羟基磷灰石涂层钢板螺钉改善骨折稳定性的实验研究
作者：张邵军 邹宏恩 叶军 张春和 杨造成 何永富 王双声
单位：张邵军 张春和 杨造成 何永富 王双声(030006 太原,武警山西总队医院外二科)；邹宏恩 叶军(第四军医大学唐都医院骨科)
关键词：硬羟基磷灰石；内固定器；骨质疏松
中华骨科杂志000212
【摘要】目的比较国产羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)涂层钢板螺钉与非涂层钢板螺钉在体负重情况下对骨折的内固定效果。方法四孔钢板螺钉24套，附加螺钉60枚，对其中12套钢板、30枚螺钉行HA等离子喷涂，其余的钢板、螺钉不喷。12只成年杂种犬，每只犬的两侧肱骨线型骨折后分别以HA涂层钢板、螺钉或非涂层钢板、螺钉内固定，每只犬的右胫骨间隔2cm交递置入HA涂层钉和非涂层钉共5枚。按术后即刻、3、6周将犬分成3组。处死后行组织学观察和生物力学测试。结果组织学观察：术后3、6周组HA涂层均无明显降解，其与不锈钢基底结合良好，与骨组织结合紧密，3、6周组HA涂层钢板下都有不同程度的皮质骨上新生骨形成，该处未见明显的骨质疏松。相反非涂层钢板、螺钉与骨接触不紧密，其间有薄层纤维组织生长，钢板下可见不同程度的骨质疏松。力学测试：3、6周组犬中HA涂层组的三点折弯强度及螺钉拔出强度均比非涂层组大。结论国产HA涂层的钢板螺钉可增加骨折内固定的稳定性。
, 百拇医药
Improvement of stability of fracture healing with hydroxyapatite coated plate and pin: an in vivo short-term experimental study
ZHANG Shaojun,ZOU Hong-en,YE Jun, et al.
(Department of Orthopaedic Surgery, Shanxi Provincial Corps Hospital, Chinese People's Armed Police Forces, Taiyuan 030006,China)
【 Abstract】 Objective This is a short term exerimental study for the evaluation of the internal fixation effect in weight bearing conditions with the use of two types of plants and pins, the uncoated and coated with domestic made hydroxyapatite (HA). Methods Twenty four pairs of plate and pins with 60 screws were made into two kinds:the one of plasma sprayed with HA and the other remained uncoated. 12 adult dogs were selected for the experimental study. Over the fracture line of the humeri of the animals, fixation was done on one side with the coated plates and pins and the other side with the uncoated plate and pins. Over the right tibia shaft, the coate screws and the uncoated ones were inserted alternatively in between distances of 2 cm and totally 5 screws of each kind were inserted. The dogs were scarificed in three groups: one immediately after surgery,and the orther two groups in 3 and 6 weeks after surgery. Histomorphological studies and biomechanics measurement was carried out. Results No degradation was found in the HA coated specimens. The integration of the interface between HA coating and the stainless steel substrate was solid and HA coating of the implant formed tight bonding with the surrounding bony tissue in different periods.The new bone formation beneath the coated plate was seen at 3 and 6 weeks and there was no obvious osteoporosis. Conversely, there were the crack and fibrous tissue between bone and uncoated plate and pin. Different degrees of osteoporotic bone beneath uncoated plate was observed. Biomechanical measurement showed the three points bend strength and extraction strength being higher in the HA coated groups compared with the uncoated ones at both 3 and 6 weeks after surgery. Conclusion HA-coated plates and pins improved the stability of internal fixation for fracture healing.
