沈偉，林峰，蔣雪梅

（1.重慶大學(xué)，生物流變科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生物工程學(xué)院，重慶 400030；2.北京大學(xué)，工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系，北京 100871）

n-HA/PA66對(duì)損傷胸腰椎骨生物力學(xué)屬性的恢復(fù)效果研究

沈偉1，林峰2，蔣雪梅1

（1.重慶大學(xué)，生物流變科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生物工程學(xué)院，重慶 400030；2.北京大學(xué)，工學(xué)院力學(xué)與工程科學(xué)系，北京 100871）

目的 研究經(jīng)傷椎椎弓根植入納米羥基磷石灰/聚酰胺（nanohydroxyapatite/polyamide-66, n-HA/PA66）復(fù)合人工骨粒對(duì)損傷胸腰椎體的生物力學(xué)屬性恢復(fù)效果，探究其臨床應(yīng)用價(jià)值。方法 選取10具人體T12-L2節(jié)段脊柱標(biāo)本，將其隨機(jī)平分為兩組：自體松質(zhì)骨組（Cancellous Bone, CB）與n-HA/PA66 (NHP)組。椎體損傷后經(jīng)椎弓根植入上述填充物，并自主設(shè)計(jì)夾具，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在軸向、前屈、后伸及側(cè)彎四個(gè)方向測(cè)試椎體功能段T12-L2的剛度與椎體L1的應(yīng)變。結(jié)果 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與CB組相比，NHP組在軸向、前屈及側(cè)彎方向上重建椎體剛度顯著增加（p＜0.05），椎體L1應(yīng)變顯著降低（p＜0.05），表明NHP能較好的恢復(fù)損傷椎體的生物力學(xué)屬性。結(jié)論 n-HA/PA66骨替代物比松質(zhì)骨能更好的恢復(fù)損傷胸腰椎骨的生物力學(xué)性質(zhì)，具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。

生物力學(xué)；n-HA/PA66；自體骨移植；胸腰椎骨折

引言

近年來(lái)，胸腰椎骨折的發(fā)病率呈逐年增高趨勢(shì)，已成為臨床治療與科學(xué)研究的熱點(diǎn)[1]。然而，目前在很大程度上還無(wú)法徹底治愈，其原因是因無(wú)法對(duì)損傷的椎骨進(jìn)行修復(fù)，特別是生物力學(xué)屬性的修復(fù)。已有的治療系統(tǒng)，如椎弓根釘系統(tǒng)，雖能通過(guò)椎體的高度復(fù)位能有效地實(shí)現(xiàn)骨折復(fù)位和即刻穩(wěn)定，但因骨缺損導(dǎo)致系統(tǒng)力學(xué)屬性未徹底恢復(fù)而引起后期校正角度丟失、斷釘?shù)纫幌盗袃?nèi)固定失敗問(wèn)題[2]。鑒于此，Daniaux 等人結(jié)合椎弓根螺釘固定系統(tǒng)與自體松質(zhì)骨移植來(lái)治療椎骨骨折[3,4]，達(dá)到了較好的治療效果，但具體的功能指標(biāo)，特別是生物力學(xué)屬性，并沒(méi)有得到很好的闡述。

雖然骨移植較好的治療了骨折，但其數(shù)量有限且具有潛在并發(fā)癥，近年來(lái)已研發(fā)出多種用來(lái)重建椎體、恢復(fù)缺損的骨功能的骨替代物[5]。例如，仿生自然骨成分（磷灰石、膠原）的生物材料，包括，羥基磷灰石（Hap）和聚酰胺66（PA66）[6-8]。由于羥基磷灰石是骨和牙齒的主要無(wú)機(jī)鈣磷酸鹽礦物成分，且聚酰胺66具有和骨膠原類似的酰胺鍵和羧基等特殊化學(xué)鍵，因此用羥基磷灰石和聚酰胺66 (n-HA/PA66)的混合材料較單一材料更能滿足自然骨的特性。李玉寶等人混合納米羥基磷灰石和聚酰胺制備了骨替代材料n-HA/ PA66，具有良好的骨傳導(dǎo)性和仿生性能，已應(yīng)用于臨床椎體重建手術(shù)[9,10]。

重建效果的一個(gè)重要指標(biāo)是重建椎體與正常椎體的力學(xué)屬性是否相近[11,12]。因此為了評(píng)價(jià)n-HA/PA66的重建效果，本文選取10具人類脊椎節(jié)段T12-L2通過(guò)一系列生物力學(xué)測(cè)試，評(píng)價(jià)n-HA/PA66復(fù)合人工骨粒與自體松質(zhì)骨骨粒對(duì)損傷椎體的生物力學(xué)屬性修復(fù)的差異性，為n-HA/PA66復(fù)合材料的臨床應(yīng)用提供體外修復(fù)實(shí)驗(yàn)的力學(xué)屬性恢復(fù)證據(jù)，更好地指導(dǎo)其臨床研究與應(yīng)用。

