劉國(guó)民，孔 寧，韓宏志，于海濤，張 琪，孫紅輝

（1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院骨科，吉林 長(zhǎng)春130041；2.吉林大學(xué)藥學(xué)院醫(yī)用生物材料教研室，吉林 長(zhǎng)春130021；3.吉林大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院流行病與衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)學(xué)教研室，吉林 長(zhǎng)春130021；4.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部，吉林 長(zhǎng)春130021；5.長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，吉林 長(zhǎng)春130021）

鹿、羊和人腰椎生物學(xué)參數(shù)的比較及其意義

劉國(guó)民1，孔 寧2，韓宏志3，4，于海濤5，張 琪1，孫紅輝1

（1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院骨科，吉林 長(zhǎng)春130041；2.吉林大學(xué)藥學(xué)院醫(yī)用生物材料教研室，吉林 長(zhǎng)春130021；3.吉林大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院流行病與衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)學(xué)教研室，吉林 長(zhǎng)春130021；4.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部，吉林 長(zhǎng)春130021；5.長(zhǎng)春中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院骨科，吉林 長(zhǎng)春130021）

目的：比較鹿、羊和人腰椎的生物學(xué)參數(shù)，探討梅花鹿作為脊椎內(nèi)固定動(dòng)物模型的可行性，為相關(guān)醫(yī)學(xué)研究和體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)提供實(shí)驗(yàn)動(dòng)物腰椎的形態(tài)學(xué)參數(shù)、骨密度和生物力學(xué)數(shù)據(jù)。方法：選取新鮮鹿、羊腰椎各10套，新鮮東北男性尸體腰椎10套，對(duì)3組腰椎椎體和椎弓根進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀測(cè)，對(duì)椎體松質(zhì)骨密度、極限應(yīng)力和彈性模量進(jìn)行測(cè)量及比較。結(jié)果：鹿、羊和人椎弓根高 （右側(cè)）比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P＜0.01），其中鹿最大，羊次之，人最小。鹿、羊和人椎弓根寬 （右側(cè)）比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P＜0.01），其中人最大，鹿其次，羊最小。鹿、羊和人椎間盤(pán)前高比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P＜0.01），其中人最大，鹿其次，羊最小。鹿、羊和人腰椎表觀密度、彈性模量及極限應(yīng)力各組間比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P＜0.05），其中羊最大，鹿次之，人最小。結(jié)論：梅花鹿腰椎在解剖形態(tài)學(xué)和生物力學(xué)方面較羊更接近人類，更適合用于建立脊椎內(nèi)固定動(dòng)物模型。

腰椎；動(dòng)物模型；人；鹿；羊；形態(tài)學(xué)參數(shù)

脊椎外科內(nèi)固定器等手術(shù)器械的研發(fā)，推動(dòng)了脊柱外科的進(jìn)步和手術(shù)方法的改進(jìn)，而各種內(nèi)固定器和手術(shù)方法在應(yīng)用于臨床之前，必須有賴于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明其可行性，因此動(dòng)物模型的建立和使用已成為脊柱外科的重要研究手段。動(dòng)物模型應(yīng)與人類的脊柱具有良好的相似性和可比性，而用于脊柱的體內(nèi)、外內(nèi)固定實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物模型比較少。目前已被建立并廣泛應(yīng)用于脊柱研究的動(dòng)物模型包括小牛、羊等［1－2］。但近年來(lái)由于牛海綿體病和甲型 H1N1流感的流行，使牛、羊動(dòng)物模型始終存在感染人類的潛在危險(xiǎn)，從而制約和限制了其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。鹿未見(jiàn)有人畜共患性疾病的報(bào)道，且鹿與人類在形體和體質(zhì)量方面具有良好的相似性，但該方面的研究報(bào)道較少。本實(shí)驗(yàn)觀測(cè)鹿、羊和人腰椎生物學(xué)參數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比分析，旨在為鹿、羊作為人類脊柱動(dòng)物模型提供解剖學(xué)數(shù)據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取年齡在1.5～2.0年的成年雌性梅花鹿10只，體質(zhì)量80～100kg，由長(zhǎng)春雙陽(yáng)鹿場(chǎng)提供；年齡1.5～2.0年的成年雄性綿羊10只，體質(zhì)量70～90kg，由長(zhǎng)春皓月綿羊養(yǎng)殖中心提供。鹿和羊均靜脈注射戊巴比妥那過(guò)量致死。選擇捐獻(xiàn)的新鮮男性尸體10具，年齡23～35歲，體質(zhì)量64～91kg。常規(guī)操作分離腰椎，用生理鹽水紗布包裹后置于－20℃冰箱冷藏保存。實(shí)驗(yàn)前將標(biāo)本于室溫下自然解凍，剔除標(biāo)本周圍的軟組織，保留其韌帶和椎間盤(pán)，人的腰椎是5節(jié)，因此選取羊、鹿的腰椎L1～L5節(jié)段。采集及處理過(guò)程嚴(yán)格遵守2002年 《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物哺乳類實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的遺傳質(zhì)量控制》［3］的相關(guān)規(guī)定。所選椎骨均經(jīng)CT掃描排除腰椎存在肉眼可見(jiàn)的病理性改變，并確定椎體骨骺已閉合 （圖1，見(jiàn)插頁(yè)二）。

