骨基质明胶防治人工关节无菌性松动的实验研究
作者：游洪波 陈安民 孙淑珍
单位：游洪波(广东医学院附属医院骨科，湛江 524001)；陈安民(同济医科大学附属同济医院，武汉)；孙淑珍(武汉工业大学材料学院)
关键词：骨基质明胶；人工关节；生物学固定；无菌性松动
中国矫形外科杂志000813 摘 要 目的：探讨骨基质明胶(BMG)防治人工关节无菌性松动 的可行性。方法：大白兔40只，分成2组。行右人工股骨头置换。一组植入BMG，另一组不植 BMG作对照。不同时期作生物力学测定、组织学检查、立体显微摄影、电子探针检查。结果 ：BMG组各时期拔出强度明显高于对照组。BMG组人工关节周围成骨速度及量明显高于对照组 。结论：BMG能防止无菌性松动的发生。
中图分类号 R687.4 文献标识码 A 文章编号 1005-8478(2000)08-0770-03
, http://www.100md.com
Prevention of Aseptic Loosening after Artificial Joint Replacement by Bone Matrix Gelatin
YOU Hong-bo,CHEN An-min,SUN Shu-zhen， et al
(Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Guangdong Medical College , Zhanjiang,524001)
Abstract Objective: To prevent aseptic loosening after artificial joint replacement by bone matrix gelatin(BMG). Methods: Right artific ial joint replacement were operated in 40 rabbits. All rabbits were divied into 2 groups. BMG were implanted around rabbit prostheses in one group(BMG group). O ther group were not implanted BMG (control group). The tissues around were not i mplanted BMG (control group). The tissues around prostheses were examined by bio logic dynamic test, histologic examination, dimensional microscopy and electric probe X-ray microscopy analysis(EPMA). Results: The pull-out strength of BMG g roup were higher than that of control group. The osteoinductive quantity and qua lity of BMG group were higher than that of control group. Conclusion: BMG could prevent aseptic loosening of cementless prostheses.
, 百拇医药
Key words Bone matrix gelatin Artificial joint repla cement Biological fixation Aseptic loosening
无菌性松动是人工关节置换术后常见并发症。随着“骨水泥病”(cement disease) 概念的 提出，人们广泛开展了对生物学固定假体的研究，但生物学固定假体的松动率仍较高。如何 防治非骨水泥型假体的无菌性松动是骨科亟待解决的难题。我们选用BMG来加速非骨水泥假 体的生物学固定，以期达到有效防止无菌性松动。
1 材料与方法
1.1 BMG及兔人工股骨头的制备
采用Urist报告的方法[1]。取大白兔四肢骨的皮质骨按下列步骤制备BMG：1：1氯 仿甲醇脱脂4h；0.6N HCl脱钙72h；2M CaCl2浸泡1h；8M LiCl浸泡1h；55℃水浴1h 。将B MG制成等大块状后冻干。称得平均每粒BMG重37.88mg±0.53mg。分装，25KGy 60Co消毒备用。
, 百拇医药
兔人工股骨头主体采用氧化锆(ZrO2)增韧陶瓷，涂层采用30%羟基磷灰石(HA)与70% ZrO 2二元体复合生物陶瓷涂层。制得不同型号的兔人工股骨头(见图1)。测试其吸水率、气 孔率、体积密度、抗折强度、断裂韧性值。
图1 兔人工股骨头
1.2 BMG在兔人工股骨头周围诱导成骨作用和生物力学测定
大白兔40只，体重2.3～4.0kg，随机分成A、B 2组。行右侧人工股骨头置换。A组人工关节 柄宽面的两侧各植入一粒BMG(长1.5cm，宽0.4cm)，占柄长(2cm)的上3/4。植入时BMG块整 块贴于柄的两侧，以使BMG块不推至内存腔远端；B组不植BMG作对照。术后2、4、6、8、10 周每次处死4～5只动物行生物力学测定(XL-250型拉力试验机)、组织学检查。生物力学测 定时，先将兔人工关节连同股骨自人工股骨头“围领”下方1cm横截，同时除去“围领”上 方的骨质，作拔出试验(拔出强度=拔出的拉力/人工关节柄上段1cm范围内的表面积)。8、10 周人工关节柄中段横截面(距“围领”下方0.5cm)抛光后行立体显微摄影；表面喷涂厚100A °导电碳膜后，行电子探针(EPMA)(JCXA-733 电子探针X射线显微分析仪)检测。