1 材料和方法

1.1 標(biāo)本制備

選取10具無(wú)骨折、畸形、腫瘤等疾患的成人尸體脊柱標(biāo)本，隨機(jī)分成兩組（自體松質(zhì)骨組（CB組），n-HA/PA66組（NHP組）。截取T12-L2節(jié)段，保留所有椎間韌帶和關(guān)節(jié)囊，剔除椎骨的椎旁肌、脂肪和結(jié)締組織。將椎體T12和 L2包埋于表面平整的正方體自凝牙托粉模具中，使椎體L1位于正中。將處理好的標(biāo)本用雙層塑料袋密封，放入-20°C 冰柜中保存待用，實(shí)驗(yàn)前將其逐級(jí)解凍直至恢復(fù)至室溫。

1.2 骨折模型建立

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[13]，由以下步驟構(gòu)建胸腰椎骨折模型:

1. 椎體的預(yù)損傷處理：用直徑為2 mm的鉆頭在標(biāo)本椎體L1的前部打3-4個(gè)孔；

2. 椎體損傷處理：用擺錘沖撞試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)JB-300）以5 m/s沖撞速度和30?擺角落錘正向沖擊預(yù)損傷的標(biāo)本，制造椎體前中柱骨折；

3. 形態(tài)上鑒定骨折模型。

1.3 損傷椎體重建

骨折后，通過(guò)手術(shù)的辦法經(jīng)椎弓根植入法對(duì)損傷的椎體后伸撐開(kāi)植入自體骨或復(fù)合人工骨。CB組植入取自棘突和椎板的松質(zhì)骨骨粒，大小約為3 mm×3 mm× 3 mm；NHP組植入由四川國(guó)納有限公司提供的n-HA/PA66復(fù)合人工骨粒，直徑約為1000-4000 nm。

1.4 生物力學(xué)屬性測(cè)試

1. 標(biāo)本預(yù)處理：椎骨損傷前后剔除表面肌肉露出堅(jiān)硬的骨組織，在椎體L1的待測(cè)部位用氰基丙烯酸鹽粘合劑粘貼應(yīng)變式傳感器，隨后將標(biāo)本置于特制夾具中（如圖1所示），在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)Instron 1011上進(jìn)行生物力學(xué)屬性測(cè)試；

2. 生物力學(xué)屬性測(cè)試：椎骨損傷前及重建修復(fù)后都采取相同的實(shí)驗(yàn)方案采集椎骨生物力學(xué)屬性參數(shù)。首先在試驗(yàn)機(jī)上設(shè)置50 N的最大載荷，以1 mm/min的軸向位移速率預(yù)加載椎體三次，每次加載間隔60秒，消除骨松弛和蠕變的影響。隨后設(shè)置500 N的最大載荷，以1 mm/min的軸向位移速率在軸向、前屈、后伸、及左/右側(cè)彎等四個(gè)對(duì)損傷前及重建后的椎體進(jìn)行力學(xué)加載，用Instron試驗(yàn)機(jī)自帶的PC系統(tǒng)及自編軟件分別實(shí)時(shí)記錄標(biāo)本的載荷-位移與椎體L1應(yīng)變，每秒采集10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，各方向上重復(fù)加載五次。

圖1 特制鋼夾具用于施加不同方向的載荷Fig. 1 Steel fixture was specially designed for the application of loads

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用第五次加載所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。椎體標(biāo)本的剛度由載荷-位移曲線的斜率所得，椎體L1段的應(yīng)變由最大載荷500 N時(shí)應(yīng)變片的應(yīng)變所得。所有數(shù)據(jù)都采用Origin 8.5數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用t檢驗(yàn)分析兩組間的顯著性差異，p＜0.05為具有統(tǒng)計(jì)性差異。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 椎體骨折損傷

本實(shí)驗(yàn)利用擺錘沖撞試驗(yàn)?zāi)M意外傷害等情況損傷椎體，成功構(gòu)建椎體骨折損傷模型。圖2所示的是經(jīng)擺錘沖撞機(jī)損傷的椎體，由圖可知，沖撞實(shí)驗(yàn)破壞了椎體預(yù)損傷部位，使得椎體完整性及連續(xù)性遭到破壞，符合椎體骨折損傷的指標(biāo)，證明本實(shí)驗(yàn)成功損傷了椎體可用于后續(xù)研究。

