李奉龍 薛喆 姜春巖

北京積水潭醫(yī)院運動醫(yī)學(xué)科（北京 100035）

人工肩關(guān)節(jié)置換目前主要用于治療老年復(fù)雜肱骨近端骨折、肩袖損傷性關(guān)節(jié)病、重度骨性關(guān)節(jié)炎及類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、重度創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎等晚期肩關(guān)節(jié)疾患，關(guān)于其術(shù)后療效各臨床報道不一，術(shù)后最常見的并發(fā)癥為肱骨大結(jié)節(jié)愈合不良，嚴重影響患者肩關(guān)節(jié)的術(shù)后功能[1]。目前臨床上常用的人工肩關(guān)節(jié)假體主要為多孔涂層設(shè)計，雖然在一定程度上改善了骨-假體愈合狀況，但仍存在一定的缺陷，如涂層與假體間的界面剪切力、低孔隙率及原電池效應(yīng)等，均可影響骨長入狀況，影響大結(jié)節(jié)的愈合[1，2]。既往研究證實，通過電子束熔融技術(shù)制備的經(jīng)典正六面體孔隙結(jié)構(gòu)鈦合金內(nèi)植物可以一定程度上克服傳統(tǒng)涂層假體的缺點，改善骨長入效果。但正六面體結(jié)構(gòu)與人體骨質(zhì)的生理結(jié)構(gòu)（骨小梁結(jié)構(gòu)）并不相同[1]，而目前尚未有研究證實更加接近于人體骨質(zhì)生理結(jié)構(gòu)的骨小梁結(jié)構(gòu)內(nèi)植物是否更有利于加快骨長入的速度及面積，獲得更好的術(shù)后生物力學(xué)強度。

本研究采用新西蘭大耳兔進行動物實驗，將骨小梁孔隙結(jié)構(gòu)鈦合金內(nèi)植物（研究組）及經(jīng)典孔隙結(jié)構(gòu)鈦合金內(nèi)植物（對照組）植入兔肱骨近端大結(jié)節(jié)處，旨在通過組織學(xué)切片研究證實：①隨著時間的演變，兩種不同孔隙結(jié)構(gòu)鈦合金內(nèi)植物在肱骨近端是否均具備骨長入潛能；②對比研究兩組不同孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物植入骨質(zhì)后，在不同時間點骨長入的組織學(xué)特點。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及分組

于2017年8月至2018年5月在本院動物實驗室，將成年雄性新西蘭大耳白兔30只隨機分為2組，對照組和研究組，每組各15只，體重2.53～2.71 kg，兔齡4個月，單籠普通飼料喂養(yǎng)，術(shù)前觀察2周，確認體健無疾病。實驗過程對動物的處置符合醫(yī)學(xué)倫理學(xué)標準。

1.2 方法

兔肱骨近端內(nèi)植物植入模型的建立：以速眠新Ⅱ注射液0.2 ml/kg對實驗動物進行肌肉注射以施行全身麻醉，麻醉成功后將其置于左側(cè)臥位。術(shù)區(qū)備皮、清潔，常規(guī)消毒，鋪無菌單。在肩關(guān)節(jié)做長約2 cm的縱行皮膚切口。鈍性分離三角肌，顯露大結(jié)節(jié)，見圖1左。于大結(jié)節(jié)止點處，使用2.0克氏針，穿過肱骨干的中心，并與肱骨遠端長軸成約120°鉆入，研究組沿骨道方向置入骨小梁孔隙結(jié)構(gòu)鈦合金螺釘，對照組置入經(jīng)典孔隙結(jié)構(gòu)螺釘（圖2），建立肱骨近端不同空間結(jié)構(gòu)鈦合金內(nèi)植物植入模型，如圖1右。檢查無活動性出血后逐層關(guān)閉傷口。