, 百拇医药
2 实验结果
2.1 兔人工股骨头理化性能测试(表1)
表1 兔人工股骨头理化性能测试结果
吸水率
(%)
气孔率
(%)
体积密度
(g/cm3)
抗折强度
(MPa)
断裂 韧性
, http://www.100md.com
(MPa.m1/2)
ZrO2
HA-ZrO2
0.37
2.6
2.33
7.85
6.00
3.64
734
120
6.8 2
, 百拇医药
1.74
结果表明人工关节材料抗折强度超过人致密骨的下限使用标准(约90MPa)。
2.2 组织学检查
BMG人工关节柄周围2周时产生大量的软骨细胞，4周时产生编织骨，8周时出现板层骨，10周 时板层骨更加致密。对照组2周时无明显软骨形成，6周时产生编织骨，10周时有少量板层骨 形成。
2.3 立体显微摄影及电子探针检测
8、10周时人工关节柄中段横截面立体显微摄影(×100)可见，BMG组涂层周围成骨量及结合 紧密程度明显高于对照组(见图2～3)。
图2 BMG组(术后10周)，人工关节柄中段横截面立体显微摄影(×100)，可见陶瓷周围有大量骨组织附着(箭头处)。
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图3 对照组(术后10周)，人工关节柄中段横截面立体显微摄影(×100)，可见陶瓷周围附着的骨组织(箭头处)明显少于BMG组。
2.4 电子探针检测
二次成像(SEI)可见BMG组人工关节涂层周围成骨量及涂层孔隙内成骨量明显高于对照组。( 见图4～5)。Ca、P分布与上述结果一致。
图4 BMG组(术后10周)，人工关节柄中段横截面电子探针检测(SRL)(×40)，可见涂层内及涂层周围有大量骨组织附着(箭头处)。
图5 对照组(术后10周)，人工关节柄中段横截面电子探针检测(SEL)(×66)，可见涂层内及涂层周围骨组织量(箭头处)明显少于BMG组
, 百拇医药
2.5 生物力学测定(见表2)
表2 兔人工股骨头拔出强度(kg/cm2)(
±s)
2周
4周
6周
8周
10周
BMG组
对照组
1.90±0.34* *
, http://www.100md.com 0.84±0.18
15.99±3.87*
7.55±4.11
25.66±7.52**
15.23±3.29
32.43±10.56*
20.53±6 .27
34.65±9.88*
23.76±11.24
注：与对照组比较，t检验 *P<0.05 **P<0.01
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3 讨论
目前尚无明确解决无菌性松动的方法。人工地在骨-假体界面形成一种结合紧密的“垫圈” 来延缓、防止磨损颗粒的产生、移动，从而防止骨溶解和假体松动的发生，即所谓“垫圈” 机制[2]。这种“垫圈”可以依靠良好的骨内生长的多孔假体、HA涂层假体等来实 现。本课题利用BMG加速骨组织生长的特点，来加速这种“垫圈”的形成，有效防止非骨水 泥型人工关节置换术后无菌性松动的发生。
BMG是皮质骨经脱脂、脂钙及去除部分可溶性蛋白后的产物，主要成分是胶原、少量的蛋白 聚糖及某些有机成份。目前已证明BMG具有诱导成骨作用的本质是含有BMP。本实验组织学检 查表明，BMG植入后未发现炎性细胞和异物巨细胞反应，其原因可能是BMG在脱钙及系列处理 时，除去了磷蛋白、脂蛋白和蛋白多糖等大量非BMP物质，同时经深冻、冻干及辐照灭菌等 处理，破坏了BMG中细胞成份，从而使其免疫原性降低。Urist等[1]认为：粗大颗 粒的骨基质比小颗粒的骨基质粉所诱导出的软骨与骨的量要多。本实验将BMG制成条块状， 降低了其抗原性，其诱导活性也相应增强，仅8周兔人工股骨柄周围出现了板层骨。
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同种骨移植物辐照灭菌始于50年代末期。Wientraub等[3]报告10～50KGy辐照并不 影响BMG的碱性磷酸酶和新骨形成，30～50KGy,甚至使其 增加，只有超过50KGy才会出现骨诱导的减少或延迟。本实验制备的BMG采用25KGy 60Co辐照灭菌，我们曾以兔股部肌肉植入试验证明其诱导成骨能力与未辐照组无明显差 别，辐照后的BMG块细菌培养未见细菌生长，因此我们认为：采用25KGy 60Co 辐射灭菌，不会破坏BMG的诱导成骨能力；相反可 破坏BMG中的细胞成份，进一步降低其抗原性，从而可能有利于其诱导成骨能力的提高。
羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)涂层假体目前被广泛应用。HA能与周围的骨组织产生生物 活性反应，所以具有很高的生物相容性[4]。ZrO2虽然有很好的力学性能，但 其生物活性差。该课题采用HA为基体，ZrO2作弥散相加入其中以改善力学性能，试图增 强陶瓷的强度及韧性，降低其脆性。我们在本实验中制备的兔复合陶瓷人工股骨头主体采用 ZrO2增韧陶瓷，HA-ZrO2复合陶瓷为涂层，HA-ZrO2涂层既具有强的与骨组织粘 合的特点，同时因其强度及韧性良好，涂层可制成多孔的形状。我们制备的兔人工股骨头既 能满足HA涂层的特点，同时又能满足多孔假体的特点。为满足实验模拟HA涂层及多孔假体等 两种非骨水泥假体制备出较理想的实验动物人工关节模型。但这种人工关节目前在本实验仅 用于兔这种小动物，能否用于大动物及人体，尚须进一步研究。
