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【摘要】 ［目的］通过与自体髂骨进行比较，评价医用硫酸钙单独应用的成骨能力，并探讨其可能的成骨机理。［方法］建立家兔腰椎后外侧融合模型，以自身作为对照，双侧横突间植骨，左侧植入硫酸钙颗粒，右侧植入自体髂骨。于术后3、6、12周行X线、CT及组织学检查。［结果］术后3周，硫酸钙尚可见残留颗粒，自体骨完全降解；植骨区域内均可见到大量的破骨细胞，并有血管纤维组织长入。术后6周，硫酸钙完全降解，影像学检查两者之间没有明显的差异，表现为局部骨密度增高，新骨成形；组织学检查两侧植骨区内均为大量的透明软骨形成，自体髂骨植骨区内可见散在的骨小梁结构。术后12周，组织学及影像学上二者没有任何的差别，两侧形成的骨组织与家兔的椎体骨组织结构相同。［结论］医用硫酸钙作为骨移植替代材料，除了具有良好的骨传导性外，硫酸钙可能还具有骨诱导性，其成骨能力与自体髂骨相当，医用硫酸钙单独应用可以取得良好的融合效果。
【关键词】 硫酸钙； 骨移植材料； 腰椎后外侧融合术
1 前言
硫酸钙（calcium sulfate，CaS）用作骨缺损修复材料已经达百年之久，具有良好的生物相容性，对周围组织不产生炎症和异物刺激作用，目前已广泛应用于矫形外科、五官科、齿科骨缺损的填充修复。这种材料在体内能够被快速的降解，其降解的速度与新骨形成的速度基本一致〔1〕。在包容性骨缺损动物的临床与物理实验研究中，CaS表现出了很好的骨传导作用，作为骨缺损的填充物，硫酸钙可以恢复骨的形态轮廓，阻止软组织长入，为血管和成骨细胞的长入提供了骨引导性基质。但是在腰椎后外侧融合中，一侧为植骨床，另一侧为肌肉组织，其成骨能力如何，相关的临床及实验研究不多。本实验研究观察这种骨移植材料在家兔腰椎融合模型中对成骨的组织学过程，并探讨其可能的成骨机理。
2 材料与方法
2.1 植入材料
医用硫酸钙（美国Wright公司研制）主要成分是半水硫酸钙，具有高纯度的α晶体结构，其形状为圆柱形结构，其规格是4.8 mm×3 mm，不透过X射线，可以通过影像学检查判断其植入体内后的吸收情况。
2.2 实验动物
健康家兔20只（由北京大学人民医院动物实验中心提供），雌雄不限，体重2.0～2.5 Kg。
2.3 实验方法
建立家兔腰椎后外侧单节段融合模型，融合节段为L4、5，以家兔自身作为对照，所有家兔均为左侧植入硫酸钙颗粒，右侧植入自体髂骨。
实验操作：3%戊巴比妥钠1.5 ml/kg耳缘静脉注射麻醉，取后正中切口，切开皮肤、深筋膜，显露棘突、椎板、横突，填塞纱布止血，将切口向右侧牵拉，显露髂骨翼，剥离筋膜显露髂骨，取骨量约1.5 ml。双侧横突间植骨后，棘突钢丝“8”字固定。缝合切口。
2.4 观察指标
2.4.1 大体观察
术后家兔的精神状态、饮食、活动及伤口情况。
2.4.2 影像学检查
术后3、6、12周随机处死（空气栓塞）6只家兔，行家兔腰椎正侧位X线片、腰椎CT平扫观察植骨的降解以及新骨形成的情况。
2.4.3 组织学检查
在家兔取材后，用10%的甲醛固定，常规脱钙、脱水、石蜡包埋，切片行HE染色、光镜观察植骨降解以及新骨形成情况。
3 实验结果
3.1 大体观察
全部家兔均在术后2～6 h苏醒，术后第2 d反应灵敏，饮食恢复正常、行动正常，术后伤口2周愈合，缝线自动脱落，本组家兔术后无伤口感染及死亡发生。
3.2 影像学检查
术后3周：X线示硫酸钙植骨区内尚可见未降解的颗粒，而自体骨侧较为模糊；CT平扫可见残留的硫酸钙颗粒（图1），而自体骨植骨区模糊，局部骨密度增高。术后6周：未见硫酸钙残留颗粒，两侧植骨区域均模糊，局部骨密度增高，两侧之间没有明显的差别（图2）。术后12周：在植骨区域的周围有连续的骨皮质形成，其内部为松质骨结构，两侧没有明显的差别（图3）。