1.2 鹿、羊和人椎弓根線性測(cè)量 測(cè)量鹿、羊椎弓根高、椎弓根寬和椎間盤(pán)前高。脊椎是對(duì)稱性的，所以本實(shí)驗(yàn)僅觀測(cè)標(biāo)本右側(cè)椎弓根高和寬（圖2）。人的腰椎形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)成人男性腰椎［4］。

圖2 鹿、羊和人腰椎椎弓根的三維重建Fig.2 Three－dimensional reconstruction of the lumbar pedicles of deer，sheep and humanA：Deer；B：Sheep；C：Human.

1.3 極限載荷和彈性模量學(xué)實(shí)驗(yàn) 選取鹿、羊和人腰椎各10具，去除椎體周圍的組織和結(jié)構(gòu)。腰椎各椎體平均分成左右兩部分，保留上下終板，銑磨成長(zhǎng)×寬為12mm×12mm的規(guī)則試件，用骨水泥填補(bǔ)使各組試件的上下面水平。在試件前面中上1／3處貼上電阻應(yīng)變片 ［德國(guó)都利公司，標(biāo)距1mm×1mm （膠基泊式），阻值120Ω，靈敏度（K）2.12］，保證各試件的縱向電阻應(yīng)變片位于同一水平面上，將應(yīng)變片導(dǎo)線連于電阻應(yīng)變儀上 （上海華東電子儀器廠，YJ－26型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀），采用萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī) （日本島津AG－107A自動(dòng)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)）以0、50和100牛頓級(jí)別生理載荷分級(jí)加載，在電阻應(yīng)變儀上直接讀取各試件相應(yīng)載荷下的應(yīng)變位移，算出彈性模量，然后去除應(yīng)變片，進(jìn)行極限載荷試驗(yàn)。

1.4 鹿、羊和人腰椎表觀密度的測(cè)量 隨機(jī)選取鹿、羊腰椎各10具，去除椎體周圍的組織和結(jié)構(gòu)。人腰椎椎體選用生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)余下的椎體部分。實(shí)驗(yàn)樣本冰凍狀態(tài)下數(shù)控銑床銑磨，動(dòng)物與人椎體均制成長(zhǎng)×寬×高為7mm×7mm×20mm規(guī)則試件，試件體積為Va。清水反復(fù)沖洗6h后，于20 000U·mL－1的肝素溶液中浸泡12h，其中每6h換1次溶液，再用生理鹽水刷洗6h，完全去除髓腔內(nèi)的血液及組織碎屑。用無(wú)水分析酒精對(duì)試件脫脂48h，24h更換酒精1次。脫脂試件在空氣中干燥24h后用電子分析天平 （精度0.000 1g）稱其質(zhì)量 （W），表觀密度＝W／Va。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 10.0統(tǒng)計(jì)軟件包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。鹿、羊和人椎弓根及椎間盤(pán)的形態(tài)學(xué)參數(shù)、骨密度和生物力學(xué)數(shù)據(jù)以±s表示。多組間均數(shù)比較采用單因素方差分析，組間比較采用q檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 鹿、羊和人椎體線性測(cè)量結(jié)果 鹿、羊與人椎弓根高比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P＜0.01），其中鹿最大，羊其次，人最小。鹿、羊與人椎弓根寬 （右側(cè)）比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P＜0.01），其中人最大，鹿其次，羊最小。鹿、羊與人椎間盤(pán)前高比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P＜0.01），其中人最大，鹿其次，羊最小。見(jiàn)表1～3。

