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深低温冷冻与常温储骨对皮质骨生物力学特性影响的研究
发布时间:2015-04-03 点击次数:841

作者:杨克强 李柱林 张春林 王臻 胡蕴玉 杨牧 谷孝将 谢小荣 刘慧峰 张鑫 赵盛坤 李光新  

【摘要】  目的:研究深低温冷冻法和常温法储骨对皮质骨生物力学特性的影响。方法:用深低温冷冻法和常温酒精浸泡法储存相同时间的股骨皮质作标本,分别将其修成弯曲及压缩试件,在Instron 1195型电子拉伸试验机上测试两组的极限弯曲强度,弹性模量及极限压缩强度,所得数据进行组间t检验。结果:两组间极限弯曲强度、弹性模量、极限压缩强度差异均不明显(P>0.05)。结论:深低温冷冻及常温法储骨对皮质骨生物力学特性无影响,在无深低温冷冻储骨条件的地方,如有合适的骨源,也可积极取骨用常温法储存,以免骨源浪费。

【关键词】  低温保存;皮质骨;酒精;生物力学

    【ABSTRACT】  Objective: To Study the cryopreservation and room temperature preservations effect to the biomechanics characteristics of the cortical bone. Methods: Preserve the thighbones cortical bone with the cryopreservation and the room temperature preservation,while make samples,and  then turn them to be bended and compressed samples. Test the two groups ultimate flexure strength、modulus of elasticity、ultimate crushing strength in the Auto Tensile Tester(Instron-1195),then inspect the data with “t" test between the two groups. Results: The discrepancy of ultimate flexure strength、modulus of elasticity、ultimate crushing strength between the two groups was not very apparent(P>0.05). Conclusion: The cryopreservation and the room temperature preservation will not influnce the biomechanics characteristics of the cortical bone, so, when the bones cant be cryopreserved, if there is suitable source of bone, they can be preserved in the room with normal temperature to prevent them from being wasted.

    【KEY WORDS】  Cryopreservation; Corticalbone; Alcohol; Biomechanics

    目前,大段异体皮质骨移植在临床上已广泛应用,但由于国内仅在较大城市建有大中型骨库,且数量有限,所以深低温冷冻皮质骨的来源有限,遇有大段骨缺损失,是否可用常温保存的异体骨移植,其生物力学特性与深低温冷冻骨是否不同,这方面的报道较少,本研究旨在对两种储骨方法储存的异体皮质骨的生物力学特性进行比较,指导临床应用,同时探讨在有骨源而无深低温条件储骨时,是否可以常温储存。

    1  材料与方法

    1.1  试验材料与仪器

    1.1.1  实验材料  深低温保存2年的男性青年股骨12根和常温保存(酒精浸泡)的男性青年股骨14根(年龄20~35岁)(第四军医大学西京医院全军骨科研究所,西安)。

    1.1.2  仪器  Instron 1195型电子拉伸试验机(西安交通大学材料工程学院疲劳实验室)。

    1.2  材料制备与分组

    1.2.1  制备  取深低温储存2年的男性青年股骨12根,逐渐复温至室温,每根取相同部位修成截面为矩形的长骨条作为弯曲试件(去除髓腔内松质骨),截面为矩形的短长方体(高度不超过底边宽度的2.5倍)作为压缩试件,其压缩方向与骨干纵轴方向一致,修整过程中始终向试件上滴加Lingers液。

    1.2.2  分组

    (1)弯曲试件:

    深低温冷冻组: 试件共12个

    常温组:试件共14个

    (2)压缩试件:

    深低温冷冻组: 试件共12个

    常温组:试件共14个

    1.3  实验条件及方法

    1.3.1  实验条件:常温常压,加载速度2mm/min,实验过程中始终向试件上滴加Lingers液,使试件保持正常湿度。

    1.3.2  实验方法及生物力学参数测定。

    1.3.2.1  将修整好的弯曲试件在Instron 1195型电子拉伸试验机上进行三点弯曲实验(跨距L为40mm),采用函数记录仪记录载荷——变形曲线(图1示),并根据应力应变公式计算出相应的力学指标,公式如下:

    σmax=MW=3PL2bh2        E=PL34h3ba

    式中σmax为极限弯曲强度,M为弯矩,W为截面抵抗矩,P为压力,L为跨距,h为试件厚度,b为试件宽度,a为桡度,E为弹性模量。

    P(N)

    图1  弯曲实验中的载荷——变形曲线

    靠近纵坐标的为深低温冷冻组*号标本

    P:97N  h:2.1mm  b:8.8mm

    远离纵坐标的为常温组*号标本

    P:104N  h:2.3mm  b:7.5mm

2008年2月杨克强等:深低温冷冻与常温储骨对皮质骨生物力学特性影响的研究第1期2008年2月河北北方学院学报(医学版)第1期1.3.2.2  将修整好的压缩试件在Instron 1195型电子拉伸试验机上进行压缩试验,压力方向与骨长轴(即骨单位)方向一致。采用函数记录仪记录载荷——变形曲线(图2示),并根据应力、应变公式计算出相应的力学指标,公式如下:

    σmax=PA

    P为压力,A为面积(横截面), σmax为极限压缩强度。

    图2  压缩实验中的载荷——变形曲线

    靠近纵坐标的为深低温冷冻组*号标本

    P:1720N  A:15.12mm2

    远离纵坐标的为常温组*号标本

    P:1800N  h:15.93mm2

    1.3.3  统计学处理

    各项测定指标均采用均数±标准差(x±s)表示。组间差异行t检验。

    2  结果

    两组弯曲及压缩试件的极限弯曲强度、极限压缩强度相比P>0.05,弯曲试验中的弹性模量两组相比P>0.2>0.05,即两组极限弯曲强度无显著性差异,两组极限压缩强度无显著性差异,两组间弹性模量无显著性差异(见表1)。

