雙磷酸鹽及低頻超聲在骨水泥應(yīng)用中的特殊作用研究.pdf

1、隨著我國正進(jìn)入老齡化社會，膝關(guān)節(jié)炎的發(fā)病率不斷上升，人工全膝關(guān)節(jié)置換技術(shù)的廣泛開展，術(shù)后并發(fā)癥逐年增加，以假體無菌性松動尤甚，一旦出現(xiàn)須行人工關(guān)節(jié)翻修術(shù)，不僅治療難度大，術(shù)后并發(fā)癥率顯著提高，而且給病人帶來身心毀滅性的打擊。如何有效防治假體松動已成為骨科醫(yī)生亟待解決的重要問題。無菌性松動與假體周圍骨量丟失緊密相關(guān)。骨量丟失分為兩類：一類為機(jī)械性，發(fā)生于術(shù)后早期，以應(yīng)力遮擋機(jī)制最主要。主要集中于股骨遠(yuǎn)端和脛骨近端，在術(shù)后3個月內(nèi)丟失最快，

2、可持續(xù)長達(dá)8年，丟失量分別達(dá)44％、57%；另一類為生物性，發(fā)生于術(shù)后后期，指磨損顆粒作用于炎癥細(xì)胞引起慢性炎癥反應(yīng)，促進(jìn)破骨細(xì)胞吸收骨質(zhì)，抑制成骨細(xì)胞形成新骨。該機(jī)制較機(jī)械性骨量丟失更為隱匿，持續(xù)時間更長。阿侖膦酸鈉屬第三代雙磷酸鹽，是目前抑制骨質(zhì)吸收的最有效的藥物之一，不僅能抑制巨噬細(xì)胞和破骨細(xì)胞，而且可促進(jìn)誘導(dǎo)成骨細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞形成新骨。阿侖膦酸鈉已獲美國食品藥品管理局批準(zhǔn)廣泛用于防治骨質(zhì)疏松病、代謝性骨病和Paget病。

3、口服阿侖膦酸鈉可顯著提高人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體周圍骨密度，緩解假體周圍的骨量丟失，提高假體的穩(wěn)定性。但口服給藥存在生物利用度低、易致食道潰瘍及胃腸道反應(yīng)、需要長達(dá)數(shù)年服藥、病人耐受性較差、一旦停藥阿侖膦酸鈉對假體周圍骨量的保護(hù)作用消失等弊病。迫切需要尋找一種針對假體周圍骨量丟失的有效、經(jīng)濟(jì)、方便且安全的給藥途徑。
　　 體外研究證實(shí)，載雙磷酸鹽骨水泥能抑制骨水泥顆粒誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化和骨吸收作用。動物研究證實(shí)載雙磷酸鹽骨水

4、泥能顯著減少假體周圍骨量丟失，增強(qiáng)假體的穩(wěn)定性。盡管載阿侖膦酸鈉骨水泥有著廣闊的臨床應(yīng)用前景，但其藥物緩釋性能及機(jī)制的研究在國內(nèi)外仍是空白。在以往力學(xué)性能的研究中，所載的阿侖膦酸鈉基本為液劑，將不可避免地降低骨水泥的力學(xué)強(qiáng)度。
　　 隨著骨科技術(shù)的進(jìn)展，近年來關(guān)節(jié)置換手術(shù)得到迅速發(fā)展，對一些終末性關(guān)節(jié)疾病進(jìn)行關(guān)節(jié)功能的重建，取得了滿意的療效。但是人工關(guān)節(jié)存在著本身一些無法避免的并發(fā)癥，其中假體術(shù)后感染是關(guān)節(jié)置換最嚴(yán)重的并發(fā)癥，一

5、旦發(fā)生，幾乎每個患者都需要第二次、第三次乃至多次手術(shù)來進(jìn)行翻修，不僅給病人帶來身心和經(jīng)濟(jì)上多方打擊，而且就醫(yī)生而言，治療難度大，且再次感染率遠(yuǎn)高于初次關(guān)節(jié)置換，就成熟的髖、膝關(guān)節(jié)置換而言，翻修后再感染率達(dá)5～34%。雖然隨著無菌條件的改善，抗生素的發(fā)展，關(guān)節(jié)置換術(shù)后感染率出現(xiàn)了很大下降，但是隨著置換手術(shù)的不斷推廣，人工關(guān)節(jié)感染的絕對例數(shù)仍然不斷在上升，就美國統(tǒng)計(jì)而言，只人工髖關(guān)節(jié)術(shù)后深部感染的病例每年超過4000例。而返觀國內(nèi)，隨著人口

6、結(jié)構(gòu)的老齡化發(fā)展，再加上龐大的人口基數(shù)，我國近幾年來人工關(guān)節(jié)置換數(shù)量迅速上升，同時關(guān)節(jié)術(shù)后感染病例亦不斷增加。因此，如何有效的進(jìn)行人工關(guān)節(jié)感染后翻修是關(guān)節(jié)外科醫(yī)生所必須面對的并亟待解決的重要問題。
　　 盡管載抗生素骨水泥已廣泛在防治人工關(guān)節(jié)感染上發(fā)揮了一定的作用，然而，不同國家地區(qū)對其作用所持觀點(diǎn)、應(yīng)用方法和療效存在較大分歧，部分學(xué)者甚至對該項(xiàng)技術(shù)持否定態(tài)度。原因在于：(1)載抗生素骨水泥中藥物難以溶出釋放，不僅導(dǎo)致局部藥物利