, 百拇医药
【 Key words】Durapatite； Internal fixators； Osteoporosis
骨折的坚强内固定是提高骨折疗效之关键[1]。骨折固定的失稳常致治疗失败。如何提高内固定的稳定性，是矫形外科医师和生物力学工程师共同努力的方向。由于羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)具有良好的生物活性、骨传导性[2,3]，故我们研制了以国产HA等离子喷涂的钢板螺钉作为骨折内固定的研究对象，以比较HA涂层和非涂层钢板螺钉在体负重情况下对犬肱骨骨折内固定的固定效果，探索一条提高骨折内固定稳定性的新方法。
材料与方法
一、钢板与螺钉
四孔钢板、螺钉24套和附加螺钉60枚，钢板为7.5cm×1.2cm×0.35cm,螺钉间距2cm,螺钉长3cm,螺纹直径4.5mm,螺纹深1.25mm.其中12套钢板螺钉及30枚螺钉表面行等离子喷涂一层HA(四川联合大学分析测试中心),钢板HA厚度100～120μm，螺钉HA厚度50～80μm。喷涂前后HA的含量均大于95%，结晶度大于65%，Ca/P比例(1.67±0.01),重金属含量低于FDA标准,另外12套钢板和30枚螺钉未涂层。
, http://www.100md.com
二、实验动物
12只体重在(20±2.5)kg的成年杂种犬,按术后即刻、3、6周分成3个时间组，即术后即刻组2只作为本底对照，3、6周组各5只，并将各组犬随机编为单双号。
三、手术操作
846麻药0.15ml/kg肌内注射全麻。脱毛后仰卧，左右肱骨前外侧入路,无菌操作显露肱骨干，于肘上10cm处用电锯将肱骨干横断，4.2mm钻头钻孔后以特制丝锥攻丝，四孔钢板螺钉固定。每组单号犬右侧以涂层钢板螺钉固定，左侧以非涂层钢板螺钉内固定，双号犬反之。再显露每只犬胫骨，依次交递置入涂层和非涂层螺钉共5枚，单号犬1号钉为涂层钉，双号犬1号钉为非涂层钉，每钉间距2cm，先钻孔后以各自特制丝锥攻丝，将螺钉拧入指定深度。冲洗伤口，缝合创面。术前肌内注射8万u庆大霉素和160万u青霉素；术中替硝唑250ml静脉点滴，平衡盐液500～1000ml静脉点滴；术后圈养，自由负重，肌内注射庆大霉素8万u/d，青霉素160万u/d，共5d。
, 百拇医药
四、统计学分析
运用t检验、方差分析对测定的实验数据行统计学处理，设检验水准α=0.01(第四军医大学统计学教研室)。
结果
一、临床观察结果
术中各组犬生命体征平稳。术后3、6周组各有一只犬一侧肱骨干再骨折退出实验，其它犬伤口愈合为甲级，术后3～5d所有犬上肢都开始负重，未见其它的并发症。
二、X线观察结果
术后3、6周组犬处死后摄双侧肱骨，胫骨正、侧位X线片，观察肱骨骨折愈合情况及钢板和螺钉周围的骨反应。如骨折线仍存在，周围出现较多云雾状骨痂，说明骨折端缺乏稳定性，螺钉与皮质骨之间X线透亮区≥0.5mm，表明螺钉有松动。发现术后3、6周组涂层钢板螺钉周围均未见明显X线透亮区，3周组骨折线模糊，6周组骨折线消失，钢板下皮质骨未见明显疏松；非涂层钢板螺钉周围均可见不同程度的放射线透亮区，骨折线存在，周围可见大量云雾状骨痂，钢板下可见不同程度的骨质疏松(图1)。
, 百拇医药
a 非涂层钢板螺钉内固定术后6周X线正、侧位片示骨折线仍存在，周围可见大量云雾状
骨痂，断端可见骨质吸收 b 胫骨置入螺钉X线正、侧位片。箭头所示为非涂层钉进
入骨皮质处≥0.5mm的X线透亮区,为螺钉松动
图1 非涂层钢板螺钉内固定术后X线表现
三、生物力学测试结果
Instron 1195测力仪行肱骨的三点折弯试验与螺钉的拔出试验。三点折弯试验：跨度10cm，加载速率5mm/min，满载5kN，将骨折端置于跨度中央，测定每一套钢板螺钉固定骨折的强度；螺钉拔出试验：特制夹具连接螺钉骨块与测力仪，满载5kN，加载速度5mm/min，测定1～4号螺钉的拔出强度,折弯强度与拔出强度均取其破坏强度，为受力记录曲线的峰值(西安交通大学金属与材料强度国家重点试验室)。术后即刻、3、6周组三点折弯试验生物力学结果见表1，术后即刻涂层与非涂层组三点折弯强度相近；3、6周组涂层比非涂层组三点折弯强度增高明显。涂层各时间组三点折弯强度相差亦明显。非涂层各时间组间三点折弯强度相差不明显。
