醫(yī)用硫酸鈣在家兔腰椎融合模型中的成骨能力

1、    作者：張健，呂厚山，劉海鷹，王會(huì)民，張森      【摘要】  目的通過(guò)與自體髂骨進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)醫(yī)用硫酸鈣單獨(dú)應(yīng)用的成骨能力，并探討其可能的成骨機(jī)理。方法建立家兔腰椎后外側(cè)融合模型，以自身作為對(duì)照，雙側(cè)橫突間植骨，左側(cè)植入硫酸鈣顆粒，右側(cè)植入自體髂骨。于術(shù)后3、6、12周行X線、CT及組織學(xué)檢查。結(jié)果術(shù)后3周，硫酸鈣尚可見殘留顆粒，自體骨完全降解；植骨區(qū)域內(nèi)均可見到大量的破骨細(xì)胞，并有血管纖維組織長(zhǎng)入。術(shù)后6周，硫酸鈣完全降解，影像學(xué)檢查兩者之間沒有明顯的差異，表現(xiàn)為局部骨密度增高，新骨

2、成形；組織學(xué)檢查兩側(cè)植骨區(qū)內(nèi)均為大量的透明軟骨形成，自體髂骨植骨區(qū)內(nèi)可見散在的骨小梁結(jié)構(gòu)。術(shù)后12周，組織學(xué)及影像學(xué)上二者沒有任何的差別，兩側(cè)形成的骨組織與家兔的椎體骨組織結(jié)構(gòu)相同。結(jié)論醫(yī)用硫酸鈣作為骨移植替代材料，除了具有良好的骨傳導(dǎo)性外，硫酸鈣可能還具有骨誘導(dǎo)性，其成骨能力與自體髂骨相當(dāng)，醫(yī)用硫酸鈣單獨(dú)應(yīng)用可以取得良好的融合效果。 【關(guān)鍵詞】  硫酸鈣； 骨移植材料； 腰椎后外側(cè)融合術(shù)1  前言    硫酸鈣（calcium sulfate，CaS）用作骨缺損修復(fù)材料已經(jīng)達(dá)百年之久，具有良好的生物相容性，對(duì)周圍組織不產(chǎn)生炎癥和異物

3、刺激作用，目前已廣泛應(yīng)用于矯形外科、五官科、齒科骨缺損的填充修復(fù)。這種材料在體內(nèi)能夠被快速的降解，其降解的速度與新骨形成的速度基本一致1。在包容性骨缺損動(dòng)物的臨床與物理實(shí)驗(yàn)研究中，CaS表現(xiàn)出了很好的骨傳導(dǎo)作用，作為骨缺損的填充物，硫酸鈣可以恢復(fù)骨的形態(tài)輪廓，阻止軟組織長(zhǎng)入，為血管和成骨細(xì)胞的長(zhǎng)入提供了骨引導(dǎo)性基質(zhì)。但是在腰椎后外側(cè)融合中，一側(cè)為植骨床，另一側(cè)為肌肉組織，其成骨能力如何，相關(guān)的臨床及實(shí)驗(yàn)研究不多。本實(shí)驗(yàn)研究觀察這種骨移植材料在家兔腰椎融合模型中對(duì)成骨的組織學(xué)過(guò)程，并探討其可能的成骨機(jī)理。    2  材料與方法   

4、2.1  植入材料    醫(yī)用硫酸鈣（美國(guó)Wright公司研制）主要成分是半水硫酸鈣，具有高純度的晶體結(jié)構(gòu)，其形狀為圓柱形結(jié)構(gòu)，其規(guī)格是4.8 mm×3 mm，不透過(guò)X射線，可以通過(guò)影像學(xué)檢查判斷其植入體內(nèi)后的吸收情況。    2.2  實(shí)驗(yàn)動(dòng)物    健康家兔20只（由北京大學(xué)人民醫(yī)院動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心提供），雌雄不限，體重2.02.5 Kg。    2.3  實(shí)驗(yàn)方法    建立家兔腰椎后外側(cè)單節(jié)段融合模型，融合節(jié)段為L(zhǎng)4、5，

