应力对大段骨缺损修复影响的实验兔模型探讨

吴 琳，王禄增，哈斯达来，袁 月，张劲松

(1.中国医科大学口腔医学院修复科，沈阳 110002;2.中国医科大学实验动物部，沈阳 110001;3.中国科学院金属研究所，沈阳 110016)

应力对大段骨缺损修复影响的实验兔模型探讨

吴 琳1，王禄增2，哈斯达来1，袁 月1，张劲松3

(1.中国医科大学口腔医学院修复科，沈阳 110002;2.中国医科大学实验动物部，沈阳 110001;3.中国科学院金属研究所，沈阳 110016)

目的 建立用于研究应力对大段骨缺损修复作用的实验兔动物模型。方法 选用20只健康成年大耳白兔，随机分成两组，在右侧肱骨中下段制造13 mm的大段骨缺损后植入泡沫碳化硅人工骨，实验组选用具有固定和持续轴向加压双重作用的镍钛记忆合金接骨器，对照组选用同种材料和规格的仅有固定作用的接骨器，术后常规护理，待取材观察。结果 20只实验兔中，7只在苏醒后当天，10只术后1～3 d，3只术后4～7 d，出现植入体从植入部位脱出游离至皮下现象。结论 用于研究应力对大段骨缺损修复作用的实验兔动物模型未成功建立，镍钛记忆合金接骨器对兔肱骨大段骨缺损处人工骨的固定和持续加载，在实验兔肱骨难以实现。

大段骨缺损;持续应力;泡沫碳化硅;镍钛记忆合金接骨器;动物模型;兔

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 实验动物：选用20只普通级成年日本大耳白兔，兔龄7～12个月，体重2.5～3.0 kg，雌雄不限，由中国医科大学实验动物部提供［SCXK(辽)2009-0003］，每只动物独笼饲养，自由进食，观察一周后开始用于实验。

1.1.2 泡沫碳化硅人工骨：孔隙率70%，盲孔率≤1%，孔径尺寸800～1000 μm，抗压强度≥30 MPa，弹性模量25 GPa，由中国科学院金属研究所提供。按兔肱骨中下段外形制作长度13 mm，近心端直径6 mm，远心端直径5 mm的人工骨。经超声波清洗3次，高压蒸汽灭菌(134℃，0.21 MPa)后备用。

1.1.3 镍钛记忆合金接骨器：取含镍50% ～53%的医用镍钛合金板材料，厚为1 mm，依据肱骨中下段解剖特征制成由体部、环形部、尾钩和轴向加压钩组成的镍钛记忆合金接骨器(见图1，封三)，由中国科学院金属研究所制作提供。超声波清洗3次，高温高压灭菌(134℃，0.21 MPa)。术前置于0～4℃冰水中降温后打开环形部，并向背侧拉展轴向加压钩，形状恢复温度为(33±2)℃。

1.2 方法

1.2.1 术前准备：在兔臀肌按0.3 mL/(kg·bw)注射速眠新合剂(中国医科大学实验动物部安全评价中心提供)全身麻醉，婴儿电动理发器(HK-168大连娇子堂工贸有限公司)于右侧肱骨周围内外约5 cm备皮，左侧卧位固定，手术侧(右肢)游离。术区1%碘伏消毒，常规铺巾。将4万U庆大霉素加入250 mL 0.9%氯化钠注射液中，备术中冲洗和降温时使用。

1.2.2 手术步骤：用2%利多卡因兔局部浸润麻醉，在肱骨中下段沿两块肌肉之间顺骨长轴方向切开皮肤，钝性分离皮下和肌肉组织，直到骨面，剥离骨膜，暴露出手术骨段，距远心端肌腱附着1～2 mm处，用齿科打磨机(韩国STONG90)以裂钻钻穿骨皮质，制作纵向1 mm、横向2 mm的固位孔以容纳接骨器尾钩，再以整个轴向加压钩长度为准在近心端制作相同的固位孔以容纳加压钩，换以切割盘于远端固位孔近端7～8 mm处慢速切断肱骨，距断面13 mm处近端再次全层截断肱骨，去除游离骨，植入泡沫碳化硅人工骨，再将预先展开的接骨器植入，35～40℃生理盐水冲洗，环形部形变复位横向环抱骨断端和人工骨起固定作用，实验组接骨器轴向加压钩形变复位对人工骨持续加压(图2，封三)，对照组则不加压，探查固定可靠后庆大霉素冲洗，分层缝合关闭切口。

1.2.3 术后护理：待动物苏醒，送回饲养室。术后第2天开始青霉素40万单位，每日两次，臀肌注射，连续3 d。除观察进食排便精神等一般健康状况外重点观察手术肢体的功能恢复情况，如能否正常着地、支撑体重、行走步态情况。