图1术后3周CT平扫：硫酸钙植骨侧在CT平扫尚可见残留颗粒，自体骨侧植骨模糊，边界不清（略）
图2术后6周CT平扫：两侧没有明显的差别，表现为局部骨密度增高（略）
图3术后12周CT平扫：可以见到在植骨区域的周围有连续的骨皮质形成，其内部为松质骨结构，两侧没有明显的差别（略）
3.3 组织学检查（图4～9）
术后3周：硫酸钙颗粒内出现纤维血管组织长入，在残留硫酸钙基质的表面有明显的破骨细胞出现，在植骨床侧和肌肉侧硫酸钙的降解程度没有明显的差别；自体骨被完全的降解，大量的纤维血管组织长入，同时存在大量的破骨细胞。
术后6周：硫酸钙颗粒完全降解，两侧植骨区内均可见大量的透明软骨形成，硫酸钙植骨区内植骨床和肌肉之间的透明软骨成熟程度是同步的，没有见到骨小梁组织，而自体植骨区域内可以见到散在的骨小梁组织。
术后12周：硫酸钙颗粒与自体髂骨植骨区的成骨没有差别，在植骨区的周边形成了连续的皮质骨，在皮质骨的内骨为骨髓样组织（与家兔椎体的骨组织结构相同）以及散在的脂肪变性。
4 讨论
腰椎后外侧融合术可以使多个脊柱节段发生骨性融合，形成力学整体，从而达到治疗脊柱病损的目的。自体骨移植术被认为是这种手术的金标准，但这种方法有一定的局限性，如手术时间延长、切口感染、皮神经损伤等。因此学者们一直在努力寻找自体骨移植的替代材料。
硫酸钙用作骨缺损填充修复材料，已经达百年之久。1996年，美国Wright公司研制出医用硫酸钙，其分子结构为CaSO4·1/2H2O，具有高纯度α晶体结构，硫酸钙颗粒植入后，完全降解大约需要6～8周的时间，这与新骨形成的速度基本一致，另外，颗粒之间的孔隙允许血管长入，从而更好地降解〔1、2〕。
在包容性骨缺损模型中，由于周围都是骨组织，与骨的接触面积很大、血运丰富，加之这种材料具有良好的骨传导作用，其降解速度与新骨形成的速度基本一致，硫酸钙良好的成骨能力源于其良好的骨传导性。但是在腰椎后外侧融合中，与植骨床的接触面积要小得多，而另一侧为肌肉组织。这种情况下成骨能力如何？
Glazer等〔3〕人在家兔腰椎后外侧融合模型中，将硫酸钙与自体骨髓联合植骨，并且将电刺激植入体内促进骨融合，但没有得到理想的结果，因此，他们认为硫酸钙在家兔腰椎融合中并不能取得良好的融合效果，应当联合生物学方法以促进骨融合。
图4自体骨植入区3周，可见大量的纤维血管组织及破骨细胞 （HE染色 ×100）（略）
图5硫酸钙植骨区3周，可见大量的纤维血管组织长入，在硫酸钙基质的表面可见明显的破骨细胞 （HE染色 ×100） （略）
图6自体骨植骨区6周，可见透明软骨及骨小梁组织 （HE染色 ×100）（略）
图7硫酸钙植骨区6周，可见大量透明软骨组织，成熟程度落后于自体骨 （HE染色 ×100）（略）
图8自体骨植骨区12周，在植骨区的周边形成了连续的骨皮质，在皮质骨的内骨为骨髓样组织以及散在的脂肪变性 （HE染色 ×100）（略）
图9硫酸钙植骨区12周，与自体骨镜下表现没有差别 （HE染色 ×100）（略）
在WenJer Chen等人〔4〕进行的临床研究中，腰椎后外侧融合术中一侧采用硫酸钙与自体骨1∶1混合，另一侧采用同等量的自体髂骨，术后定期行影像学检查，评价两侧植骨区域硫酸钙降解与成骨的差别，他们发现硫酸钙与自体髂骨在成骨上没有统计学差别，认为硫酸钙是很好的骨移植替代材料。
针对学者们对这种材料在腰椎后外侧融合中不同效果的报道，本实验设计前瞻性研究，观察这种材料的组织学过程。Wright公司对医用硫酸钙的使用要求是与自体骨1∶1混合使用。但在脊柱手术中，自体骨多来自于局部减压骨，骨量通常较少，临床上植骨不融合多与植骨量不足有关，为了取得牢固的融合而不得不手术取自体髂骨。因此本研究中所有家兔均为一侧单独植入硫酸钙颗粒，另一侧植入自体髂骨，以评价其单独应用的成骨能力。