7、用率低下，無法有效殺菌，而且局部無效抑菌濃度的釋放可能引起選擇性耐藥的菌株出現(xiàn)；(2)骨水泥內(nèi)載入抗生素會降低其力學(xué)性能，影響假體遠(yuǎn)期生存率；(3)長期載慶大霉素骨水泥的應(yīng)用導(dǎo)致臨床假體相關(guān)性感染的致病菌超過50%對慶大霉素耐藥。低頻超聲已經(jīng)成功的用于外科化膿性感染的治療上，并迅速的推廣到許多疾病的治療，包括急慢性膿胸、各種婦科炎癥等等。國外學(xué)者將其在體外作用于慶大霉素骨水泥后發(fā)現(xiàn)，低頻超聲能增強(qiáng)慶大霉素的釋放，各樣本中慶大霉素釋放率提

8、高了2.4～14.7%，但作者指出這僅僅是觀察到的一個現(xiàn)象而已，許多機(jī)制尚不明了，參數(shù)和頻率的優(yōu)化組合尚需進(jìn)一步研究。
　　 本研究旨在分別研究雙磷酸鹽及低頻超聲在丙烯酸骨水泥中的特殊應(yīng)用，分為四個部分：一、在磨損顆粒誘導(dǎo)骨溶解的動物模型中，通過骨密度檢測及生物力學(xué)測試，比較載阿侖膦酸鈉丙烯酸骨水泥與皮下注射阿侖膦酸鈉抑制鈦磨屑誘導(dǎo)的骨溶解療效；二、制備不同載荷的阿侖膦酸鈉純粉復(fù)合骨水泥試件，通過檢測抗壓強(qiáng)度、壓縮彈性模量、抗張

9、強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和疲勞壽命，威布爾頻率函數(shù)分析疲勞性能，激光散射法測定純粉的粒徑，分析藥物載荷和體液浸泡對其力學(xué)性能的影響和規(guī)律；三、對載萬古霉素骨水泥試件進(jìn)行不同參數(shù)的高功率密度低頻超聲輻照，通過藥物釋放觀測及電鏡掃描，研究高功率密度低頻超聲輻照模式對超聲促進(jìn)藥物釋放的影響，并探討作用機(jī)制。四、制作萬古霉素骨水泥－假體柄界面模型，通過電鏡掃描、墨汁浸染、生物力學(xué)檢測等手段，研究低頻脈沖超聲對載萬古霉素丙烯酸骨水泥－假體柄界面孔隙率和剪切

10、應(yīng)力的影響。
　　 第一章，載阿侖膦酸鈉骨水泥抑制鈦磨屑誘導(dǎo)假體周圍骨溶解
　　 目的：比較載阿侖膦酸鈉丙烯酸骨水泥與皮下注射阿侖膦酸鈉抑制鈦磨屑誘導(dǎo)的骨溶解療效。
　　 方法：48只成年雄性新西蘭兔隨機(jī)均分為無鈦磨屑且無阿侖膦酸鈉組(A組)，有鈦磨屑注射且無阿侖膦酸鈉組(B組)，鈦磨屑分別注射0.1%、0.5%、1.0%且載阿侖膦酸鈉丙烯酸骨水泥組(C、D、E組)，鈦磨屑注射且皮下注射阿侖膦酸鈉組(F組)，每組

11、8只。將載阿侖膦酸鈉骨水泥植入兔股骨遠(yuǎn)端。制備磨屑誘導(dǎo)骨溶解動物模型。術(shù)后8周對股骨行組織形態(tài)學(xué)分析、骨密度測定及界面力學(xué)測試。
　　 結(jié)果：B組假體周圍可見明顯的骨溶解，而C、D、E、F組骨溶解明顯少于B組。B組假體周圍骨密度(bonemineraldensity，BMD)和骨－骨水泥界面抗剪強(qiáng)度分別較A組下降17%和56%；D組假體周圍BMD和界面抗剪強(qiáng)度較B組分別增加29%和62%；E組假體周圍BMD和界面抗剪強(qiáng)度較B組分

12、別增加37%和29%；F組假體周圍BMD和界面抗剪強(qiáng)度較B組分別增加51%和69%；C組、D組、E組分別與F組比較，假體周圍BMD和界面抗剪強(qiáng)度的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
　　 結(jié)論：載阿侖膦酸鈉丙烯酸骨水泥與皮下注射阿侖膦酸鈉均可在一定程度上抑制磨損磨屑誘導(dǎo)的骨吸收，增強(qiáng)界面抗剪強(qiáng)度。
　　 第二章，載阿侖膦酸鈉骨水泥的力學(xué)性能和顯微結(jié)構(gòu)
　　 目的：研究阿侖膦酸鈉純粉復(fù)合丙烯酸骨水泥的疲勞和靜態(tài)力學(xué)性能，分析藥物