圖2 骨折后椎體L1節(jié)Fig.2 Fractured vertebral body L1

2.2 自體骨及n-HA/PA66對(duì)損傷椎體剛度恢復(fù)的影響

評(píng)價(jià)椎體重建效果的重要指標(biāo)之一是剛度，一般情況下，剛度越大椎體抵抗變形的能力越強(qiáng)即穩(wěn)定性越好，表明重建效果較優(yōu)。本實(shí)驗(yàn)在體外模擬在體情況四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)施軸向、前屈、后伸及左/右側(cè)彎壓縮，測(cè)量椎體功能節(jié)段T12-L2的形變，進(jìn)而表征椎體的剛度。結(jié)果如表1所示，與完整對(duì)照組相比，在四個(gè)方向上CB組及NHP組的椎體剛度都未完全恢復(fù)到正常狀態(tài)。利用重建后椎體剛度與損傷前椎體剛度的相對(duì)比值作為評(píng)價(jià)椎體修復(fù)效果的力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果如圖3所示。由結(jié)果可知，與CB組相比，NHP組在軸向、前屈、后伸及左/右側(cè)彎壓四個(gè)方向上的剛度恢復(fù)都顯著提高（分別是57%：48%，60%：53%，78%：75%，87%：77%，p＜0.05），表明n-HA/PA66復(fù)合人工骨粒對(duì)重建椎體的剛度恢復(fù)具有較好效果。

表 1 功能節(jié)段T12-L2的剛度(N/mm,±s)Tab.1 Stiffness of segment T12-L2 (N/mm,±s)

表 1 功能節(jié)段T12-L2的剛度(N/mm,±s)Tab.1 Stiffness of segment T12-L2 (N/mm,±s)

圖 3：n-HA/PA66和松質(zhì)骨植骨組功能節(jié)段T12-L2的剛度相對(duì)完整標(biāo)本剛度的百分比。CB=自體松質(zhì)骨填充，NHP= n-HA/PA66復(fù)合人工骨粒填充。＊p＜0.05, n=5Fig.3: Stiffness of the functional units T12-L2 after cancellous bone grafting and n-HA/PA66 grafting (percentage to intact). NHP= Transpedicular n-HA/PA66 grafting. CB= Transpedicular cancellous bone grafting. ＊p＜0.05, n=5

討論

本研究的主要發(fā)現(xiàn)是，骨替代混合材料n-HA/PA66能較好的恢復(fù)重建椎體的生物力學(xué)屬性，包括增加椎體功能節(jié)段T12-L2的剛度，降低椎體節(jié)段L1的應(yīng)變，都表現(xiàn)為重建椎體的生物力學(xué)性質(zhì)增強(qiáng)，椎體的穩(wěn)定性增高，提高損傷椎體重建的效果。為n-HA/PA66骨替代材料的臨床治療應(yīng)用提供體外水平的生物力學(xué)屬性恢復(fù)證據(jù)，將更好的指導(dǎo)其應(yīng)用。

據(jù)報(bào)道[14]，目前主要有三種用于建立胸腰椎骨折模型的方法：1） 擺錘沖擊模型：操作簡(jiǎn)便且較易實(shí)現(xiàn)但其重復(fù)性差且易造成標(biāo)本其他部位不同程度的損傷；2）椎間盤切除術(shù)：Hsiang-Ho等于2004年使用該方法模擬爆裂性骨折，但該方法與臨床情況差距較大[15]；3）先用電鉆處理椎體造成預(yù)損傷，再用沖擊試驗(yàn)機(jī)或材料試驗(yàn)機(jī)壓縮產(chǎn)生骨折[13,16]。通過(guò)該方法，比單獨(dú)使用沖擊試驗(yàn)?zāi)芨玫目刂苿?chuàng)傷位置與損傷程度，且比椎間盤切除術(shù)更切合實(shí)際。因此，本研究主要采用方法3建立胸腰椎骨折模型，不僅椎體損傷范圍接近實(shí)際情況且重復(fù)性較高，較好地模擬了椎體損傷情況，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