, http://www.100md.com
图2 6周喷金片扫描电镜示骨组织长入HA的微小缝隙中 ×2000
a 涂层螺钉外骨组织结合紧密 b 非涂层螺钉外骨组织结合不紧密，存在缝隙
图3 6周骨磨片普通光镜观查 ×4
表1各时间组三点折弯强度(
±s,kN) 组 别
术后即刻(n1,n1')
3周(n2,n2')
6周(n3,n3')
, http://www.100md.com
非涂层组(N)
114.25±27.93
87.33±15.04
84.17±7.59
涂 层 组(N')
127.00±35.36
180.00±22.78
231.50±17.71
注：N=8；N'=10；n1=n1'=2；n2=3；n2'=4；n3=3；n3'=4(n1、n2、n3
, http://www.100md.com
为非涂层各时间组试验数；n1'、n2'、n3'为涂层各时间组试验数)
各时间组螺钉拔出试验生物力学结果统计学处理见表2。经t检验,术后即刻涂层与非涂层螺钉拔出强度差异无显著性意义(P=0.49)；3、6周涂层钉比非涂层钉拔出强度明显增高(P<0.01) 。 经F检验，涂层各时间组螺钉拔出强度差异亦显著，且各时间组间均有差异，说明随时间延长螺钉拔出强度有所增加；非涂层各时间组螺钉拔出强度无显著差异，表明拔出强度不随时间增长。
表2 各时间组螺钉的拔出强度(±s,kN) 组 别
术后即刻(n1)
3周(n2)
, http://www.100md.com
6周(n3)
F值
P值
非涂层组(N)
191.00±30.64
136.25±24.55
146.69±23.00
7.40
0.045
涂 层 组(N)
204.6±28.65
302.06±27.16
, 百拇医药
358.81±37.28
36.25
0.001
注：N=21；n1=5；n2=8；n3=8(n1、n2、n3为涂层和非涂层各时间组试验数)
四、组织学结果
将术后3、6周组犬预留的一单号钢板螺钉及其周围骨组织和胫骨上的5号螺钉及其周围骨组织用甲基苯烯酸树脂包埋后，硬质材料超薄切片机切片，钢板间隔0.25cm切片，共切30张;螺钉沿纵轴间隔0.5mm切片，共切9张，喷金后，供扫描电镜观察;然后制成骨磨片，厚约十几个微米，改良Masson染色后，供普通光镜观察及作组织形态计量学分析。3、6周组犬涂层钢板，螺钉均未见涂层明显变薄或疏松。涂层与骨组织结合较紧密，骨小梁适应HA凹凸不平的表面生长，并长入HA的微小空隙中与之融为一体(图2)；与涂层紧密结合的除骨组织外，还有纤维样物质，其中纤维排列规则。固定骨折的螺钉周围纤维物比胫骨干植入螺钉周围纤维样物多。涂层钢板下的骨细胞未见明显稀少。相反，3、6周组非涂层钢板、螺钉与周围骨组织间存在缝隙有较多纤维组织长入(图3)，钢板下可见不同程度的骨细胞稀少。
, http://www.100md.com
五、钢板、螺钉周围组织形态计量学结果
表3 3、6周犬内固定钢板、螺钉及胫骨置入螺钉与骨组织接触量(%) 组别
钢板与骨接触量
固定螺钉与骨接触量
植入螺钉与骨接触量
3周
6周
3周
6周
3周
6周
非涂层组
, 百拇医药
2.10±1.98
2.72±2.60
8.00±4.06
9.47±6.63
17.17±7.56
21.80±9.02
HA涂层组
8.17±6.29
16.32±12.42
33.73±15.55
44.67±16.28
78.30±9.20
, 百拇医药
89.83±4.01
在放大6倍下用图形分析软件测量涂层和非涂层钢板，螺钉表面与之紧密接触的骨组织的百分率，为线性接触相对百分数(第四军医大学基础部图形分析室)。各组用于内固定的涂层和非涂层钢板、螺钉与骨接触量及胫骨置入螺钉与骨接触量见表3，知非涂层组钢板与骨几乎不接触，螺钉与骨接触的百分率亦低，而涂层组钢板、螺钉与周围骨组织有一定的接触；胫骨置入螺钉骨接触率涂层比非涂层明显增高，且由于该螺钉无载荷影响，其涂层钉骨接触率比内固定的涂层钉高。
讨论
HA作为涂层来观察其对假体固定效果的研究，国内外多有报道[4-6]，将HA涂层于不锈钢板、螺钉来观察对骨折内固定效果的研究，国内外报道极少。