    图1所示为两组中两个抗弯曲试件在弯曲过程中的载荷——变形曲线,随着载荷的增加,骨试件弯曲变形,在一定范围内载荷-变形曲线呈线性关系,服从虎克定律,说明骨是一种具有弹性的材料,而当载荷达到一定程度后,曲线出现弯曲。两试件的斜率基本一致,zui大载荷略有差异,与试件的截面抵抗矩个体间差异有关。表1  两组股骨皮质极限弯曲强度、极限压缩强度及弹性模量比较 注:两组极限弯曲强度比较* P>0.05;两组极限压缩强度比较# P>0.05;两组弹性模量比较 △ P>0.2

    图2所示为两组中两个抗压缩试件在压缩过程的载荷-变形曲线,与图1比较,曲线在一定范围内也呈线性关系,服从虎克定律,但其斜率较大,说明在纵向压缩过程中骨变形相对较小。而两试件的斜率基本一致,zui大载荷略有差异,与两试件间截面积不同有关。

    注:图1及图2为按Instron 1195电子拉伸实验机试验中描记的曲线1∶1比例手工加重描记到白纸上,再扫描进入电脑形成。

    3  讨论

    皮质骨由骨细胞、纤维和基质三种成分组成,与其他结缔组织基本相似,但皮质骨在细胞间质中有大量钙盐沉积,从而使皮质骨成为很坚硬的结缔组织与其他结缔组织有本质的区别。皮质骨内有许多胶质纤维环绕血管间隙而成同心圆状紧密排列,部分胶原纤维可穿过板间区,皮质骨的物质组成及结构组成使其既有一定的弹性,同时具有较大强度,不易断裂,因此皮质骨的缺损的替代物为同种异体皮质骨。动物实验证明,大段同种异体皮质骨移植能够较好的愈合及替代,并且其愈合及替代是多途径的[1,2]。同种异体骨能够移植及较好愈合就需要有异体骨的储存,这就导致了骨库技术的诞生,虽然二十世纪中期以来骨库技术较广泛应用,深低温冷冻储骨已成为四肢管状骨的主要储存方法,但国内大中型骨库数量仍很有限,分布不甚合理,一些地方距大中型骨库较远,所以一些传统的小型或自给型骨库仍用常温酒精浸泡方法储骨。有研究发现,深低温冷冻法储骨,储存时间对皮质骨极限弯曲、弹性模量及极限压缩强度无明显影响[3];那么不同温度储存是否对骨的生物力学特性造成影响,Pelker对-20℃、-70℃及-196℃三种温度下的储骨进行测试,发现长骨的抗扭强度和压应力与新鲜骨无明显差异[4];而常温储骨又以酒精浸泡法为主[5],并且酒精浸泡法简便易行,中小医院也能做到,但这种方法储骨对皮质骨生物力学特性是否有影响,这方面的报道较少,本实验的目的就是通过对深低温冷冻及常温条件下储骨的生物力学特性进行对比,探讨两种储骨方法对骨生物力学特性的影响。

    研究结果发现,两种储存方法的皮质骨试件极限弯曲及压缩强度无显著性差别(P>0.05),弯曲试验中的弹性模量无显著性差异(P>0.05),表明皮质骨的弯曲压缩极限强度及弯曲弹性模量受两种储存方法的影响不明显,与石瑾[5]等的实验结果不同,可能因石瑾等是用深冻后脱脂再酒精固定有关,标本处理方法不完全相同。

    实验结果提示我们,*、临床应用大段异体皮质骨移植时,不论深低温冷冻储存还是常温储存的异体骨,其内固定的选择及术后处理不应受储存方法的影响。第二、目前,我国大中型骨库分布不很合理,在无深低温储骨条件的医疗单位,如有志愿捐献骨材者,亦应及时取骨,可常温酒精浸泡保存防止骨源浪费。

    综上所述,深低温冷冻方法及常温酒精浸泡方法储骨对骨的生物力学特性影响不大,在目前我国大中型骨库不很合理的情况下,如有骨源而无深低温储骨条件,亦应及时取骨,行常温酒精浸泡保存,不要贻误取骨时机,造成宝贵的骨材的浪费。临床上在给患者植入此两种方法储存的异体骨时,其固定方法及术后处理不应因储存方法不同而有差别。

    由于深低温冷冻方法储存四肢长管状骨已公认为理想的储骨方法,如有条件,均应采用该方法。目前,随着国内大中型骨库的逐渐增多,深低温冷冻储骨必将广泛普及,而在此之前,两种储骨方法将会同时存在。

【参考文献】
  1 王臻,刘继中,黄长明,等.大段同种异体皮质骨移植术后哈佛管内的骨诱导成骨研究\[J\].中华骨科杂志,2002,22(5):313317

2 桑宏勋,杨克强,王臻,等.自固化磷酸钙复合BMP及同种异体骨修复兔股骨大段骨缺损\[J\].中国矫形外科杂志,2006,14(1):3942

3 杨克强,王臻,桑宏勋,等.深低温冷冻异体骨生物力学特性与储存时间的关系\[J\].医用生物力学,2000,15(3):183186

4 Pelker RR, Friedlaender GD, Markham TC.Biomechanical properties of bone allografts\[J\].Clin Orthop,1983,174:54

5 石瑾,欧阳钧,傅群武,等.不同贮存及处理方法对人骨拉力螺钉生物力学性能的影响\[J\].中国临床解剖学杂志,2000,18(3):268270

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