骨替代材料n-HA/PA66已廣泛應(yīng)用于骨科疾病創(chuàng)傷后重建的臨床治療手術(shù)中[17]，相比于其他骨替代材料，n-HA/ PA66有較好的仿生功能、理化特性，且能更好地改善損傷或丟失的骨功能[8,18]。因此本研究主要比對(duì)了n-HA/PA66與自體松質(zhì)骨對(duì)損傷椎體重建后生物力學(xué)屬性的恢復(fù)情況，探究n-HA/PA66的臨床應(yīng)用價(jià)值。與以往的研究相比（模擬脊柱生理狀態(tài)運(yùn)動(dòng)），本研究自主設(shè)計(jì)加載組件，通過(guò)簡(jiǎn)化夾具減少了人工計(jì)算誤差，且適用于水平比較[12,19]。并利用Instron材料試驗(yàn)機(jī)模擬生理運(yùn)動(dòng)，分別測(cè)量軸向、前屈、后伸及側(cè)彎四方向上重建椎體的剛度及應(yīng)變恢復(fù)情況。結(jié)果表明，n-HA/PA66組在軸向、前屈及側(cè)彎方向上較自體松質(zhì)骨組能更好的增加損傷椎體的剛度以及降低應(yīng)變，增強(qiáng)重建椎體的生物力學(xué)屬性，在后伸上沒(méi)有顯著性差異。后伸上沒(méi)有差異性有點(diǎn)，但不完全讓人驚訝，因?yàn)樽刁w的運(yùn)動(dòng)是多因素多層次的力學(xué)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，或許這個(gè)結(jié)果挺重要的，但是超出了本研究關(guān)注的重點(diǎn)。

目前為止，經(jīng)椎弓根植骨手術(shù)雖已取得較好的臨床治療效果，但其在防止矯正角度丟失及生物力學(xué)屬性恢復(fù)等方面還存在爭(zhēng)議性[20,21]。例如，Ebelke等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)椎骨增強(qiáng)術(shù)的病人22個(gè)月后幸存率達(dá)100%[22]。然而，Knop等研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)椎弓根植入松質(zhì)骨填充術(shù)的有些病人36個(gè)月后校正角度丟失10.1[23]。矯正角度的丟失可能是由于松質(zhì)骨生物力學(xué)強(qiáng)度不足導(dǎo)致，本研究的結(jié)果也發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的n-HA/PA66填充不能達(dá)到正常脊柱的生物力學(xué)屬性，因此后期研究與臨床治療必須輔以前路固定器械等來(lái)固定和強(qiáng)化椎體。

結(jié)論

本文給出了n-HA/PA66復(fù)合人工骨粒對(duì)損傷胸腰椎體的生物力學(xué)屬性恢復(fù)效果的數(shù)據(jù)：通過(guò)軸向、前屈、后伸及側(cè)彎四個(gè)方向的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，與CB組相比，NHP組在軸向、前屈及側(cè)彎方向上重建椎體剛度顯著增加（p＜0.05），椎體L1應(yīng)變顯著降低（p＜0.05），表明NHP能較好的恢復(fù)損傷椎體的生物力學(xué)屬性。表面n-HA/PA66骨替代物比松質(zhì)骨能更好地恢復(fù)損傷胸腰椎骨的生物力學(xué)性質(zhì)，呈現(xiàn)一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。但其也不能達(dá)到正常脊柱的生物力學(xué)強(qiáng)度，因此也有待進(jìn)一步的研究。

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The E ff ects of n-HA/PA66 in Biomechanical Properties of Injured Thoracolumbar Vertebrae

Shen Wei1, Lin Feng2, Jiang Xuemei1
(1.Key Laboratory of Biorheological Science and Technology, Chongqing University, Chongqing, 400030, China; 2.Department of Mechanics and Engineering Science, College of Engineering, Peking University, 100871, Beijing)

In this paper, the e ff ects of n-HA/PA66 as the transpedicular graft material in biomechanical properties in treating thoracolumbar fractures was addressed, and investigated the value of clinic application. Methods: Ten T12-L2 vertebrae were harvested from human cadavers and randomized devided into two groups: Cancellous Bone (CB) and n-HA/PA66 (NHP). Implant the graft material after vertebral injure, measured the sti ff ness of functional units (T12-L2) and strain of L1 by the use of self-designed fi xture and material testing machine. Results: Our results show that, compared to CB, the sti ff ness of T12-L2 was signi fi cantly increased in NHP (p＜0.05), and the strain of L1 was signi fi cantly decreased (p＜0.05), demonstrating that NHP can better recover the biomechanical properties of injured vertebra. Conclusions: n-HA/PA66 is better than cancellous bone in mechanics for reconstruction of thoracolumber fractures, having some clinical value. However, n-HA/PA66 grafts alone can not recover the biomechanical properties of injured vertebra to that of intact vertebrae, so further studies are needed.

Biomechanics; n-HA/PA66; Autogenous bone; Thoracolumbar fracture

G804

A

10. 11967/ 2017150105

G804

A DOI：10. 11967/ 2017150105

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（編號(hào)：31400805)

蔣雪梅（1979年），女，副教授，主要研究方向：生物力學(xué)與流變學(xué)方向，及藥物分析方向。E-Mail: jiangxuemei@cqu.edu.cn.