HA涂层钢板、螺钉提高内固定稳定性的机制：利用HA材料良好的生物学活性-骨传导性使骨直接沉积于HA钢板螺钉表面，形成化学性和生物性结合。采用等离子喷涂技术在逾千度的高温下HA与不锈钢本体形成牢固的化学结合，从而使两骨折端通过与骨牢固结合的HA涂层螺钉、钢板获得坚强而可靠的固定。
, 百拇医药
力学测试表明：涂层的三点折弯强度与螺钉的拔出强度在术后短时间内就有很大提高，且随时间延长有增加趋势，但HA涂层的剪切强度一般在8～10周时达到最大强度，这已被证实[7]。HA涂层钢板、螺钉固定骨折的这种力学分布可能利于骨折愈合，因内固定术后早期是骨折的最不稳定期，是内固定治疗的关键。而HA涂层可提高早期的界面稳定，这可能对骨折的愈合是有益的。
X线检查示：3、6周涂层钢板、螺钉未见明显X线透亮区，且钢板下有不同程度的新骨形成，证明了HA的生物活性。非涂层钢板螺钉周围可见明显X线透亮区且钢板下有不同程度的骨细胞稀疏。
组织学观察发现各期HA外都未见炎性细胞、巨噬细胞，表明HA具有良好的生物相容性，HA涂层外骨组织接触量比非涂层组明显增高，印证了HA的骨传导性。研究发现骨与HA直接结合中间无纤维膜[8]。内固定的HA螺钉比置入的HA螺钉骨接触量低，说明微动的HA螺钉周围有较多的纤维层存在，这与Soballe等[9]及曹永平等[5]的实验发现相同。
, http://www.100md.com
虽然HA涂层钢板螺钉可增加内固定的稳定性，但是否因其与骨组织结合紧密而导致取出困难，从理论上讲，HA涂层使钢板螺钉与骨的结合强度是有限的，多为非涂层强度的几倍。比金属本身的强度小得多，另外金属与骨组织弹性模量间的差异，使二者界面间存在相对微动，加之HA涂层因厚度、纯度、密度、表面积不同，在体内有一定的降解，均为涂层钢板螺钉的取出提供了理论依据。从实践上，尚需作进一步深入细致地研究，如延长实验时间等为涂层钢板螺钉的取出提供实验依据。
参 考 文 献
1.荣国威，翟桂华，刘沂泽,等.骨科内固定.第3版.北京：人民卫生出版社，1995.1-56.
2.Geesink RG,de Groot K,Klein CP. Bonding of bone to apatite-coated implants.J Bone Joint Surg(Br),1988,70:17- 22.
, 百拇医药
3.Geesink RG,de Groot K,Klein CP.Chemical implant fixation using hydroxyl apatite coatings: the development of a human total hip prosthesis for chemical fixation to bone using hydroxyl apatite coatings on titanium substrates.Clin Orthop, 1987,(225):147- 170.
4.D'Antotnio JA,Capello WN,Manley MT. Remodeling of bone around hydroxyapatite coated femoral stems.J Bone Joint Surg(Am),1996,78:126- 1234.
5.曹永平,严尚诚.羟基磷灰石涂层人工股骨柄的实验研究.中华骨科杂志,1997,17:155-159.
, 百拇医药
6.严尚诚,袁毓,徐本明,等.羟基磷灰石涂层人工股骨柄的临床应用.中华骨科杂志,1997,17:167-170.
7.曹永平,严尚诚,鞠卫东.羟基磷灰石涂层人工髋关节.中华骨科杂志,1997,17:194-197.
8.Geesink RG.Experimental and clinical experience with hydroxyapatite coated hip implants.Orthopedics,1989,12:1239-1242.
9.Soballe K,Hansen ES,Brockstedt-Rasmussen H,et al. Hydroxyapatite coating converts fibrous tissue to bone around loaded implants.J Bone Joint Surg(Br),1993, 75:270- 278.
