml)和庆大霉素0.5 g(50 U,12.5 ml)按上述方法与骨水泥制成模具。
实验在静态性能测试室进行，实验温度23±1℃，湿度15%。拉伸速度为5±0.2 mm/min。弹性模量(E)按下式计算。
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E[kgF/cm2(MPa)]=应力/应变＝(P应力×L0)÷(B×C×ΔL)。其中P为载荷，即变形曲线上初始直线段的载荷增量，单位为kgF(N)；L0为标距(试样拉伸部分)；B为宽度；C为标距长度；ΔL为标距内的变形,与载荷增量P对应的标距L0内的变形增量，单位cm。
3.统计学处理：不同剂量抗生素抗菌作用比较应用方差分析；不同搅拌方法和不同剂型抗生素对骨水泥机械性能的影响应用t检验。
结果
1.抗生素骨水泥的抗菌作用(表1)：三种抗生素0.5～2.0 g对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和绿脓杆菌均有抑制作用，随着抗生素剂量的增加，骨水泥的抑菌作用逐渐增强。但是三种抗生素对细菌的作用敏感度不同，这与抗生素的抗菌谱有关。
2.抗生素对骨水泥机械强度的影响(表2)：实验结果显示，不同方法获得的含抗生素的骨水泥其抗拉强度和弹性模量不同。不同种类以及不同剂量的抗生素，真空搅拌者均比普通搅拌性能好，这与现代骨水泥技术的要求相一致。加入0.5～1.5 g妥布霉素的骨水泥抗拉强度与空白对照组相比有所增加，但是2.0 g组较之降低。其中1.0 g组强度较空白组有明显增强(P<0.01)。0.5～1.5 g组与2.0 g组相比差异有极显著性意义(P<0.01)。各组弹性模量均较空白对照组明显增加(P<0.05)。含1.0 g庆大霉素真空搅拌组其抗拉强度和弹性模量显著高于空白对照组(P<0.05)。普通搅拌庆大霉素组和含1.5 g西力欣组则仅弹性模量较对照组高(P<0.05)。后二者抗拉强度较妥布霉素组明显低(P<0.05)。
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3.水剂抗生素对骨水泥机械性能的影响(表3)：骨水泥加入水剂妥布霉素后颜色变红，发热反应明显提前，影响操作，易呈层状，脆性增加，抗弯强度下降。水剂庆大霉素对骨水泥的影响较妥布霉素小。与掺入粉剂抗生素及不加抗生素的骨水泥相比，弹性模量和抗拉强度明显降低(P<0.05)。
表1 三种抗生素骨水泥的抑菌作用 抗生素
剂量(g)
金黄色葡萄球菌抑菌环
大肠杆菌抑菌环
绿脓杆菌抑菌环
第1天直径(mm)
持续时间(d)
第1天直径(mm)
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持续时间(d)
第1天直径(mm)
持续时间(d)
妥布霉素
0.5
21.3±0.5
5
21.6±0.5
3
22.0±1.0
3
1.0
21.6±0.5
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21.6±1.1
4
23.6±0.5
4
1.5
23.3±0.5
6
23.3±0.5
5
26.3±1.5
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25.7±1.8
7
26.6±0.5
5
28.3±0.5
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庆大霉素
0.5
21.8±1.0
4
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4
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4
1.0
23.6±0.5
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28.3±1.1
4
25.6±0.5
4
1.5
26.8±0.7
5
29.5±0.5
5
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28.3±0.5
5
2.0
34.3±1.5
7
20.6±1.5
3
29.6±1.0
6
西力欣
0.5
32.3±0.5
7
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19.8±0.7
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0
1.0
35.0±1.0
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20.3±0.5
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6.6±1.1
2
1.5
36.0±0.7
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24.3±0.5
