Experimental Research骨水泥振动器对提高骨水泥—骨界面结合强度的疲劳实验研究

【摘要】  ［目的］研究骨水泥灌注过程中骨水泥振动器振动灌注后骨水泥－骨界面的结合情况，通过疲劳实验力学检测界面结合强度。［方法］新鲜猪股骨60根，30%、50%、70%最大压力时，分别分为实验组和对照组，每组各10根。将猪股骨通过初步制备后开髓，截取统一标准骨段，实验组灌注骨水泥过程中置入骨水泥振动器振动25 s，对照组不置入振动器，并进行力学检测，比较实验组与对照组骨水泥－骨界面结合强度。［结果］30%、50%最大压力时实验组与对照组疲劳次数相比较差异显著（P< 0.001），而70%最大压力时实验组与对照组比较差异无统计学意义（P> 0.05）。［结论］骨水泥振动器能提高骨水泥－骨界面结合强度，对减少人工假体远期无菌性松动具有一定的临床意义。

【关键词】  骨水泥； 振动器; 无菌性松动; 疲劳

    Study of the binding intensity of bone-cement interface increased by bone cement oscillator in fatigue experiment∥WANG Yi，XIA Yuansheng,  HAN Pengfei ，et al . Department of Orthopaedics，the First Affiliated Hospital of Harbin Medical University，Harbin 150001，China

    Abstract：［Objective］To evaluate the effect of bone cement oscillator on increasing bone cementbone interface binding intensity. ［Method］Sixty fresh femoral bones of adult pig were randomly divided into experiment group and control group under the 30%，50%，70% ultimate shear strengh of the cement/bone. There were 10 samples in each subgroup. Mechanics test was performed by MTS810 material testing machine, and the binding intensity of bone cementbone interface in oscillating cementbone interface binding intensity in experiment group was compared with control group.［Result］Mechanics test showed bone cement group were significantly stronger than control group under the 30%，50% ultimate shear strengh of the cementbone (P<0.001),but the difference was not significantly under the 70% ultimate shear strengh (P> 0.05).［Conclusion］Bone cement oscillator can increase binding intensity of bonecement interface, and effectively reduce longterm aseptic loosening of artificial prostheses.

    Key words：bone cement;   oscillator;   aseptic loosening;   fatigue

    无菌性松动是髋关节置换术后严重并发症［1］。骨水泥灌注技术与人工假体远期松动密切相关。提高骨水泥灌注技术就能提高骨水泥-骨界面的抗疲劳强度，可提高假体的固定效果，延长假体使用寿命，降低假体远期松动率。本实验以骨水泥-骨界面抗疲劳强度为研究对象，观察通过骨水泥振动器振动灌注后骨水泥-骨界面的抗疲劳强度，为临床寻找高效、实用的骨水泥灌注方法提供新的途径。

    1  材料和方法

    1.1  实验材料

    1.1.1  实验动物骨  选用新鲜10个月龄健康雄性猪股骨（由黑龙江省农垦总局红旗农场提供，24 h内屠杀的猪）

    1.1.2  主要材料  TJ骨粘固剂（Ⅲ型国产骨水泥 每盒粉剂40 g，液体20 ml），二合一万能胶。

    1.1.3  主要仪器与设备  骨水泥振动器（自行设计，由哈尔滨工业大学协助制造，设定输出电压5 V，输出电流0.5 mA，图1），MTS810疲劳实验机（图2）（设备号：880086），骨科手术器械，42的无缝钢管（长度为4.0 cm）及夹具。

    1.2  实验方法

    1.2.1  模型分组  将新鲜猪股骨60根随机分成30％、50％、70％最大压力组，每组分为实验组(A1、B1、C1)及对照组(A2、B2、C2)每亚组各10根。

    1.2.2  模型制备  猪股骨处理干净后，取经初步制备的猪股骨远段，距骺线近侧0.5 cm截断；沿股骨纵轴中心线开髓，截取远段4.0 cm骨段，为实验模型骨段。将自来水与热水相混调至50℃，用毛刷刷洗模型骨段髓腔3遍，共计1 min；然后用清洁水(50℃)1 000 ml脉冲冲洗髓腔；分别用酒精和双氧水各浸泡5 min脱脂；用清洁干纱布擦干髓腔，晾干。接通电源，将骨水泥振动器置入模型中央，深度4.0 cm，其长轴与髓腔长轴一致，骨水泥真空搅拌均匀后，于糊状期骨水泥注入髓腔，边灌注边振动，灌注历时5 s，振动器在振动20 s后缓慢退出(预实验中将振动时间设定为20、40、60 s，结果显示振动时间>20 s并不能提高骨水泥-骨界面的嵌合效果，故选择20 s作为振动时间)，振动共计历时25 s。将溢出髓腔的少许骨水泥制作成直径0.8 cm、高1.0 cm的圆柱状，其基底部与髓腔骨水泥相延续并位于髓腔中央(图3)。骨水泥固化后，将模型与42的无缝钢管粘合。对照组操作步骤与实验组相同但不置入振动器(图4)。

    图1  骨水泥振动器  图2  MTS810疲劳实验机  图3  制备好的模型  图4  模型无缝钢管及夹具

    1.2.3  力学测试  电子万能材料实验机进行模型的压力实验的预实验，得出最大压力的平均值为3 500  N。取最大压力的30％、50%、70％3个载荷量进行疲劳实验。经过一定的疲劳次数时，骨水泥柱发生松动并出现下沉。此时疲劳实验机自动停止，计算机上显示出疲劳次数。