2 结果

20只实验兔术后均能正常进食排便，创口愈合良好，但术侧肢体不能正常着地，20只实验兔中，7只在苏醒后0 d，10只术后1～3 d，3只术后4～7 d，出现植入体从植入骨端部位脱出游离至皮下的现象。

3 讨论

3.1 实验骨的选择

在骨折愈合早期纵向压应力驱动成骨细胞和成纤维细胞分化成骨，有利于骨折愈合，而剪切和扭转载荷产生剪切应力驱动成纤维细胞增殖为纤维组织，对愈合不利。因此，在本实验动物模型选择兔在正常功能状况下受力与骨长轴一致的长骨，以减少正常活动时产生的剪切应力对骨再生重建的不利影响;另外所选择的实验骨要有相对规则的骨外形和一定的大小，规则的骨外形有利于人工骨的仿真制作，同时确保接骨器牢固固定两个骨断端和人工骨。结合上述两方面兔肱骨便成了实验骨的最佳选择，因为它是兔在功能状态下受力较接近骨长轴并有较大体积和较规则外形的中下段长骨。

3.2 大段骨缺损范围大小的确定

在研究骨缺损修复材料时实验性骨缺损只有大于骨的自行修复能力的范围时，材料的成骨潜力才有意义，这种实验性骨缺损成为基准大小缺损，亦称为临界骨缺损［2］。目前认为临界骨缺损的标准长度为其直径的1.5～2.5倍以上或为长骨长度的1/10以上［3］。本实验所采用的日本成年大耳白兔肱骨总长度约为70～80 mm，临界骨缺损应为7～8 mm，所以我们建立大段骨缺损模型时选用的实验性骨缺损必须大于7～8 mm。另外术后要保证实验肢体的正常功能，不能过多的损伤骨周肌肉组织的正常附着，故本实验选用的肱骨段为冠突窝以上到三角肌粗隆以下外形较规则的肱骨中下段约25～30 mm，此外骨缺损两侧至少保留6 mm宿主骨以供接骨器固定，因此本实验设定大段骨缺损模型的骨缺损范围为13 mm。

3.3 镍钛记忆合金接骨器

镍钛记忆合金具有形状记忆效应［4］。由于这种特殊性能和良好的生物相容性使镍钛记忆合金已经应用于医学领域，如骨折固定等［5，6］。本实验的接骨器在体温驱动下形变复位后，环形部起固定作用，而弓形的轴向加压钩低温下向背侧拉展，形变复位时尾钩和加压钩的拮抗，使两骨断端对人工骨产生持续压应力。这种接骨器的优点：第一、轴向加压钩在尾钩的拮抗下记忆形变对人工骨产生的持续纵向压应力不因宿主骨的吸收而大幅度削减;第二、由于骨外形的不规则性使接骨器与宿主骨和人工骨呈点状接触，而非紧贴于骨干表面，有利于血供。

3.4 泡沫碳化硅人工骨

泡沫碳化硅是近年来由中国科学院金属研究所采用自有专利技术开发出的具有松质骨结构的三维多孔材料，属生物惰性陶瓷的一种，具有良好的生物相容性［7］和理想的三维孔隙(孔隙率≥70%，通透率≥98%，孔径尺寸在300～1000 μm范围内可调控)，有利于骨组织的生长。该材料的优势在于①具有良好的力学性能：抗压强度可达80 MPa，使大段骨缺损修复后对人工骨进行原位加载成为可能;②弹性模量20～23 GPa使对人工骨进行加载时应力场不因在人工骨内的传导而衰弱，保证应力在人工骨内近似均匀分布，以便观察相近应力作用下不同部位人工骨内的成骨情况;③良好的可加工性，可根据不同部位骨的形态进行仿真制作。

张春才等［8，9］应用镍钛合金材料研制成的天鹅型形状记忆接骨器成功地在新西兰大白兔的肱骨上建立了骨干骨折内固定实验模型。天鹅型形状记忆接骨器与本实验的镍钛记忆合金接骨器的外形与作用原理相似，但是本实验结果20个植入体一周内分别脱出。原因可能有以下2个方面：①天鹅型形状记忆接骨器对骨折断端的固定持续稳定，而本实验的镍钛记忆合金接骨器的环形部对宿主骨和人工骨的固位不良;②由于兔的多动和前肢被毛皮下松软，不能实施外固定。

综上，本实验条件下的兔肱骨大段骨缺损动物模型无法成功建立。通过本实验我们认为由于兔肱骨的持重特点，建立兔肱骨大段骨缺损动物模型很难实现，也不适合用于研究镍钛记忆合金接骨器对兔肱骨大段骨缺损处人工骨的持续加载。

(本文图1，2见封三)。

［1］ Tian C，Zhang JS，Cao XM.High strength silicon carbide foams and their deformation behavior［J］.J Mater Sci Technol，2006，22(2)：269 －272.