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2.0
36.6±0.5
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26.3±1.5
4
14.3±0.5
3
表2 不同含量抗生素骨水泥抗拉强度与弹性模量 抗生素
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剂量(g)
样本量(个)
抗拉强度(MPa)
强性模量(GPa)
普通搅拌
真空搅拌
普通搅拌
真空搅拌
妥布霉素
0.5
5
36.0±0.8
38.9±0.7
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2.70±0.01
2.86±0.04
1.0
5
36.8±1.3
43.6±0.8
2.86±0.09
3.17±0.04
1.5
5
36.2±0.8
30.5±1.1
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3.40±0.02
庆大霉素
1.0
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30.6±1.4
, 百拇医药 42.1±0.7
2.77±0.45
3.04±0.04
西力欣
1.5
5…
37.7±1.2…
3.19±0.03
阴性对照
0
5
30.0±1.5
38.4±1.1
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2.50±0.06
2.87±0.02
表3 水剂抗生素骨水泥的抗拉强度和弹性模量 抗生素
剂量(g)
样本量
抗拉强度(MPa)
弹性模量(GPa)
妥布霉素
0.5
5
27.7±0.8
2.28±0.70
, 百拇医药
庆大霉素
0.5
5
23.6±1.2
2.40±0.06
空白对照
0
5
30.0±1.5
2.50±0.06
注：妥布霉素、庆大霉素剂量为12.5ml溶液中含量(g/ml)讨论
感染是人工关节置换手术最为严重的并发症，可以导致手术的失败，甚至造成患者死亡。尽管随着手术无菌技术的提高手术感染率在进一步下降，人工髋、膝关节置换的感染率由原来的12%降至1%～2%，但是术后感染仍然是导致手术失败的最主要原因，尤其是返修手术更是如此。因此，如何降低或控制感染，值得研究。
, 百拇医药
利用抗生素骨水泥来抵抗感染成为控制感染的主要方法之一。1970年，Buchholz和Engelbercht发现骨水泥中的抗生素可以持续释放，并可降低人工关节置换手术后的感染率。以后许多研究证明将耐热的抗生素加入骨水泥，在实验或活体内具有有效的抗菌作用。骨水泥中的抗生素仍可以通过浓度梯度向周围扩散。本研究结果表明，妥布霉素、庆大霉素和西力欣加入骨水泥后具有明显的抗菌作用，随着加入抗生素剂量的增加对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和绿脓杆菌的抑菌环直径逐渐扩大，对细菌的抑制时间也逐渐延长。抗生素剂量由0.5 g增加到2.0 g，抑菌环直径由21.3 mm增至25.7 mm, 由5天增至7天。其中对金黄色葡萄球菌抗菌力以西力欣最强，对大肠杆菌和绿脓杆菌以庆大霉素最强。说明上述三种抗生素在国产骨水泥内具有良好的释放能力和耐热能力，是掺入骨水泥的优选抗生素。
骨水泥掺入抗生素后，其机械性能是否发生变化?这是骨科医生关心的另一个重要问题。既往的研究中，有学者对庆大霉素、新青霉素Ⅰ和先锋霉素Ⅰ掺入骨水泥进行了研究，发现40 g骨水泥加入少于2.0 g的抗生素对其压力强度和张力强度没有明显影响。然而在40 g骨水泥中加入4.5 g以上的庆大霉素时，骨水泥抗压强度明显下降，低于可接受的最低标准70 MPa。本研究发现与空白对照相比，上述三种粉剂抗生素由0.5 g～1.5 g抗拉强度和弹性模量有所增加，但是加至2.0 g时抗拉强度开始下降。
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与粉剂抗生素不同，水剂抗生素的掺入会明显降低骨水泥的机械强度，脆性增加，颜色改变。0.5 g水剂庆大霉素和妥布霉素抗拉强度分别下降至27.7和23.6 MPa，与国外学者的报道相似。我们认为，临床上不宜采用水剂抗生素掺入骨水泥。
综上所述，本实验结果表明，国产骨水泥添加庆大霉素、妥布霉素和西力欣都具有较明显的释放和抑菌能力，有效时间可维持5～7天；0.5～1.5 g的添加比例不影响骨水泥的抗拉强度和弹性模量，而且有所增加；多于2.0 g后，抗拉强度和弹性模量开始下降，但仍较空白对照组高；水剂抗生素可明显降低骨水泥的抗拉强度和弹性模量，临床上不宜采用。
志谢 本研究得到中国航空材料研究所大力协助
参 考 文 献
1 国家技术监督局.中华人民共和国国家标准(GB/T1040-92):塑料拉伸性能实验方法.国家技术监督局，1992.
(收稿：1998-07-15 修回：1998-10-08), 百拇医药