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作者：楊克強(qiáng) 李柱林 張春林 王臻 胡蘊(yùn)玉 楊牧 谷孝將 謝小榮 劉慧峰 張鑫 趙盛坤 李光新  

【摘要】  目的：研究深低溫冷凍法和常溫法儲骨對皮質(zhì)骨生物力學(xué)特性的影響。方法：用深低溫冷凍法和常溫酒精浸泡法儲存相同時(shí)間的股骨皮質(zhì)作標(biāo)本，分別將其修成彎曲及壓縮試件，在Instron 1195型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上測試兩組的極限彎曲強(qiáng)度，彈性模量及極限壓縮強(qiáng)度，所得數(shù)據(jù)進(jìn)行組間t檢驗(yàn)。結(jié)果：兩組間極限彎曲強(qiáng)度、彈性模量、極限壓縮強(qiáng)度差異均不明顯（P>0.05）。結(jié)論：深低溫冷凍及常溫法儲骨對皮質(zhì)骨生物力學(xué)特性無影響，在無深低溫冷凍儲骨條件的地方，如有合適的骨源，也可積極取骨用常溫法儲存，以免骨源浪費(fèi)。

【關(guān)鍵詞】  低溫保存;皮質(zhì)骨;酒精;生物力學(xué)

    【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，大段異體皮質(zhì)骨移植在臨床上已廣泛應(yīng)用，但由于國內(nèi)僅在較大城市建有大中型骨庫，且數(shù)量有限，所以深低溫冷凍皮質(zhì)骨的來源有限，遇有大段骨缺損失,是否可用常溫保存的異體骨移植,其生物力學(xué)特性與深低溫冷凍骨是否不同,這方面的報(bào)道較少，本研究旨在對兩種儲骨方法儲存的異體皮質(zhì)骨的生物力學(xué)特性進(jìn)行比較,指導(dǎo)臨床應(yīng)用,同時(shí)探討在有骨源而無深低溫條件儲骨時(shí),是否可以常溫儲存。

    1  材料與方法

    1.1  試驗(yàn)材料與儀器

    1.1.1  實(shí)驗(yàn)材料  深低溫保存2年的男性青年股骨12根和常溫保存(酒精浸泡)的男性青年股骨14根(年齡20～35歲)（第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院全軍骨科研究所，西安）。

    1.1.2  儀器  Instron 1195型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)（西安交通大學(xué)材料工程學(xué)院疲勞實(shí)驗(yàn)室）。

    1.2  材料制備與分組

    1.2.1  制備  取深低溫儲存2年的男性青年股骨12根,逐漸復(fù)溫至室溫,每根取相同部位修成截面為矩形的長骨條作為彎曲試件(去除髓腔內(nèi)松質(zhì)骨),截面為矩形的短長方體(高度不超過底邊寬度的2.5倍)作為壓縮試件,其壓縮方向與骨干縱軸方向一致,修整過程中始終向試件上滴加Lingers液。

    1.2.2  分組

    (1)彎曲試件:

    深低溫冷凍組: 試件共12個(gè)

    常溫組：試件共14個(gè)

    (2)壓縮試件:

    深低溫冷凍組: 試件共12個(gè)

    常溫組：試件共14個(gè)

    1.3  實(shí)驗(yàn)條件及方法

    1.3.1  實(shí)驗(yàn)條件：常溫常壓，加載速度2mm/min，實(shí)驗(yàn)過程中始終向試件上滴加Lingers液，使試件保持正常濕度。

    1.3.2  實(shí)驗(yàn)方法及生物力學(xué)參數(shù)測定。

    1.3.2.1  將修整好的彎曲試件在Instron 1195型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)（跨距L為40mm），采用函數(shù)記錄儀記錄載荷——變形曲線（圖1示），并根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變公式計(jì)算出相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)，公式如下：

    σmax=MW=3PL2bh2        E=PL34h3ba

    式中σmax為極限彎曲強(qiáng)度，M為彎矩，W為截面抵抗矩，P為壓力，L為跨距，h為試件厚度，b為試件寬度，a為橈度，E為彈性模量。

    P（N）

    圖1  彎曲實(shí)驗(yàn)中的載荷——變形曲線

    靠近縱坐標(biāo)的為深低溫冷凍組*號標(biāo)本

    P：97N  h:2.1mm  b:8.8mm

    遠(yuǎn)離縱坐標(biāo)的為常溫組*號標(biāo)本

    P：104N  h:2.3mm  b:7.5mm

2008年2月楊克強(qiáng)等：深低溫冷凍與常溫儲骨對皮質(zhì)骨生物力學(xué)特性影響的研究第1期2008年2月河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版）第1期1.3.2.2  將修整好的壓縮試件在Instron 1195型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，壓力方向與骨長軸（即骨單位）方向一致。采用函數(shù)記錄儀記錄載荷——變形曲線（圖2示），并根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變公式計(jì)算出相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)，公式如下：