5、以家兔自身作為對(duì)照，所有家兔均為左側(cè)植入硫酸鈣顆粒，右側(cè)植入自體髂骨。    實(shí)驗(yàn)操作：3%戊巴比妥鈉1.5 ml/kg耳緣靜脈注射麻醉，取后正中切口，切開皮膚、深筋膜，顯露棘突、椎板、橫突，填塞紗布止血，將切口向右側(cè)牽拉，顯露髂骨翼，剝離筋膜顯露髂骨，取骨量約1.5 ml。雙側(cè)橫突間植骨后，棘突鋼絲“8”字固定?？p合切口。    2.4  觀察指標(biāo)    2.4.1  大體觀察    術(shù)后家兔的精神狀態(tài)、飲食、活動(dòng)及傷口情況。    2.4.2 

6、; 影像學(xué)檢查    術(shù)后3、6、12周隨機(jī)處死（空氣栓塞）6只家兔，行家兔腰椎正側(cè)位X線片、腰椎CT平掃觀察植骨的降解以及新骨形成的情況。2.4.3  組織學(xué)檢查    在家兔取材后，用10%的甲醛固定，常規(guī)脫鈣、脫水、石蠟包埋，切片行HE染色、光鏡觀察植骨降解以及新骨形成情況。    3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果    3.1  大體觀察    全部家兔均在術(shù)后26 h蘇醒，術(shù)后第2 d反應(yīng)靈敏，飲食恢復(fù)正常、行動(dòng)正常，術(shù)后傷口2周愈合

7、，縫線自動(dòng)脫落，本組家兔術(shù)后無(wú)傷口感染及死亡發(fā)生。    3.2  影像學(xué)檢查    術(shù)后3周：X線示硫酸鈣植骨區(qū)內(nèi)尚可見未降解的顆粒，而自體骨側(cè)較為模糊；CT平掃可見殘留的硫酸鈣顆粒（圖1），而自體骨植骨區(qū)模糊，局部骨密度增高。術(shù)后6周：未見硫酸鈣殘留顆粒，兩側(cè)植骨區(qū)域均模糊，局部骨密度增高，兩側(cè)之間沒有明顯的差別（圖2）。術(shù)后12周：在植骨區(qū)域的周圍有連續(xù)的骨皮質(zhì)形成，其內(nèi)部為松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，兩側(cè)沒有明顯的差別（圖3）。  圖1術(shù)后3周CT平掃：硫酸鈣植骨側(cè)在CT平掃尚可見殘留顆粒，自體骨側(cè)植骨模糊，邊界不清（略）

8、 圖2術(shù)后6周CT平掃：兩側(cè)沒有明顯的差別，表現(xiàn)為局部骨密度增高（略） 圖3術(shù)后12周CT平掃：可以見到在植骨區(qū)域的周圍有連續(xù)的骨皮質(zhì)形成，其內(nèi)部為松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)，兩側(cè)沒有明顯的差別（略）3.3  組織學(xué)檢查（圖49）    術(shù)后3周：硫酸鈣顆粒內(nèi)出現(xiàn)纖維血管組織長(zhǎng)入，在殘留硫酸鈣基質(zhì)的表面有明顯的破骨細(xì)胞出現(xiàn)，在植骨床側(cè)和肌肉側(cè)硫酸鈣的降解程度沒有明顯的差別；自體骨被完全的降解，大量的纖維血管組織長(zhǎng)入，同時(shí)存在大量的破骨細(xì)胞。    術(shù)后6周：硫酸鈣顆粒完全降解，兩側(cè)植骨區(qū)內(nèi)均可見大量的透明軟骨形成，硫酸鈣植骨區(qū)內(nèi)植骨床和肌肉之間的透明