表1 鹿、羊和人椎弓根高度比較Tab.1 Comparison of pedicle heights between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

表1 鹿、羊和人椎弓根高度比較Tab.1 Comparison of pedicle heights between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.01compared with sheep；“－”：No data.

Group Right pedicle height L1 L2 L3 L4 L5 L6±2.80 35.04±2.68 30.71±3.07 Sheep 23.55±2.78＊ 24.75±2.11＊ 25.42±2.51＊ 25.51±2.72 25.58±2.77＊ 22.15±2.74 Human 16.06±0.66＊△ 16.63±0.70＊△ 15.82±0.85＊△ 15.20±0.99＊△ 14.90±0.97＊△Deer 32.18±2.06 34.24±2.39 34.80±2.00 34.86－

表2 鹿、羊和人椎弓根寬度比較Tab.2 Comparison of pedicle widths between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

表2 鹿、羊和人椎弓根寬度比較Tab.2 Comparison of pedicle widths between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.01compared with sheep；“－”：No data.

Group Right pedicle width L1 L2 L3 L4 L5 L6 17 10.89±0.83 11.14±1.20 Sheep 6.34±0.73＊ 6.45±0.82＊ 6.70±0.74＊ 6.87±0.60＊ 7.65±0.78＊ 8.77±0.90 Human 9.51±0.76＊△ 10.89±0.75＊△ 13.50±0.81＊△ 15.46±0.76＊△ 19.53±0.82＊△Deer 7.53±0.94 8.29±0.61 9.18±1.11 10.28±1.－

表3 鹿、羊和人椎間盤(pán)前部高度比較Tab.3 Comparison of anterior disc heights between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

表3 鹿、羊和人椎間盤(pán)前部高度比較Tab.3 Comparison of anterior disc heights between deer，sheep and human （n＝10，±s，l／mm）

＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.01compared with sheep；“－”：No data.

Group Anterior disc height L1－L2 L2－L3 L3－L4 L4－L5 L5－L 6 4 7.12±1.44 Sheep 4.40±0.32＊ 4.33±0.28＊ 4.54±0.36＊ 4.41±0.31＊ 4.44±0.38 Human 11.40±2.00＊△ 13.30±2.00＊△ 13.50±1.70＊△Deer 6.85±1.09 7.31±1.06 7.08±1.31 7.32±1.1 14.30±2.00 －

2.2 鹿、羊和人腰椎表觀密度、彈性模量及極限應(yīng)力 鹿、羊和人腰椎表觀密度、彈性模量及極限應(yīng)力各組間比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P＜0.05或P＜0.01），其中羊最大，鹿次之，人最小。見(jiàn)表4～6。

表4 鹿、羊和人的表觀密度比較Tab.4 Comparison of apparent densities between deer，sheep and human ［n＝10，±s，ρB／（g·cm－3）］

表4 鹿、羊和人的表觀密度比較Tab.4 Comparison of apparent densities between deer，sheep and human ［n＝10，±s，ρB／（g·cm－3）］

＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.01compared with sheep；“－”：No data.

Group Apparent densit y L1 L2 L3 L4 L5 L6 4 0.37±0.04 0.38±0.04 Sheep 0.49±0.08＊ 0.48±0.03＊ 0.48±0.05＊ 0.50±0.05 0.53±0.07＊ 0.45±0.07 Human 0.30±0.05＊△ 0.28±0.04＊△ 0.27±0.06＊△ 0.50±0.05 0.28±0.04＊△Deer 0.36±0.02 0.36±0.05 0.39±0.02 0.38±0.0－

表5 鹿、羊和人彈性模量比較Tab.5 Comparison of elastic modulus between deer，sheep and human （n＝10，±s，P／MPa）

表5 鹿、羊和人彈性模量比較Tab.5 Comparison of elastic modulus between deer，sheep and human （n＝10，±s，P／MPa）

＊P＜0.05，＊＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.05compared with sheep；“－”：No data.