收稿日期:1998-10-28, 百拇医药
单位：张邵军 张春和 杨造成 何永富 王双声(030006 太原,武警山西总队医院外二科)；邹宏恩 叶军(第四军医大学唐都医院骨科)
关键词：硬羟基磷灰石；内固定器；骨质疏松
中华骨科杂志000212
【摘要】目的比较国产羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)涂层钢板螺钉与非涂层钢板螺钉在体负重情况下对骨折的内固定效果。方法四孔钢板螺钉24套，附加螺钉60枚，对其中12套钢板、30枚螺钉行HA等离子喷涂，其余的钢板、螺钉不喷。12只成年杂种犬，每只犬的两侧肱骨线型骨折后分别以HA涂层钢板、螺钉或非涂层钢板、螺钉内固定，每只犬的右胫骨间隔2cm交递置入HA涂层钉和非涂层钉共5枚。按术后即刻、3、6周将犬分成3组。处死后行组织学观察和生物力学测试。结果组织学观察：术后3、6周组HA涂层均无明显降解，其与不锈钢基底结合良好，与骨组织结合紧密，3、6周组HA涂层钢板下都有不同程度的皮质骨上新生骨形成，该处未见明显的骨质疏松。相反非涂层钢板、螺钉与骨接触不紧密，其间有薄层纤维组织生长，钢板下可见不同程度的骨质疏松。力学测试：3、6周组犬中HA涂层组的三点折弯强度及螺钉拔出强度均比非涂层组大。结论国产HA涂层的钢板螺钉可增加骨折内固定的稳定性。
, 百拇医药
Improvement of stability of fracture healing with hydroxyapatite coated plate and pin: an in vivo short-term experimental study
ZHANG Shaojun,ZOU Hong-en,YE Jun, et al.
(Department of Orthopaedic Surgery, Shanxi Provincial Corps Hospital, Chinese People's Armed Police Forces, Taiyuan 030006,China)
【 Abstract】 Objective This is a short term exerimental study for the evaluation of the internal fixation effect in weight bearing conditions with the use of two types of plants and pins, the uncoated and coated with domestic made hydroxyapatite (HA). Methods Twenty four pairs of plate and pins with 60 screws were made into two kinds:the one of plasma sprayed with HA and the other remained uncoated. 12 adult dogs were selected for the experimental study. Over the fracture line of the humeri of the animals, fixation was done on one side with the coated plates and pins and the other side with the uncoated plate and pins. Over the right tibia shaft, the coate screws and the uncoated ones were inserted alternatively in between distances of 2 cm and totally 5 screws of each kind were inserted. The dogs were scarificed in three groups: one immediately after surgery,and the orther two groups in 3 and 6 weeks after surgery. Histomorphological studies and biomechanics measurement was carried out. Results No degradation was found in the HA coated specimens. The integration of the interface between HA coating and the stainless steel substrate was solid and HA coating of the implant formed tight bonding with the surrounding bony tissue in different periods.The new bone formation beneath the coated plate was seen at 3 and 6 weeks and there was no obvious osteoporosis. Conversely, there were the crack and fibrous tissue between bone and uncoated plate and pin. Different degrees of osteoporotic bone beneath uncoated plate was observed. Biomechanical measurement showed the three points bend strength and extraction strength being higher in the HA coated groups compared with the uncoated ones at both 3 and 6 weeks after surgery. Conclusion HA-coated plates and pins improved the stability of internal fixation for fracture healing.