, 百拇医药
生物力学测定、立体显微摄影及电子探针检测结果表明BMG能加速骨组织与涂层粘合，促进 骨组织长入涂层孔隙内，从而加速假体的生物学固定，有效防止无菌性松动。BMG能否有效 防止晚期松动还有待于进一步研究。
作者简介：游洪波(1968-)，男，湖北应城市人，主治医师， 医学硕士。研究方向：人工关节。
参考文献：
〔1〕 Urist MR, chang JJ, Lietze A, et al. Methods of preparation and bioassay of bone morphogenetic protein and fragments[J]. Methods in Enzy mology, 1987,146:294～312.
〔2〕 Tanzer M, Harris WH, Maloney WJ, et al. The progression of femoral cortical osteolysis in association with total hip arthroplasty without c ement[J]. J Bone Joint Surg(Am),1992,74A:404～410.
, 百拇医药
〔3〕 Wientroub S, Reddi AH. Influence of irradiation on the oste oinductive potential of demineralized bone matrix[J]. Calcif Tissue Int, 1988 ,42:255～258.
〔4〕 Geesink R, Groot K, Klein C. Bonding of bone to apat ite-coated implants[J]. J Bone Joint Surg(Br),1988,70B:17～22.
(收稿：1999-08-26 修回：2000-03-18), 百拇医药
单位：游洪波(广东医学院附属医院骨科，湛江 524001)；陈安民(同济医科大学附属同济医院，武汉)；孙淑珍(武汉工业大学材料学院)
关键词：骨基质明胶；人工关节；生物学固定；无菌性松动
中国矫形外科杂志000813 摘 要 目的：探讨骨基质明胶(BMG)防治人工关节无菌性松动 的可行性。方法：大白兔40只，分成2组。行右人工股骨头置换。一组植入BMG，另一组不植 BMG作对照。不同时期作生物力学测定、组织学检查、立体显微摄影、电子探针检查。结果 ：BMG组各时期拔出强度明显高于对照组。BMG组人工关节周围成骨速度及量明显高于对照组 。结论：BMG能防止无菌性松动的发生。
中图分类号 R687.4 文献标识码 A 文章编号 1005-8478(2000)08-0770-03
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Prevention of Aseptic Loosening after Artificial Joint Replacement by Bone Matrix Gelatin
YOU Hong-bo,CHEN An-min,SUN Shu-zhen， et al
(Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Guangdong Medical College , Zhanjiang,524001)
Abstract Objective: To prevent aseptic loosening after artificial joint replacement by bone matrix gelatin(BMG). Methods: Right artific ial joint replacement were operated in 40 rabbits. All rabbits were divied into 2 groups. BMG were implanted around rabbit prostheses in one group(BMG group). O ther group were not implanted BMG (control group). The tissues around were not i mplanted BMG (control group). The tissues around prostheses were examined by bio logic dynamic test, histologic examination, dimensional microscopy and electric probe X-ray microscopy analysis(EPMA). Results: The pull-out strength of BMG g roup were higher than that of control group. The osteoinductive quantity and qua lity of BMG group were higher than that of control group. Conclusion: BMG could prevent aseptic loosening of cementless prostheses.