Group Elastic modulus L1 L2 L3 L4 L5 L6 7.76 Sheep 1 531.14±198.39＊＊1 527.35±615.57＊＊1 507.58±714.83＊＊1 576.53±554.25＊＊1 486.95±608.54＊＊1 583.89±549.91 Human 377.08±144.54△ 326.66±113.05＊＊△ 380.68±201.78＊△ 387.17±170.49＊＊△ 444.42±201.58△Deer 753.89±171.16 708.95±223.32 733.42±176.56 782.19±307.62 712.23±277.03 761.32±27－

表6 鹿、羊和人極限強(qiáng)度比較Tab.6 Comparision of ultimate stress of deer，sheep and human （n＝10，±s，P／MPa）

表6 鹿、羊和人極限強(qiáng)度比較Tab.6 Comparision of ultimate stress of deer，sheep and human （n＝10，±s，P／MPa）

＊P＜0.05，＊＊P＜0.01compared with deer；△P＜0.01compared with sheep；“－”：No data.

Group Ultimate stress L1 L2 L3 L4 L5 L6±2.64 16.05±2.03 16.87±3.16 Sheep 22.36±4.39＊＊ 21.47±3.76＊＊ 22.28±6.01＊ 23.91±5.17＊＊ 21.52±12.16＊ 22.05±5.25 Human 4.44±0.82＊＊△ 4.31±0.74＊＊△ 4.61±0.78＊＊△ 4.52±0.60＊＊△ 4.80±0.52＊＊△Deer 17.03±3.06 15.70±4.24 18.47±3.31 16.37－

3 討 論

人腰椎椎弓根寬由L1至L5逐漸增寬，這種變換趨勢(shì)與腰椎橫徑的變化趨勢(shì)相似，可以增加椎弓根的穩(wěn)定性，加固了脊柱前柱和后柱的機(jī)械連接。椎弓根高由L1至L5呈明顯的下降趨勢(shì)。鹿、羊腰椎椎弓根寬由L1至L6逐漸增大，與人腰椎具有相似的變化趨勢(shì)，鹿椎弓根的寬度較羊更接近于人。鹿、羊腰椎椎弓根高由L1至L5存在逐漸增大趨勢(shì)，與人椎弓根高的變化趨勢(shì)相反，鹿椎弓根的高度較羊與人存在較大的差異。脊柱椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)中，椎弓根的寬度對(duì)螺釘在椎骨內(nèi)生物力學(xué)穩(wěn)定性起決定性作用。各種椎弓根螺釘動(dòng)物模型的建立，椎弓根的寬是重要考慮的因素。因此鹿適合于椎弓根螺釘內(nèi)固定的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，雖然鹿椎弓根的高與人有較大的差異，但椎弓根高在螺釘?shù)墓潭ㄟ^(guò)程中不起主要的作用。

人的椎間盤(pán)前高從頭側(cè)到尾側(cè)逐漸增大，鹿、羊的椎間盤(pán)前高沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)，鹿更接近于人。這與Kunar等［5］的測(cè)量結(jié)果較為一致。近些年國(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)相繼研發(fā)出不同類型的人工間盤(pán)和椎間融合器，而這些內(nèi)植物應(yīng)用于臨床前必須有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明其可行性。鹿椎間盤(pán)較羊更接近于人，因此更適合該類內(nèi)植物動(dòng)物模型的建立。

椎骨松質(zhì)骨的各項(xiàng)生物力學(xué)指標(biāo)對(duì)脊椎內(nèi)固定物的穩(wěn)定性有很大影響［6－8］。螺釘植入后，很大程度影響了其軸向拔出力。松質(zhì)骨主要是由礦物質(zhì)（羥磷灰石結(jié)晶和磷酸鈣）和Ⅰ型膠原構(gòu)成，松質(zhì)骨中骨的含量通常以某種礦物質(zhì)當(dāng)量表示。與骨含量類似的另外一個(gè)描述指標(biāo)是孔隙率，松質(zhì)骨的孔隙率對(duì)其力學(xué)特性的影響類似于其他的多孔工程材料。表觀密度是描述以上2項(xiàng)指標(biāo)的一個(gè)綜合指標(biāo)，是松質(zhì)骨的一項(xiàng)重要的與力學(xué)性能關(guān)系密切的指標(biāo)。許多研究［9－10］顯示：表觀密度與彈性模量、極限強(qiáng)度之間呈非線性正相關(guān)關(guān)系。