家兔腰椎后外侧融合模型的优点是非常的接近脊柱外科临床情况，其骨性解剖部位可以提供足够的空间进行植骨，同时能够提供足够的髂骨进行自体骨移植对照。并在实验中采用棘突钢丝固定增加愈合的成功率，这与临床手术使用的椎弓根螺钉固定接近。
在本研究中发现，硫酸钙颗粒早期的降解速度较自体骨慢，中期形成透明软骨的成熟程度也落后于自体骨，与文献中报道不同〔2、3、5〕。作者认为，这可能与硫酸钙的颗粒较大、与周围组织接触面积小有关，因而降解速度、成骨速度相对慢（本研究按照Wright公司的使用说明，没有对硫酸钙颗粒进行处理）。而在术后12周，二者之间的成骨在组织学上没有明显的差别，组织学证实与家兔腰椎的骨组织结构一样。说明硫酸钙是良好的骨移植替代材料，单独应用可以取得与自体骨同样的融合效果。
在实验观察过程中发现，硫酸钙颗粒在肌肉侧和植骨床侧的降解、透明软骨的形成以及成熟程度都没有明显的差别，表明医用硫酸钙除了具有良好的骨传导作用、为局部骨基质形成提供钙盐外，作者认为其尚有骨诱导作用，可能是因为降解的硫酸钙在局部产生一个高钙离子的体液内环境，高钙离子浓度诱导间充质组织，如成纤维细胞等转化为软骨组织，软骨组织在适合的力学环境、体液因子的刺激下转化为骨组织，并根据受力的情况塑形，也就是软骨内化骨的机理，但有待于进行细胞学及分子生物学的相关研究以证实。
医用硫酸钙这种材料最大的缺点在于价格昂贵，目前在国内还不能广泛的使用。陈华等〔6〕人比较了柠檬酸化硫酸钙与医用硫酸钙的成骨效果，认为二者性质相似、修复骨缺损的能力相当，而柠檬酸化硫酸钙制备工艺简单、原料来源广泛、费用低，是一种非常有前途的骨移植替代材料。
【参考文献】
〔1〕 聂洪崚.医用硫酸钙OsteoSet新型骨替代物的研究进展［J］.中国矫形外科杂志,2000,7（8）:786789.
〔2〕 Kelly CM,Wilkins RM,Gitelis S,et al.The use of a surgical grade calcium sulfate as a bone graft substitute:results of a multicenter trial［J］.Clin Orthop Relat Res,2001,（382）:4250.
〔3〕 Paul A,Glazer,Upshur M,et al.In vivo evaluation of calcium sulfate as a bone graft substitute for lumbar spinal fusion［J］.The Spine Journal,2001（1）:395–401.
〔4〕 Chen WJ,Tsai TT,Chen LH,et al.The fusion rate of calcium sulfate with local autograft bone compared with autologous iliac bone graft for instrumented shortsegment spinal fusion［J］.Spine,2005,30（20）:22932297.
〔5〕 Bikasb B.Results of calcium sulfate bone graft substitute used to promote posterolateral lumbar spinal fusion［J］.Neurosurgery Quarterly,2003,13（4）:251256.
〔6〕 陈华,张伯勋,张巨松,等.柠檬酸化硫酸钙和Osteoset动物体内植入比较性研究［J］.中国矫形外科杂志,2006，14（1）:5052.
作者单位：北京大学人民医院脊柱外科;关节病研究所;放射科,北京 100034