, 百拇医药
【 Key words】Durapatite； Internal fixators； Osteoporosis
骨折的坚强内固定是提高骨折疗效之关键[1]。骨折固定的失稳常致治疗失败。如何提高内固定的稳定性，是矫形外科医师和生物力学工程师共同努力的方向。由于羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)具有良好的生物活性、骨传导性[2,3]，故我们研制了以国产HA等离子喷涂的钢板螺钉作为骨折内固定的研究对象，以比较HA涂层和非涂层钢板螺钉在体负重情况下对犬肱骨骨折内固定的固定效果，探索一条提高骨折内固定稳定性的新方法。
材料与方法
一、钢板与螺钉
四孔钢板、螺钉24套和附加螺钉60枚，钢板为7.5cm×1.2cm×0.35cm,螺钉间距2cm,螺钉长3cm,螺纹直径4.5mm,螺纹深1.25mm.其中12套钢板螺钉及30枚螺钉表面行等离子喷涂一层HA(四川联合大学分析测试中心),钢板HA厚度100～120μm，螺钉HA厚度50～80μm。喷涂前后HA的含量均大于95%，结晶度大于65%，Ca/P比例(1.67±0.01),重金属含量低于FDA标准,另外12套钢板和30枚螺钉未涂层。
, http://www.100md.com
二、实验动物
12只体重在(20±2.5)kg的成年杂种犬,按术后即刻、3、6周分成3个时间组，即术后即刻组2只作为本底对照，3、6周组各5只，并将各组犬随机编为单双号。
三、手术操作
846麻药0.15ml/kg肌内注射全麻。脱毛后仰卧，左右肱骨前外侧入路,无菌操作显露肱骨干，于肘上10cm处用电锯将肱骨干横断，4.2mm钻头钻孔后以特制丝锥攻丝，四孔钢板螺钉固定。每组单号犬右侧以涂层钢板螺钉固定，左侧以非涂层钢板螺钉内固定，双号犬反之。再显露每只犬胫骨，依次交递置入涂层和非涂层螺钉共5枚，单号犬1号钉为涂层钉，双号犬1号钉为非涂层钉，每钉间距2cm，先钻孔后以各自特制丝锥攻丝，将螺钉拧入指定深度。冲洗伤口，缝合创面。术前肌内注射8万u庆大霉素和160万u青霉素；术中替硝唑250ml静脉点滴，平衡盐液500～1000ml静脉点滴；术后圈养，自由负重，肌内注射庆大霉素8万u/d，青霉素160万u/d，共5d。
, 百拇医药
四、统计学分析
运用t检验、方差分析对测定的实验数据行统计学处理，设检验水准α=0.01(第四军医大学统计学教研室)。
结果
一、临床观察结果
术中各组犬生命体征平稳。术后3、6周组各有一只犬一侧肱骨干再骨折退出实验，其它犬伤口愈合为甲级，术后3～5d所有犬上肢都开始负重，未见其它的并发症。
二、X线观察结果
术后3、6周组犬处死后摄双侧肱骨，胫骨正、侧位X线片，观察肱骨骨折愈合情况及钢板和螺钉周围的骨反应。如骨折线仍存在，周围出现较多云雾状骨痂，说明骨折端缺乏稳定性，螺钉与皮质骨之间X线透亮区≥0.5mm，表明螺钉有松动。发现术后3、6周组涂层钢板螺钉周围均未见明显X线透亮区，3周组骨折线模糊，6周组骨折线消失，钢板下皮质骨未见明显疏松；非涂层钢板螺钉周围均可见不同程度的放射线透亮区，骨折线存在，周围可见大量云雾状骨痂，钢板下可见不同程度的骨质疏松(图1)。
, 百拇医药
a 非涂层钢板螺钉内固定术后6周X线正、侧位片示骨折线仍存在，周围可见大量云雾状
骨痂，断端可见骨质吸收 b 胫骨置入螺钉X线正、侧位片。箭头所示为非涂层钉进
入骨皮质处≥0.5mm的X线透亮区,为螺钉松动
图1 非涂层钢板螺钉内固定术后X线表现
三、生物力学测试结果
Instron 1195测力仪行肱骨的三点折弯试验与螺钉的拔出试验。三点折弯试验：跨度10cm，加载速率5mm/min，满载5kN，将骨折端置于跨度中央，测定每一套钢板螺钉固定骨折的强度；螺钉拔出试验：特制夹具连接螺钉骨块与测力仪，满载5kN，加载速度5mm/min，测定1～4号螺钉的拔出强度,折弯强度与拔出强度均取其破坏强度，为受力记录曲线的峰值(西安交通大学金属与材料强度国家重点试验室)。术后即刻、3、6周组三点折弯试验生物力学结果见表1，术后即刻涂层与非涂层组三点折弯强度相近；3、6周组涂层比非涂层组三点折弯强度增高明显。涂层各时间组三点折弯强度相差亦明显。非涂层各时间组间三点折弯强度相差不明显。