［2］ 荣小芳，吴琳，杨晓东，等.兔下颌骨临界骨缺损人工材料植入实验动物模型的建立［J］.中国医科大学学报，2008，37(1)：63 －64.

［3］ 陈滨.组织工程骨的构建.见组织工程学实验技术［M］，裴国献主编.北京：人民军医出版社，2006：213.

［4］ Montero-Ocampo C，Lopez H，Salinas RA.Effect of compressive straining on corrosion resistance of a shape memory Ni-Ti alloy in Ringer＇s solution［J］.Biomed Mater Res，1996，32(4)：583 －591.

［5］ 张春才，许硕贵，王家林，等.镍钛记忆合金及其骨科应用［J］.中国矫形外科杂志，1999，6(11)：854－856.

［6］ 许硕贵，张春才，苏佳灿，等.天鹅记忆合金接骨器治疗肱骨骨折和骨不连三维有限元分析［J］.第二军医大学学报，2001，22(10)：943－945.

［7］ 吴琳，徐兴祥，李波，等.泡沫碳化硅的生物相容性［J］.材料研究学报，2008，22(1)：58－62.

［8］ 高堂成，康庆林，张春才.上肢骨干骨折内固定实验动物模型的建立［J］.中国骨伤，2004，17(5)：267－269.

［9］ 康庆林，张春才，高堂成，等.天鹅记忆接骨器治疗兔肱骨干骨折［J］.第一军医大学学报，2003，23(7)：728－730.

Effect of stress on reconstruction of a large bone defect：establishment of an experimental rabbit model

WU Lin1，WANG Lu-zeng2，HASI Da-lai1，YUAN Yue1，ZHANG Jing-song3
(1.Department of Prosthodontics，School of Stomatology，China Medical University，Shenyang 110002，China;2.Laboratory Animal Center，China Medical University，Shenyang 110001;3.Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016)

Objective To establish an experimental rabbit model for studying the effect of the continuous compressive stress on reconstruction of a large bone defect.Methods Twenty adult Japanese rabbits were used and randomly divided into two groups.Artificial bone made of foam silicon carbide was implanted in a large bone defect in length of 13 mm at mid-distal humeral shaft of right side.Ni-Ti shape memory connector with both fixation and continuous compressive stress was used as the experimental group，and that with fixation but without stress was used as the control group.Routine nursing was given to the rabbits after the operation for further observation at proper time points.Results The implants were free from the implanted sites to the subcutaneous space in all the 20 rabbits.It occurred just at the day after regaining consciousness in 7 rabbits，after 1－3 days in 10 rabbits，and at 4－7 days after operation in 3 rabbits.Conclusions In this study we failed to establish the rabbit model for studing the effect of continuous compressive stress on reconstruction of large bone defect.It is impractical to use Ni-Ti shape-memory connector for fixation and continuous compressive stress on the artificial bone at large humeral bone defect.

Large bone defect;Continuous stress;Foam silicon carbide;Ni-Ti shape-memory alloy connector;Animal model，rabbit

Q95-33，R782.2

A

1005-4847(2011)01-0026-03

10.3969/j.issn.1005-4847.2011.01.006

应力应变对骨生长和重建的影响是当前骨科学和应用生物材料领域的研究热点，相关研究主要集中在骨折愈合方面。而探讨应力对大段骨缺损修复影响的研究，特别是体内的研究，长期以来缺乏突破性进展。主要由于现有三维多孔修复材料(如羟基磷灰石，β-磷酸三钙)自身力学性能方面的不足，不能实现对人工骨在骨缺损区域的原位加载。近年来，中国科学院金属研究所采用自有专利技术开发出的泡沫碳化硅(SiC)，以其良好的几何结构、力学性能和生物学的优点［1］，为探究应力应变对大段骨缺损修复后人工骨内骨生长和重建行为的影响规律提供了可靠的理想的材料学基础。为了深入研究应力应变对人工骨内骨生长和重建行为的影响机制，建立可靠的动物模型是前提。同时也有利于对三维多孔人工骨结构和性能的优化，为研发更加符合大段骨缺损临床修复要求的人工骨材料提供生物力学依据。

国家863计划资助项目(2009AA03Z421);中科院金属研究所合作项目(新型生物医用材料研究)。

吴琳(1969－)，女，副教授，博士，硕士生导师。研究方向：骨缺损修复材料及生物力学研究。E-mail：wulin13@163.com

2010-07-21