9、軟骨成熟程度是同步的，沒有見到骨小梁組織，而自體植骨區(qū)域內(nèi)可以見到散在的骨小梁組織。    術(shù)后12周：硫酸鈣顆粒與自體髂骨植骨區(qū)的成骨沒有差別，在植骨區(qū)的周邊形成了連續(xù)的皮質(zhì)骨，在皮質(zhì)骨的內(nèi)骨為骨髓樣組織（與家兔椎體的骨組織結(jié)構(gòu)相同）以及散在的脂肪變性。    4  討論    腰椎后外側(cè)融合術(shù)可以使多個(gè)脊柱節(jié)段發(fā)生骨性融合，形成力學(xué)整體，從而達(dá)到治療脊柱病損的目的。自體骨移植術(shù)被認(rèn)為是這種手術(shù)的金標(biāo)準(zhǔn)，但這種方法有一定的局限性，如手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)、切口感染、皮神經(jīng)損傷等。因此學(xué)者們一直在努力尋找自體骨移植的替代材料

10、。    硫酸鈣用作骨缺損填充修復(fù)材料，已經(jīng)達(dá)百年之久。1996年，美國(guó)Wright公司研制出醫(yī)用硫酸鈣，其分子結(jié)構(gòu)為CaSO4·1/2H2O，具有高純度晶體結(jié)構(gòu)，硫酸鈣顆粒植入后，完全降解大約需要68周的時(shí)間，這與新骨形成的速度基本一致，另外，顆粒之間的孔隙允許血管長(zhǎng)入，從而更好地降解1、2。    在包容性骨缺損模型中，由于周圍都是骨組織，與骨的接觸面積很大、血運(yùn)豐富，加之這種材料具有良好的骨傳導(dǎo)作用，其降解速度與新骨形成的速度基本一致，硫酸鈣良好的成骨能力源于其良好的骨傳導(dǎo)性。但是在腰椎后外側(cè)融合中，與植骨床的接觸面積要小得多，而另一側(cè)為

11、肌肉組織。這種情況下成骨能力如何？    Glazer等3人在家兔腰椎后外側(cè)融合模型中，將硫酸鈣與自體骨髓聯(lián)合植骨，并且將電刺激植入體內(nèi)促進(jìn)骨融合，但沒有得到理想的結(jié)果，因此，他們認(rèn)為硫酸鈣在家兔腰椎融合中并不能取得良好的融合效果，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合生物學(xué)方法以促進(jìn)骨融合。  圖4自體骨植入?yún)^(qū)3周，可見大量的纖維血管組織及破骨細(xì)胞  （HE染色  ×100）（略） 圖5硫酸鈣植骨區(qū)3周，可見大量的纖維血管組織長(zhǎng)入，在硫酸鈣基質(zhì)的表面可見明顯的破骨細(xì)胞  （HE染色  

12、5;100） （略）圖6自體骨植骨區(qū)6周，可見透明軟骨及骨小梁組織  （HE染色  ×100）（略） 圖7硫酸鈣植骨區(qū)6周，可見大量透明軟骨組織，成熟程度落后于自體骨  （HE染色  ×100）（略） 圖8自體骨植骨區(qū)12周，在植骨區(qū)的周邊形成了連續(xù)的骨皮質(zhì)，在皮質(zhì)骨的內(nèi)骨為骨髓樣組織以及散在的脂肪變性  （HE染色  ×100）（略） 圖9硫酸鈣植骨區(qū)12周，與自體骨鏡下表現(xiàn)沒有差別  （HE染色  &#

13、215;100）（略）   在WenJer Chen等人4進(jìn)行的臨床研究中，腰椎后外側(cè)融合術(shù)中一側(cè)采用硫酸鈣與自體骨11混合，另一側(cè)采用同等量的自體髂骨，術(shù)后定期行影像學(xué)檢查，評(píng)價(jià)兩側(cè)植骨區(qū)域硫酸鈣降解與成骨的差別，他們發(fā)現(xiàn)硫酸鈣與自體髂骨在成骨上沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差別，認(rèn)為硫酸鈣是很好的骨移植替代材料。    針對(duì)學(xué)者們對(duì)這種材料在腰椎后外側(cè)融合中不同效果的報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前瞻性研究，觀察這種材料的組織學(xué)過(guò)程。Wright公司對(duì)醫(yī)用硫酸鈣的使用要求是與自體骨11混合使用。但在脊柱手術(shù)中，自體骨多來(lái)自于局部減壓骨，骨量通常較少，臨床上植骨不融合多與植骨量不足有關(guān)