, http://www.100md.com
图2 6周喷金片扫描电镜示骨组织长入HA的微小缝隙中 ×2000
a 涂层螺钉外骨组织结合紧密 b 非涂层螺钉外骨组织结合不紧密，存在缝隙
图3 6周骨磨片普通光镜观查 ×4
表1各时间组三点折弯强度(
±s,kN) 组 别术后即刻(n1,n1')
3周(n2,n2')
6周(n3,n3')
, http://www.100md.com
非涂层组(N)
114.25±27.93
87.33±15.04
84.17±7.59
涂 层 组(N')
127.00±35.36
180.00±22.78
231.50±17.71
注：N=8；N'=10；n1=n1'=2；n2=3；n2'=4；n3=3；n3'=4(n1、n2、n3
, http://www.100md.com
为非涂层各时间组试验数；n1'、n2'、n3'为涂层各时间组试验数)
各时间组螺钉拔出试验生物力学结果统计学处理见表2。经t检验,术后即刻涂层与非涂层螺钉拔出强度差异无显著性意义(P=0.49)；3、6周涂层钉比非涂层钉拔出强度明显增高(P<0.01) 。 经F检验，涂层各时间组螺钉拔出强度差异亦显著，且各时间组间均有差异，说明随时间延长螺钉拔出强度有所增加；非涂层各时间组螺钉拔出强度无显著差异，表明拔出强度不随时间增长。
表2 各时间组螺钉的拔出强度(
±s,kN) 组 别术后即刻(n1)
3周(n2)
, http://www.100md.com
6周(n3)
F值
P值
非涂层组(N)
191.00±30.64
136.25±24.55
146.69±23.00
7.40
0.045
涂 层 组(N)
204.6±28.65
302.06±27.16
, 百拇医药
358.81±37.28
36.25
0.001
注：N=21；n1=5；n2=8；n3=8(n1、n2、n3为涂层和非涂层各时间组试验数)
四、组织学结果
将术后3、6周组犬预留的一单号钢板螺钉及其周围骨组织和胫骨上的5号螺钉及其周围骨组织用甲基苯烯酸树脂包埋后，硬质材料超薄切片机切片，钢板间隔0.25cm切片，共切30张;螺钉沿纵轴间隔0.5mm切片，共切9张，喷金后，供扫描电镜观察;然后制成骨磨片，厚约十几个微米，改良Masson染色后，供普通光镜观察及作组织形态计量学分析。3、6周组犬涂层钢板，螺钉均未见涂层明显变薄或疏松。涂层与骨组织结合较紧密，骨小梁适应HA凹凸不平的表面生长，并长入HA的微小空隙中与之融为一体(图2)；与涂层紧密结合的除骨组织外，还有纤维样物质，其中纤维排列规则。固定骨折的螺钉周围纤维物比胫骨干植入螺钉周围纤维样物多。涂层钢板下的骨细胞未见明显稀少。相反，3、6周组非涂层钢板、螺钉与周围骨组织间存在缝隙有较多纤维组织长入(图3)，钢板下可见不同程度的骨细胞稀少。
, http://www.100md.com
五、钢板、螺钉周围组织形态计量学结果
表3 3、6周犬内固定钢板、螺钉及胫骨置入螺钉与骨组织接触量(%) 组别
钢板与骨接触量
固定螺钉与骨接触量
植入螺钉与骨接触量
3周
6周
3周
6周
3周
6周
非涂层组
, 百拇医药
2.10±1.98
2.72±2.60
8.00±4.06
9.47±6.63
17.17±7.56
21.80±9.02
HA涂层组
8.17±6.29
16.32±12.42
33.73±15.55
44.67±16.28
78.30±9.20
, 百拇医药
89.83±4.01
在放大6倍下用图形分析软件测量涂层和非涂层钢板，螺钉表面与之紧密接触的骨组织的百分率，为线性接触相对百分数(第四军医大学基础部图形分析室)。各组用于内固定的涂层和非涂层钢板、螺钉与骨接触量及胫骨置入螺钉与骨接触量见表3，知非涂层组钢板与骨几乎不接触，螺钉与骨接触的百分率亦低，而涂层组钢板、螺钉与周围骨组织有一定的接触；胫骨置入螺钉骨接触率涂层比非涂层明显增高，且由于该螺钉无载荷影响，其涂层钉骨接触率比内固定的涂层钉高。
讨论
HA作为涂层来观察其对假体固定效果的研究，国内外多有报道[4-6]，将HA涂层于不锈钢板、螺钉来观察对骨折内固定效果的研究，国内外报道极少。