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Key words Bone matrix gelatin Artificial joint repla cement Biological fixation Aseptic loosening
无菌性松动是人工关节置换术后常见并发症。随着“骨水泥病”(cement disease) 概念的 提出，人们广泛开展了对生物学固定假体的研究，但生物学固定假体的松动率仍较高。如何 防治非骨水泥型假体的无菌性松动是骨科亟待解决的难题。我们选用BMG来加速非骨水泥假 体的生物学固定，以期达到有效防止无菌性松动。
1 材料与方法
1.1 BMG及兔人工股骨头的制备
采用Urist报告的方法[1]。取大白兔四肢骨的皮质骨按下列步骤制备BMG：1：1氯 仿甲醇脱脂4h；0.6N HCl脱钙72h；2M CaCl2浸泡1h；8M LiCl浸泡1h；55℃水浴1h 。将B MG制成等大块状后冻干。称得平均每粒BMG重37.88mg±0.53mg。分装，25KGy 60Co消毒备用。
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兔人工股骨头主体采用氧化锆(ZrO2)增韧陶瓷，涂层采用30%羟基磷灰石(HA)与70% ZrO 2二元体复合生物陶瓷涂层。制得不同型号的兔人工股骨头(见图1)。测试其吸水率、气 孔率、体积密度、抗折强度、断裂韧性值。
图1 兔人工股骨头
1.2 BMG在兔人工股骨头周围诱导成骨作用和生物力学测定
大白兔40只，体重2.3～4.0kg，随机分成A、B 2组。行右侧人工股骨头置换。A组人工关节 柄宽面的两侧各植入一粒BMG(长1.5cm，宽0.4cm)，占柄长(2cm)的上3/4。植入时BMG块整 块贴于柄的两侧，以使BMG块不推至内存腔远端；B组不植BMG作对照。术后2、4、6、8、10 周每次处死4～5只动物行生物力学测定(XL-250型拉力试验机)、组织学检查。生物力学测 定时，先将兔人工关节连同股骨自人工股骨头“围领”下方1cm横截，同时除去“围领”上 方的骨质，作拔出试验(拔出强度=拔出的拉力/人工关节柄上段1cm范围内的表面积)。8、10 周人工关节柄中段横截面(距“围领”下方0.5cm)抛光后行立体显微摄影；表面喷涂厚100A °导电碳膜后，行电子探针(EPMA)(JCXA-733 电子探针X射线显微分析仪)检测。
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2 实验结果
2.1 兔人工股骨头理化性能测试(表1)
表1 兔人工股骨头理化性能测试结果
吸水率
(%)
气孔率
(%)
体积密度
(g/cm3)
抗折强度
(MPa)
断裂 韧性
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(MPa.m1/2)
ZrO2
HA-ZrO2
0.37
2.6
2.33
7.85
6.00
3.64
734
120
6.8 2
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1.74
结果表明人工关节材料抗折强度超过人致密骨的下限使用标准(约90MPa)。
2.2 组织学检查
BMG人工关节柄周围2周时产生大量的软骨细胞，4周时产生编织骨，8周时出现板层骨，10周 时板层骨更加致密。对照组2周时无明显软骨形成，6周时产生编织骨，10周时有少量板层骨 形成。
2.3 立体显微摄影及电子探针检测
8、10周时人工关节柄中段横截面立体显微摄影(×100)可见，BMG组涂层周围成骨量及结合 紧密程度明显高于对照组(见图2～3)。
图2 BMG组(术后10周)，人工关节柄中段横截面立体显微摄影(×100)，可见陶瓷周围有大量骨组织附着(箭头处)。
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图3 对照组(术后10周)，人工关节柄中段横截面立体显微摄影(×100)，可见陶瓷周围附着的骨组织(箭头处)明显少于BMG组。
2.4 电子探针检测
二次成像(SEI)可见BMG组人工关节涂层周围成骨量及涂层孔隙内成骨量明显高于对照组。( 见图4～5)。Ca、P分布与上述结果一致。
图4 BMG组(术后10周)，人工关节柄中段横截面电子探针检测(SRL)(×40)，可见涂层内及涂层周围有大量骨组织附着(箭头处)。
图5 对照组(术后10周)，人工关节柄中段横截面电子探针检测(SEL)(×66)，可见涂层内及涂层周围骨组织量(箭头处)明显少于BMG组
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2.5 生物力学测定(见表2)
表2 兔人工股骨头拔出强度(kg/cm2)(
±s)2周
4周
6周
8周
10周
BMG组
对照组
1.90±0.34* *
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15.99±3.87*
7.55±4.11
25.66±7.52**