14、，為了取得牢固的融合而不得不手術(shù)取自體髂骨。因此本研究中所有家兔均為一側(cè)單獨(dú)植入硫酸鈣顆粒，另一側(cè)植入自體髂骨，以評(píng)價(jià)其單獨(dú)應(yīng)用的成骨能力。    家兔腰椎后外側(cè)融合模型的優(yōu)點(diǎn)是非常的接近脊柱外科臨床情況，其骨性解剖部位可以提供足夠的空間進(jìn)行植骨，同時(shí)能夠提供足夠的髂骨進(jìn)行自體骨移植對(duì)照。并在實(shí)驗(yàn)中采用棘突鋼絲固定增加愈合的成功率，這與臨床手術(shù)使用的椎弓根螺釘固定接近。    在本研究中發(fā)現(xiàn)，硫酸鈣顆粒早期的降解速度較自體骨慢，中期形成透明軟骨的成熟程度也落后于自體骨，與文獻(xiàn)中報(bào)道不同2、3、5。作者認(rèn)為，這可能與硫酸鈣的顆粒較大、與周圍組織接觸面積小有

15、關(guān)，因而降解速度、成骨速度相對(duì)慢（本研究按照Wright公司的使用說(shuō)明，沒有對(duì)硫酸鈣顆粒進(jìn)行處理）。而在術(shù)后12周，二者之間的成骨在組織學(xué)上沒有明顯的差別，組織學(xué)證實(shí)與家兔腰椎的骨組織結(jié)構(gòu)一樣。說(shuō)明硫酸鈣是良好的骨移植替代材料，單獨(dú)應(yīng)用可以取得與自體骨同樣的融合效果。    在實(shí)驗(yàn)觀察過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，硫酸鈣顆粒在肌肉側(cè)和植骨床側(cè)的降解、透明軟骨的形成以及成熟程度都沒有明顯的差別，表明醫(yī)用硫酸鈣除了具有良好的骨傳導(dǎo)作用、為局部骨基質(zhì)形成提供鈣鹽外，作者認(rèn)為其尚有骨誘導(dǎo)作用，可能是因?yàn)榻到獾牧蛩徕}在局部產(chǎn)生一個(gè)高鈣離子的體液內(nèi)環(huán)境，高鈣離子濃度誘導(dǎo)間充質(zhì)組織，如成纖維細(xì)胞等轉(zhuǎn)化為軟

16、骨組織，軟骨組織在適合的力學(xué)環(huán)境、體液因子的刺激下轉(zhuǎn)化為骨組織，并根據(jù)受力的情況塑形，也就是軟骨內(nèi)化骨的機(jī)理，但有待于進(jìn)行細(xì)胞學(xué)及分子生物學(xué)的相關(guān)研究以證實(shí)。    醫(yī)用硫酸鈣這種材料最大的缺點(diǎn)在于價(jià)格昂貴，目前在國(guó)內(nèi)還不能廣泛的使用。陳華等6人比較了檸檬酸化硫酸鈣與醫(yī)用硫酸鈣的成骨效果，認(rèn)為二者性質(zhì)相似、修復(fù)骨缺損的能力相當(dāng)，而檸檬酸化硫酸鈣制備工藝簡(jiǎn)單、原料來(lái)源廣泛、費(fèi)用低，是一種非常有前途的骨移植替代材料。   【參考文獻(xiàn)】  1 聶洪崚.醫(yī)用硫酸鈣OsteoSet新型骨替代物的研究進(jìn)展J.中國(guó)矯形外科雜志,2000,7（8）:

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