HA涂层钢板、螺钉提高内固定稳定性的机制：利用HA材料良好的生物学活性-骨传导性使骨直接沉积于HA钢板螺钉表面，形成化学性和生物性结合。采用等离子喷涂技术在逾千度的高温下HA与不锈钢本体形成牢固的化学结合，从而使两骨折端通过与骨牢固结合的HA涂层螺钉、钢板获得坚强而可靠的固定。
, 百拇医药
力学测试表明：涂层的三点折弯强度与螺钉的拔出强度在术后短时间内就有很大提高，且随时间延长有增加趋势，但HA涂层的剪切强度一般在8～10周时达到最大强度，这已被证实[7]。HA涂层钢板、螺钉固定骨折的这种力学分布可能利于骨折愈合，因内固定术后早期是骨折的最不稳定期，是内固定治疗的关键。而HA涂层可提高早期的界面稳定，这可能对骨折的愈合是有益的。
X线检查示：3、6周涂层钢板、螺钉未见明显X线透亮区，且钢板下有不同程度的新骨形成，证明了HA的生物活性。非涂层钢板螺钉周围可见明显X线透亮区且钢板下有不同程度的骨细胞稀疏。
组织学观察发现各期HA外都未见炎性细胞、巨噬细胞，表明HA具有良好的生物相容性，HA涂层外骨组织接触量比非涂层组明显增高，印证了HA的骨传导性。研究发现骨与HA直接结合中间无纤维膜[8]。内固定的HA螺钉比置入的HA螺钉骨接触量低，说明微动的HA螺钉周围有较多的纤维层存在，这与Soballe等[9]及曹永平等[5]的实验发现相同。
, http://www.100md.com
虽然HA涂层钢板螺钉可增加内固定的稳定性，但是否因其与骨组织结合紧密而导致取出困难，从理论上讲，HA涂层使钢板螺钉与骨的结合强度是有限的，多为非涂层强度的几倍。比金属本身的强度小得多，另外金属与骨组织弹性模量间的差异，使二者界面间存在相对微动，加之HA涂层因厚度、纯度、密度、表面积不同，在体内有一定的降解，均为涂层钢板螺钉的取出提供了理论依据。从实践上，尚需作进一步深入细致地研究，如延长实验时间等为涂层钢板螺钉的取出提供实验依据。
参 考 文 献
1.荣国威，翟桂华，刘沂泽,等.骨科内固定.第3版.北京：人民卫生出版社，1995.1-56.
2.Geesink RG,de Groot K,Klein CP. Bonding of bone to apatite-coated implants.J Bone Joint Surg(Br),1988,70:17- 22.
, 百拇医药
3.Geesink RG,de Groot K,Klein CP.Chemical implant fixation using hydroxyl apatite coatings: the development of a human total hip prosthesis for chemical fixation to bone using hydroxyl apatite coatings on titanium substrates.Clin Orthop, 1987,(225):147- 170.
4.D'Antotnio JA,Capello WN,Manley MT. Remodeling of bone around hydroxyapatite coated femoral stems.J Bone Joint Surg(Am),1996,78:126- 1234.
5.曹永平,严尚诚.羟基磷灰石涂层人工股骨柄的实验研究.中华骨科杂志,1997,17:155-159.
, 百拇医药
6.严尚诚,袁毓,徐本明,等.羟基磷灰石涂层人工股骨柄的临床应用.中华骨科杂志,1997,17:167-170.
7.曹永平,严尚诚,鞠卫东.羟基磷灰石涂层人工髋关节.中华骨科杂志,1997,17:194-197.
8.Geesink RG.Experimental and clinical experience with hydroxyapatite coated hip implants.Orthopedics,1989,12:1239-1242.
9.Soballe K,Hansen ES,Brockstedt-Rasmussen H,et al. Hydroxyapatite coating converts fibrous tissue to bone around loaded implants.J Bone Joint Surg(Br),1993, 75:270- 278.
收稿日期:1998-10-28, 百拇医药