    1.2.4  统计学方法  采用sas 9.1.3统计软件进行GLM模型方差分析，Ismeans语句做各因素各水平间的两两比较。以P<0.05为差异有统计学意义。

    2  结  果

    2.1  模型松动时的疲劳次数（表1）

    载荷量增大疲劳次数逐渐减少，同组载荷量之间的疲劳次数均值差逐渐减小。30％最大载荷的实验组的疲劳次数明显增加。表1  各模型松动时的次数

    2.2  析因实验方差分析表(表2)

    a因素表示：3种不同载荷量下处理，P<0.0001认为不同载荷下的疲劳次数有明显差异性。b因素表示：2种实验方法下处理，P<0.0001认为不同实验方法下的疲劳次数有明显差异性。ab交互作用处理，P<0.0001认为不同载荷下的实验组与对照组比疲劳次数有差异性。表2  析因实验方差分析

    2.3  各因素各水平间的比较(表3)：A1、A2组及B1、B2组相比较均P<0.001，而C1、C2组P>0.05。说明实验组与对照组疲劳次数(除C1、C2组)差异均具有显著性。

    3  讨  论

    骨水泥-骨界面结合强度取决于骨水泥自身强度及骨水泥进入骨小梁间隙的程度，后者占主要地位。研究表明［2］，增加骨水泥进入骨小梁间隙，就能增加二者之间结合力，提高假体的固定效果。骨水泥和骨之间的结合强度主要取决于骨水泥和骨小梁的嵌合程度以及骨水泥在骨髓腔内分布的均匀程度，增加骨水泥进入骨小梁间隙，使其在骨髓腔内均匀分布，就能增加二者结合力，提高假体的固定效果［5］。针对此点，作者应用振动原理研制出骨水泥振动器，用以增强骨水泥与骨小梁之间的微嵌合度，提高假体固定效果。 表3  各因素各水平间的比较

    结果显示实验组骨水泥-骨界面结合强度(除C1、C2组)明显大于对照组。分析原因是稀糊期骨水泥具有混凝土泥浆类似的流动性质，通过振动灌注骨水泥，显著增加了骨水泥渗入骨小梁间隙的程度，使骨水泥-骨界面结合强度明显提高。

    C1、C2组在统计学上无明显差别，可能与C组载荷量过大因素有关。C组最大载荷的70％大约相当于2 500 N，相当于体重为65 kg的成年人4人，且纯的剪切力完全作用于骨水泥-骨界面。从临床上看，骨水泥型髋关节人工假体置换平均寿命为10～15年，股骨头所受的压力的疲劳次数大约为1 000万次［4］。虽然本试验对象为猪股骨，但综合考虑疲劳次数偏小可能与以下因素有关：(1)载荷量大，也是最主要的因素。人缓步行走时，股骨头负重可看作单腿静止站立的负重状态，平均承受2.75倍体重［5］。此载荷作用到骨水泥-股界面要小很多。因为髋关节的外展肌产生分力，假体-骨水泥界面产生分力及其它分力［6］。而本试验载荷量完全作用于骨水泥-骨界面。(2)本试验完全体外试验，戴尅戎等［7］曾通过试验证明在骨水泥中加入一定量的骨粒，其抗疲劳强度能显著提高。试验证实，骨粒骨水泥与骨之间的界面强度随着新骨的长入逐渐上升，术后5个月是纯骨水泥的3倍，其抗疲劳强度是纯骨水泥的10倍，且能降低骨水泥的聚合热。本试验猪股骨完全在体外，且大约几天做完一个试件，所以说骨水泥-骨界面抗疲劳强度远远降低。

    骨水泥-骨界面结合强度的提高对于人工关节置换具有深远的意义。临床上骨水泥性髋关节置换使用3代技术。为了有效说明骨水泥振动器的有效性，实验中灌注模型时，用骨水泥3代技术。本实验通过振动灌注显著提高了骨水泥-骨界面的结合强度，为临床实践中寻找有效的人工关节固定的新的骨水泥技术开展了新的探讨，对于防止骨水泥型人工假体远期无菌性松动具有一定的现实意义。

【参考文献】
  ［1］ 孙殿国，港清宇，周 勇，等．骨水泥颗粒促进肿瘤坏死因子α诱导的破骨细胞形成及其吸收作用［J］．中国矫形外科杂志，2005，13：1003-1005．

［2］ 吴荣寰，林向进．髋关节置换后假体无菌性松动研究机制［J］．国际骨科学杂志，2007,2：122-124．

［3］ Mulroy WF,Estok DM,Harris WH．Total hip arthroplasty withuse of socalled secondgeneration cementing techniques［J］．J Bone Joint Surg(Am),1995,12：1845-1852．

［4］ Arola D,Stoffel KA，Yang DT．Fatigue of the cement／bone interface：the surface fexture of bone and looseing［J］．J Biomed Mater Res,2006,2：287-297．

［5］ 赵德韦，徐达传，崔 旭．股骨头不同区域囊变对力学承载的影响［J］．中华骨科杂志，2005,4：232-235．

［6］ 李永奖，张力成，杨国敬，等．全髋关节置换术生物力学有限元分析的研究进展［J］．中华创伤骨科杂志，2007,3：277-280.

［7］ 戴尅戎，裘世静，王 友，等.无机骨拉骨水泥植入后骨生成的实验观察［J］.中华外科杂志，1992，10：588-589.

作者单位：（1.哈尔滨医科大学附属第一医院骨科，150001；2. 哈尔滨医科大学附属医院）