人、鹿和羊組內(nèi)比較，彈性模量和極限載荷從頭側(cè)向尾側(cè)各椎體間未見(jiàn)明顯差異。人、鹿和羊腰椎組間比較，鹿的表觀密度與人的相近，而羊的表觀密度近似人的2倍。鹿的彈性模量近似人的2倍，羊是人的4倍。鹿的極限載荷近似人的4倍，羊近似人的5倍，說(shuō)明鹿較羊其生物力學(xué)性質(zhì)和密度參數(shù)更接近于人。因此，以鹿作為脊椎內(nèi)植物動(dòng)物模型，對(duì)內(nèi)植物在椎骨內(nèi)的力學(xué)分析研究具有十分重要的意義。

我國(guó)盛產(chǎn)梅花鹿和綿羊，梅花鹿已被廣泛圈養(yǎng)，而且價(jià)格較綿羊低，抗病能力強(qiáng)。本研究通過(guò)對(duì)人、鹿和羊腰椎的解剖形態(tài)學(xué)參數(shù)、骨密度和生物力學(xué)參數(shù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：鹿腰椎的各項(xiàng)參數(shù)較羊更接近人類，更適合于建立脊椎內(nèi)固定動(dòng)物模型。

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Comparisons of biological parameters among deer，sheep and human lumbar and their significances

LIU Guo－min1，KONG Ning2，HAN Hong－zhi3，4，YU Hai－tao5，ZHANG Qi1，SUN Hong－h(huán)ui1
（1.Department of Orthopedics，Second Hospital，Jilin University，Changchun 130041，China；2.Department of Medical Biomaterials，School of Pharmacy，Jilin University，Changchun 130021，China；3.Department of Epidemiology and Health Statistics，School of Public Health，Jilin University，Changchun 130021，China；4.Editorial Board of Journal of Jilin University，Changchun 130021，China；5.Department of Orthopedics，Affiliated Hospical，Changchun University of Chinese Medicine，Changchun 130021，China）

ObjectiveTo study the feasibility of vertebral internal fixation using deer as animal models by comparing the biological parameters of deer，sheep and human lumbar and to provide the morphological parameters，the bone density，and the biomechanical data of laboratory animals for related medical research.Methods10sets of fresh sika deer lumbar，10sets of fresh sheep lumbar，and 10sets of fresh lumbar of male cadavers were selected as the materials.The morphological observation of the lumbar vertebral bodies and pedicles of three groups were taken，and the cancellous bone density，ultimate stress and elastic modulus were measured and compared.ResultsThere were significant differences of heights of right vertebral pedicles between three groups （P＜0.01）；the deer had the largest one，the sheep followed，and the human had the smallest one.There were remarkable differences of the widths of right vertebral pedicles and anterior disc heights between three groups （P＜0.05）；the human had the largest one，the deer followed，and the sheep had the smallest one.There were significant differeces of apparent density，elastic modulus and ultimate stress between three groups（P＜0.05）；the sheep had the largest one，the deer followed，and the human had the smallest one.ConclusionDeer lumbar is more similar as that of human according to anatomic form and biomechanics compared with the sheep lumbar.Therefore，deer is a more suitable to set up animal model for vertebral internal fixation research.

lumbar；animal model；human；deer；sheep；biological parameter

R322.3

A

1671－587Ⅹ（2012）06－1096－05

2012－04－29

吉林省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目資助課題 （20100417）

劉國(guó)民 （1979－），男，吉林省長(zhǎng)春市人，主治醫(yī)師，醫(yī)學(xué)博士，主要從事骨微形態(tài)學(xué)方面的研究。

孫紅輝 （Tel：0431－88796174，E－mail：liuyedao123＠163.com）