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前言:人工关节有骨水泥型和非骨水泥型,其中骨水泥型多数采用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)固定假体。在长期负荷应力作用下,PMMA发生老化变性,会导致骨-骨水泥界面和假体-骨水泥界面的松动,其中骨-骨水泥界面的松动后果尤其严重。实验研究表明,在PMMA中掺入成骨材料固定假体,处于骨-骨水泥界面上的材料能和骨床结合成骨,也能逐渐长入PMMA内部与之相接触的材料,从而在PMMA内外跨过骨-骨水泥界面形成相互的骨连接,在骨连接后能加强骨-骨水泥界面的结合强度。最初加入PMMA的成骨材料主要有无机骨粒、有机骨粒和脱钙骨基质等,但实验发现复合这些材料后PMMA的初始固定强度明显下降,后来又有学者在其中加入羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA),但HA成骨能力有限,并且颗粒HA的结构松散,机械性能较差。从仿生角度研制出的纳米羟基磷灰石/聚酰胺66(nano-hydroxyapatite/polyamide-66, n-HA/PA66)生物成骨材料,比HA具有更好的传导成骨活性和力学性能。髓腔栓作为一项关键的现代骨水泥技术,可以增加PMMA和骨之间的初始结合强度。我们实验中首次尝试将n-HA/PA66颗粒加入PMMA(n-HA/PA66-PMMA),选择合适的加入比例,并联合应用髓腔栓技术,观察二者在兔骨水泥型人工股骨柄早期和晚期固定中的作用。目的:1、建立应用髓腔栓技术的兔骨水泥型人工股骨柄置换模型。2、探讨加入不同质量比例的n-HA/PA66颗粒后复合骨水泥的物理学和生物学特性,选择一种合适的n-HA/PA66和骨水泥比例,为其应用提供实验依据和理论指导。3、n-HA/PA66-PMMA固定兔人工股骨柄,并联合应用n-HA/PA66实体材料制成的髓腔栓,观察n-HA/PA66的成骨特点和骨-骨水泥-假体界面的结构和功能变化。方法:1、设计制作兔股骨柄假体和n-HA/PA66髓腔栓,进行兔人工股骨假体置换。用普通PMMA固定假体,BC组不用髓腔栓,PBC组用髓腔栓。检测两组股骨远端髓腔内压力、关节功能、X线片、骨-骨水泥界面和假体-骨水泥界面的结合力以及扫描电镜观察骨-骨水泥界面的结构特征。2、直径120～380μm的n-HA/PA66颗粒与PMMA粉剂按0:10,1:10,2:10,3:10和4:10的质量比充分混匀,分为5组。按粉剂10g:5ml液相的比例加入单体液,制成不同比例n-HA/PA66-PMMA样本。检测各组复合骨水泥的面团时间、最高聚合温度和固化时间、压缩强度和抗弯强度,观察样本断面微摄影和扫描电镜下结构,并应用5种不同比例的PMMA固定兔人工股骨假体在股骨上端髓腔内,拔出实验检测假体-骨水泥界面的结合强度,推出实验检测骨-骨水泥界面的结合强度。3、实验兔分为4组,每组20只:BC组应用普通PMMA固定假体;HBC组应用n-HA/PA66-PMMA固定假体;PBC组联合应用普通PMMA和n-HA/PA66实体材料制作的髓腔栓;PHBC组联合应用n-HA/PA-PMMA和髓腔栓。n-HA/PA66-PMMA采用3:10的质量比。左侧股骨柄假体置换术后进行股骨或髋关节正位X线摄片、硬组织骨切片组织学检测、骨-骨水泥界面行扫描电镜观察、骨组织四环素荧光标记、IGF-1免疫组化染色观察以及骨-骨水泥和假体-骨水泥界面强度测定。结果:1、骨水泥型假体柄固定后远端髓腔内压力增高,BC组骨内压的变化较PBC组的变化明显(P<0.05)。