15.23±3.29
32.43±10.56*
20.53±6 .27
34.65±9.88*
23.76±11.24
注：与对照组比较，t检验 *P<0.05 **P<0.01
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3 讨论
目前尚无明确解决无菌性松动的方法。人工地在骨-假体界面形成一种结合紧密的“垫圈” 来延缓、防止磨损颗粒的产生、移动，从而防止骨溶解和假体松动的发生，即所谓“垫圈” 机制[2]。这种“垫圈”可以依靠良好的骨内生长的多孔假体、HA涂层假体等来实 现。本课题利用BMG加速骨组织生长的特点，来加速这种“垫圈”的形成，有效防止非骨水 泥型人工关节置换术后无菌性松动的发生。
BMG是皮质骨经脱脂、脂钙及去除部分可溶性蛋白后的产物，主要成分是胶原、少量的蛋白 聚糖及某些有机成份。目前已证明BMG具有诱导成骨作用的本质是含有BMP。本实验组织学检 查表明，BMG植入后未发现炎性细胞和异物巨细胞反应，其原因可能是BMG在脱钙及系列处理 时，除去了磷蛋白、脂蛋白和蛋白多糖等大量非BMP物质，同时经深冻、冻干及辐照灭菌等 处理，破坏了BMG中细胞成份，从而使其免疫原性降低。Urist等[1]认为：粗大颗 粒的骨基质比小颗粒的骨基质粉所诱导出的软骨与骨的量要多。本实验将BMG制成条块状， 降低了其抗原性，其诱导活性也相应增强，仅8周兔人工股骨柄周围出现了板层骨。
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同种骨移植物辐照灭菌始于50年代末期。Wientraub等[3]报告10～50KGy辐照并不 影响BMG的碱性磷酸酶和新骨形成，30～50KGy,甚至使其 增加，只有超过50KGy才会出现骨诱导的减少或延迟。本实验制备的BMG采用25KGy 60Co辐照灭菌，我们曾以兔股部肌肉植入试验证明其诱导成骨能力与未辐照组无明显差 别，辐照后的BMG块细菌培养未见细菌生长，因此我们认为：采用25KGy 60Co 辐射灭菌，不会破坏BMG的诱导成骨能力；相反可 破坏BMG中的细胞成份，进一步降低其抗原性，从而可能有利于其诱导成骨能力的提高。
羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)涂层假体目前被广泛应用。HA能与周围的骨组织产生生物 活性反应，所以具有很高的生物相容性[4]。ZrO2虽然有很好的力学性能，但 其生物活性差。该课题采用HA为基体，ZrO2作弥散相加入其中以改善力学性能，试图增 强陶瓷的强度及韧性，降低其脆性。我们在本实验中制备的兔复合陶瓷人工股骨头主体采用 ZrO2增韧陶瓷，HA-ZrO2复合陶瓷为涂层，HA-ZrO2涂层既具有强的与骨组织粘 合的特点，同时因其强度及韧性良好，涂层可制成多孔的形状。我们制备的兔人工股骨头既 能满足HA涂层的特点，同时又能满足多孔假体的特点。为满足实验模拟HA涂层及多孔假体等 两种非骨水泥假体制备出较理想的实验动物人工关节模型。但这种人工关节目前在本实验仅 用于兔这种小动物，能否用于大动物及人体，尚须进一步研究。
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生物力学测定、立体显微摄影及电子探针检测结果表明BMG能加速骨组织与涂层粘合，促进 骨组织长入涂层孔隙内，从而加速假体的生物学固定，有效防止无菌性松动。BMG能否有效 防止晚期松动还有待于进一步研究。
作者简介：游洪波(1968-)，男，湖北应城市人，主治医师， 医学硕士。研究方向：人工关节。
参考文献：
〔1〕 Urist MR, chang JJ, Lietze A, et al. Methods of preparation and bioassay of bone morphogenetic protein and fragments[J]. Methods in Enzy mology, 1987,146:294～312.
〔2〕 Tanzer M, Harris WH, Maloney WJ, et al. The progression of femoral cortical osteolysis in association with total hip arthroplasty without c ement[J]. J Bone Joint Surg(Am),1992,74A:404～410.
, 百拇医药
〔3〕 Wientroub S, Reddi AH. Influence of irradiation on the oste oinductive potential of demineralized bone matrix[J]. Calcif Tissue Int, 1988 ,42:255～258.
〔4〕 Geesink R, Groot K, Klein C. Bonding of bone to apat ite-coated implants[J]. J Bone Joint Surg(Br),1988,70B:17～22.
(收稿：1999-08-26 修回：2000-03-18), 百拇医药