圖1 骨長入模型建立

圖2 不同孔隙結(jié)構(gòu)鈦合金內(nèi)植物模型

1.3 造模后處理

觀察家兔自然蘇醒，常規(guī)進食。始終置于兔籠（65 cm×40 cm×40 cm）中限制活動，患肢不制動，造模后前3天，肌肉注射青霉素4×105 U預(yù)防感染。分別于術(shù)后3、6、12周這三個時間點對兩組實驗兔進行標本采集，每個時間點實驗組與對照組各采集5只家兔。保留肱骨頭至其遠端3 cm的骨標本，去除所有肌肉以及軟組織。使用中性福爾馬林固定48 h，再使用梯度酒精（70%、80%、90%）脫水7天，100%脫水2次，每次2天。使用Technovit 7200VLC光固化樹脂浸透1個月后，行光固化包埋。再應(yīng)用德國EXAKT硬組織切磨系統(tǒng)制片（EXAKT 400 CS/AW Micro Grinding Sys?tem），平行肱骨干長方向切割，以解剖軸為中心，內(nèi)外側(cè)分別留有約1 mm骨組織，切成厚度大約為2 mm的標本后，行甲苯胺藍染色。后于光學(xué)顯微鏡下，采用×4倍放大率進行圖像采集。骨長入面積的測量使用Im?age-Pro Plus軟件進行圖像的處理分析。在矢狀位切片上做一個可包含螺釘長徑a和寬徑b的矩形（去除螺母），則總面積S0=a×b，再計算出此矩形內(nèi)可被甲苯胺藍著色的組織面積S1，定義骨長入面積S%=S1/S0×100%（圖3）。所有的組織學(xué)測量均由同一操作者完成。圖3為經(jīng)典孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物切片示意圖。

圖3 骨長入面積測量

1.4 觀察指標

①定性觀察：觀察對比隨著時間的演變，不同孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物骨長入的大體情況。②定量測量：對比研究在不同時間點（3周、6周、12周）兩組不同孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物的骨長入組織學(xué)特點。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析，數(shù)據(jù)由均值 ±標準差表示，評估研究組及對照組在3個時間點下骨長入面積百分比的差異，采用獨立樣本t檢驗進行分析。兩組內(nèi)的三個時間點采用ANOVA方差分析，其中P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 實驗動物建模觀察

30只兔術(shù)后健康狀況良好，均于造模當(dāng)天開始自主進食。觀察期間無傷口感染。在建模操作過程中，家兔的肩關(guān)節(jié)局部解剖結(jié)構(gòu)與人類相似，手術(shù)入路的相關(guān)解剖位置比較恒定，肩關(guān)節(jié)大結(jié)節(jié)生物型內(nèi)植物植入模型的建立操作過程可重復(fù)性較高。

2.2 不同空間結(jié)構(gòu)內(nèi)植物骨長入情況隨時間演變的大體變化情況

由鏡下組織學(xué)切片染色大體來看，在3、6、12周這3個時間點，如圖4所示，可見骨小梁孔隙結(jié)構(gòu)螺釘及經(jīng)典孔隙結(jié)構(gòu)螺釘內(nèi)軟骨細胞數(shù)量均呈成正增長趨勢，且分布的范圍逐漸擴大。

圖4 3、6、12周時骨小梁孔隙結(jié)構(gòu)螺釘與經(jīng)典孔隙結(jié)構(gòu)螺釘?shù)墓情L入情況（局部）

2.3 不同孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物的骨長入百分比隨時間的變化情況

30個樣本的組織學(xué)測量結(jié)果如表1所示，組織學(xué)數(shù)據(jù)顯示，在骨長入面積百分比方面，3周和6周時，骨小梁孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物（研究組）均顯著大于經(jīng)典孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物（對照組）（P＜0.05）；而12周時，兩組間的骨長入面積百分比相比無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。兩組內(nèi)分別進行組內(nèi)比較時，3周、6周、12周這3個時間點兩兩比較均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。如表1所示。

表1 組織學(xué)測量結(jié)果

3 討論

本研究通過組織學(xué)觀察證實，不同孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物在兔肱骨近端的骨長入面積隨時間均不斷增加，早期（6周內(nèi)）骨小梁孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物的骨長入速度顯著大于經(jīng)典孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物，但遠期（12周）兩組不同結(jié)構(gòu)內(nèi)植物骨長入面積并無統(tǒng)計學(xué)差異。