置换后两组人工假体位置和功能良好,BC组柄远端可见骨水泥深入髓腔,PBC组髓腔栓远侧无骨水泥泄漏。假体-骨水泥界面的结合强度二组无显著差异(P>0.05),BC组骨-骨水泥界面的结合强度显著低于PBC组(P<0.05)。电镜结果发现PBC组骨-骨水泥之间结合紧密,BC组有的骨-骨水泥之间存在缝隙,骨水泥中空泡较多。2、随着加入n-HA/PA66颗粒的增多,n-HA/PA66-PMMA的物理学和生物学性能出现下列变化:(1)面团时间缩短,粘度增加;(2)最高聚合温度降低,固化时间延长;(3)压缩强度和抗弯强度:3:10以下质量比的n-HA/PA66-PMMA的压缩强度增高,4:10反而降低。(4)不同比例的样本断面微摄影和扫描电镜发现3:10以下质量比n-HA/PA66-PMMA中二者结合紧密,气泡量少。颗粒量达到3:10和4:10后颗粒可以互相连接,但4:10时孔隙率显著增加。(5)体外固定兔人工股骨柄假体的生物力学发现,3:10及以下比例的n-HA/PA66-PMMA固定后拔出和推出实验无显著差异(P>0.05),4:10比例的n-HA/PA66-PMMA固定后两个界面的结合力显著降低(P<0.05)。3、(1) X线:术后2～4w BC组和HBC组,可见骨水泥套填塞不均,骨水泥周围有透亮线或部分透亮线,而PBC组和PHBC组假体与骨结合紧密,骨水泥套充填均匀无透亮线;8～24w时HBC组和PHBC组骨水泥周围骨密度逐渐增加,直至分不清骨与骨水泥边界。BC组和PBC组晚期可出现假体松动和脱位,骨-骨水泥界面不规则骨吸收。(2)组织学观察:HBC组和PHBC组n-HA/PA66颗粒直接与骨接触,新生骨沿骨床逐渐长入其中,越过骨-骨水泥界面,最终在骨水泥中形成成熟的新生小梁骨。BC组和PBC组有一层结缔组织位于骨和骨水泥间,无骨细胞长入,术后24w骨水泥周围的骨内可见到较多的破骨细胞。术后24w髓腔栓边缘崩解,成骨进入材料内部,有板层骨结构形成,但髓腔栓大部分还保留原始结构,没有降解。(3) n-HA/PA66成骨能力观察:HBC和PHBC组可见绿色荧光分布逐渐从n-HA/PA66颗粒边缘到整体,并进入骨水泥中。BC组和PBC组骨水泥周围骨内有少量荧光带分布。术后2w界面各组骨细胞和间充质细胞呈IGF-1表达阳性,HBC和PHBC组一直维持到24w,BC组和PBC组4w后表达减弱。(4)扫描电镜骨-骨水泥界面观察:HBC和PHBC组骨长入骨-骨水泥界面,结合紧密。BC组早期结合好,晚期可出现界面分离,骨水泥老化。髓腔栓与骨界面可以牢固结合。(5)生物力学检测:拔出实验结果表明术后24w和术后2w比较假体-骨水泥界面强度显著降低(P<0.05)。推出实验结果表明应用髓腔栓术后2w,界面剪切强度均高于不用。HBC和PHBC组用复合骨水泥,骨-骨水泥界面抗剪强度在植入后8w至24w逐渐增强。结论:1.骨水泥固定兔股骨柄假体时应用髓腔栓技术,能提高髓腔近端骨-骨水泥界面的结合能力和减轻假体远端髓内高压。用我们设计的模型,兔假体置换后能基本替代正常关节功能,假体固定牢固,可复制性强,能模拟临床人工关节置换。2. n-HA/PA66-PMMA中n-HA/PA66颗粒的质量比不超过3:10时,其聚合过程接近于单纯骨水泥,聚合后的机械强度能够牢固固定兔人工股骨柄假体。3.应用髓腔栓技术可以提高兔骨水泥型人工股骨柄的早期固定效果,应用3:10的n-HA/PA66-PMMA固定假体,新骨可以从骨床沿颗粒跨过骨-骨水泥界面,长入骨水泥内部,使界面强度在术后24w内逐渐增强,提高假体的晚期固定效果。4. n-HA/PA66实体材料制作的髓腔栓在实验周期内可以稳定支撑骨水泥套和假体,并能够在髓腔内成骨,但成骨速度较慢。