13、載荷和體液浸泡對其力學(xué)性能的影響和規(guī)律。
　　 方法：制備不同載荷的阿侖膦酸鈉純粉復(fù)合骨水泥試件，根據(jù)純粉載荷及試件的貯存環(huán)境進(jìn)行分組，檢測抗壓強(qiáng)度、壓縮彈性模量、抗張強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和疲勞壽命，威布爾頻率函數(shù)分析疲勞性能，激光散射法測定純粉的粒徑。
　　 結(jié)果：增加純粉載荷可提高試件的抗壓強(qiáng)度極限、抗張強(qiáng)度極限，但降低疲勞壽命。體液浸泡可降低試件的抗壓強(qiáng)度極限、壓縮彈性模量、抗張強(qiáng)度極限及疲勞壽命。純粉載入使骨水泥的疲勞

14、性能下降16.7%～26.1%。純粉的粒徑為4.67μm～44.21μm。
　　 結(jié)論：阿侖膦酸鈉純粉的粒徑及分布范圍較小，載入后丙烯酸骨水泥的靜態(tài)力學(xué)性能仍顯著高于ASTM/ISO標(biāo)準(zhǔn)，但疲勞性能有一定程度下降。與以往采用雙磷酸鹽液劑或片劑磨粉相比，純粉對丙烯酸骨水泥力學(xué)強(qiáng)度的影響最小。
　　 第三章，高功率密度低頻超聲間斷輻照對載萬古霉素骨水泥藥物釋放的促進(jìn)作用
　　 目的：研究高功率密度低頻超聲輻照模式對超

15、聲促進(jìn)藥物釋放的影響，并探討其作用機(jī)制。
　　 方法：制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的載萬古霉素骨水泥(vancomycin-loadedbonecement，VLBC)圓柱體試件，浸泡于40mlPBS中。將試件隨機(jī)分為三組：空白對照組、超聲連續(xù)輻照組、超聲間斷輻照組，后兩組接受超聲輻照14d。三組試件中部分樣本(n=4)于浸泡28d內(nèi)定時采樣測定萬古霉素濃度，計(jì)算T>MIC、14～28d亞抑菌濃度釋藥量、14d內(nèi)累積釋藥量并行曲線擬合；

16、部分樣本(n=3)于浸泡14d后脫水，干燥、噴金，行掃描電鏡觀察表面形態(tài)。
　　 結(jié)果：(1)超聲間斷輻照組T>MIC較對照組及超聲連續(xù)輻照組分別提高6.56d、7.09d，超聲連續(xù)輻照組T>MIC較對照組下降0.53d。(2)超聲間斷輻照組亞抑菌濃度釋藥量較對照組及超聲連續(xù)輻照組分別下降0.16mg、0.19mg；超聲間斷輻照組14d累積釋藥量較對照組及超聲連續(xù)輻照組分別提高2.88mg、2.81mg。(3)三組采用指數(shù)增長至

17、最大值模型擬合效果均理想，超聲間斷輻照組Mo、Mmax-Mo、K均較對照組和超聲連續(xù)輻照組提高，超聲連續(xù)輻照組MO較對照組高，但Mmax-Mo、K、N較對照組低。
　　 結(jié)論：高功率密度低頻超聲間斷輻照不僅可顯著提高VLBC藥物的釋放率，延長T>MIC，還可抑制VLBC后期亞抑菌濃度釋放。指數(shù)增長至最大值模型對超聲輻照下VLBC藥物釋放的擬合度較理想。高功率密度低頻超聲間斷輻照對VLBC的表面釋放和內(nèi)部彌散有明顯的促進(jìn)作用，連續(xù)

18、輻照抑制VLBC的內(nèi)部彌散。
　　 目的：研究低頻脈沖超聲對載萬古霉素丙烯酸骨水泥-假體柄界面孔隙率和剪切應(yīng)力的影響。
　　 方法：制備1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)萬古霉素骨水泥-假體柄界面模型，隨機(jī)分為對照組、450mW/cm2超聲組和1200mW/cm2超聲組，每組10個樣本。對照組于37℃PBS中浸泡30d，超聲組于37℃PBS中超聲輻照7d后再浸泡23d，試件空氣中風(fēng)干24h后萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)檢測界面剪切應(yīng)力，場發(fā)射掃描電子顯微鏡

19、和Image-ProPus6.0圖像處理軟件觀察和分析界面孔隙分布。每組另取兩試樣置于37℃PBS和印度墨汁混和溶液中如上行超聲輻照和體液浸泡，觀察界面墨汁滲透浸染程度。
　　 結(jié)果：450mW/cm2超聲組界面剪切應(yīng)力和孔隙率與對照組相比無顯著差異；1200mW/cm2組界面剪切應(yīng)力較對照組下降14%，界面孔隙率較對照組增加9%；1200mW/cm2組鄰近超聲探頭的試件中上端孔隙率明顯高于對照組相應(yīng)區(qū)域，下部與對照組相比差異無