臨床上目前常用的人工肩關(guān)節(jié)假體主要為多孔涂層設(shè)計，雖然在一定程度上可以改善骨-假體愈合狀況，但其仍存在材料界面剪切力、低孔隙率及原電池效應(yīng)等缺陷，無法達到真正意義上的骨長入[2]。因此，設(shè)計并研發(fā)具有三維空間結(jié)構(gòu)的多孔材料假體，對于改善骨-假體愈合狀況、提高假體固定強度，具有重要意義。目前已有的經(jīng)典孔隙結(jié)構(gòu)的鈦合金金屬是以鈦合金為原料，采用電子束熔融技術(shù)制備成的新型金屬材料，既往研究已經(jīng)證實，以正六面體網(wǎng)格為基礎(chǔ)單位向周圍空間規(guī)律排布發(fā)散形成的經(jīng)典孔隙結(jié)構(gòu)螺釘有較好的骨長入特性[1]，本研究亦表明與人體正常松質(zhì)骨骨小梁相似的“松質(zhì)骨樣”結(jié)構(gòu)的骨小梁孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物具有與正六面體孔隙結(jié)構(gòu)相似的骨長入特性，且在早期（6周內(nèi)），具有更快的骨長入速度及更大的骨長入面積。這一發(fā)現(xiàn)也為臨床治療中選取不同孔隙結(jié)構(gòu)的內(nèi)植物提供了理論依據(jù)。

目前文獻報道的影響人工肩關(guān)節(jié)假體置換術(shù)后大結(jié)節(jié)愈合的主要因素包括患者年齡、性別、骨質(zhì)狀況、假體的置入位置、肩袖質(zhì)量以及假體類型[3-7]。臨床上目前常用的人工肩關(guān)節(jié)假體主要為涂層設(shè)計，其主要原理是在假體近端制備多孔涂層，促進假體近端與大結(jié)節(jié)之間的愈合，理論上改善術(shù)后大結(jié)節(jié)的愈合狀況。盡管如此，有臨床多中心研究發(fā)現(xiàn)大結(jié)節(jié)的愈合率仍不能達到滿意的效果[1，7-12]。本研究初步證實了不同空間結(jié)構(gòu)材料的骨長入潛能與特性，為將來改善假體近端骨長入模塊的相關(guān)設(shè)計，提高術(shù)后大結(jié)節(jié)的愈合率，提供了必要的理論及實踐依據(jù)。

本研究所涉及的兩種不同的空間結(jié)構(gòu)材料均為立體發(fā)散結(jié)構(gòu)，我們通過組織學(xué)研究初步證實了二者在骨長入方面的優(yōu)勢。相比而言，骨小梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)植物在術(shù)后早期骨長入方面表現(xiàn)更為突出。與之相對應(yīng)的臨床意義在于，肩關(guān)節(jié)置換術(shù)后患者的早期康復(fù)鍛煉。在本研究中，隨著時間的推移，不同孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物在兔肱骨近端的骨長入面積均不斷增加，早期（6周內(nèi)）骨小梁結(jié)構(gòu)內(nèi)植物的骨長入速度顯著大于經(jīng)典孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物，但遠期（12周）兩組不同結(jié)構(gòu)內(nèi)植物骨長入面積并無統(tǒng)計學(xué)差異。目前臨床上人工肩關(guān)節(jié)置換術(shù)后的康復(fù)在術(shù)后4～6周時?？砷_始進行主動輔助鍛煉[13-15]，但也有文獻質(zhì)疑過早進行康復(fù)鍛煉可能會干擾大結(jié)節(jié)的愈合過程，甚至導(dǎo)致術(shù)后失效[16]。而根據(jù)本研究結(jié)果，若術(shù)中采用骨小梁孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物相比經(jīng)典結(jié)構(gòu)內(nèi)植物，可獲得更好的骨長入特性。因此為增強患者術(shù)后早期的內(nèi)植物-骨長入強度、盡早進行康復(fù)功能鍛煉、提高術(shù)后療效、降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率，采用新型骨小梁結(jié)構(gòu)鈦合金內(nèi)植物或許在將來會成為更好的選擇。

本研究還有以下不足：第一，實驗動物樣本量較小，飼養(yǎng)時間相對較短，缺乏長期研究結(jié)果；第二，缺少三維定量研究，僅為單一截面分析，缺乏三維重建體積分析。第三，本研究只進行了甲苯胺藍染色研究，沒有進一步的熒光蛋白染色研究以及相應(yīng)的生物力學(xué)實驗證實骨長入強度，因此還需要后續(xù)的免疫組化及生物力學(xué)研究進一步證實不同孔隙結(jié)構(gòu)鈦合金內(nèi)植物的組化特性及生物力學(xué)特性。

4 結(jié)論

本研究通過組織學(xué)切片證實，不同孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物在兔肱骨近端的骨長入面積隨時間均不斷增加，早期（6周內(nèi)）骨小梁孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物的骨長入速度顯著大于經(jīng)典孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)植物，但遠期（12周）兩組不同結(jié)構(gòu)內(nèi)植物骨長入面積并無統(tǒng)計學(xué)差異。