    σmax=PA

    P為壓力，A為面積（橫截面）， σmax為極限壓縮強(qiáng)度。

    圖2  壓縮實(shí)驗(yàn)中的載荷——變形曲線

    靠近縱坐標(biāo)的為深低溫冷凍組*號標(biāo)本

    P：1720N  A:15.12mm2

    遠(yuǎn)離縱坐標(biāo)的為常溫組*號標(biāo)本

    P：1800N  h:15.93mm2

    1.3.3  統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

    各項(xiàng)測定指標(biāo)均采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示。組間差異行t檢驗(yàn)。

    2  結(jié)果

    兩組彎曲及壓縮試件的極限彎曲強(qiáng)度、極限壓縮強(qiáng)度相比P>0.05，彎曲試驗(yàn)中的彈性模量兩組相比P>0.2>0.05，即兩組極限彎曲強(qiáng)度無顯著性差異，兩組極限壓縮強(qiáng)度無顯著性差異，兩組間彈性模量無顯著性差異（見表1）。

    圖1所示為兩組中兩個(gè)抗彎曲試件在彎曲過程中的載荷——變形曲線，隨著載荷的增加，骨試件彎曲變形，在一定范圍內(nèi)載荷-變形曲線呈線性關(guān)系，服從虎克定律，說明骨是一種具有彈性的材料，而當(dāng)載荷達(dá)到一定程度后，曲線出現(xiàn)彎曲。兩試件的斜率基本一致，zui大載荷略有差異，與試件的截面抵抗矩個(gè)體間差異有關(guān)。表1  兩組股骨皮質(zhì)極限彎曲強(qiáng)度、極限壓縮強(qiáng)度及彈性模量比較 注：兩組極限彎曲強(qiáng)度比較* P>0.05；兩組極限壓縮強(qiáng)度比較# P>0.05；兩組彈性模量比較 △ P>0.2

    圖2所示為兩組中兩個(gè)抗壓縮試件在壓縮過程的載荷-變形曲線，與圖1比較，曲線在一定范圍內(nèi)也呈線性關(guān)系，服從虎克定律，但其斜率較大，說明在縱向壓縮過程中骨變形相對較小。而兩試件的斜率基本一致，zui大載荷略有差異，與兩試件間截面積不同有關(guān)。

    注：圖1及圖2為按Instron 1195電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)中描記的曲線1∶1比例手工加重描記到白紙上，再掃描進(jìn)入電腦形成。

    3  討論

    皮質(zhì)骨由骨細(xì)胞、纖維和基質(zhì)三種成分組成，與其他結(jié)締組織基本相似，但皮質(zhì)骨在細(xì)胞間質(zhì)中有大量鈣鹽沉積，從而使皮質(zhì)骨成為很堅(jiān)硬的結(jié)締組織與其他結(jié)締組織有本質(zhì)的區(qū)別。皮質(zhì)骨內(nèi)有許多膠質(zhì)纖維環(huán)繞血管間隙而成同心圓狀緊密排列，部分膠原纖維可穿過板間區(qū)，皮質(zhì)骨的物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)組成使其既有一定的彈性，同時(shí)具有較大強(qiáng)度，不易斷裂，因此皮質(zhì)骨的缺損的替代物為同種異體皮質(zhì)骨。動物實(shí)驗(yàn)證明，大段同種異體皮質(zhì)骨移植能夠較好的愈合及替代，并且其愈合及替代是多途徑的[1，2]。同種異體骨能夠移植及較好愈合就需要有異體骨的儲存，這就導(dǎo)致了骨庫技術(shù)的誕生，雖然二十世紀(jì)中期以來骨庫技術(shù)較廣泛應(yīng)用，深低溫冷凍儲骨已成為四肢管狀骨的主要儲存方法，但國內(nèi)大中型骨庫數(shù)量仍很有限，分布不甚合理，一些地方距大中型骨庫較遠(yuǎn)，所以一些傳統(tǒng)的小型或自給型骨庫仍用常溫酒精浸泡方法儲骨。有研究發(fā)現(xiàn)，深低溫冷凍法儲骨，儲存時(shí)間對皮質(zhì)骨極限彎曲、彈性模量及極限壓縮強(qiáng)度無明顯影響[3]；那么不同溫度儲存是否對骨的生物力學(xué)特性造成影響，Pelker對-20℃、-70℃及-196℃三種溫度下的儲骨進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)長骨的抗扭強(qiáng)度和壓應(yīng)力與新鮮骨無明顯差異[4]；而常溫儲骨又以酒精浸泡法為主[5]，并且酒精浸泡法簡便易行，中小醫(yī)院也能做到，但這種方法儲骨對皮質(zhì)骨生物力學(xué)特性是否有影響，這方面的報(bào)道較少，本實(shí)驗(yàn)的目的就是通過對深低溫冷凍及常溫條件下儲骨的生物力學(xué)特性進(jìn)行對比，探討兩種儲骨方法對骨生物力學(xué)特性的影響。

    研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種儲存方法的皮質(zhì)骨試件極限彎曲及壓縮強(qiáng)度無顯著性差別（P>0.05），彎曲試驗(yàn)中的彈性模量無顯著性差異（P>0.05），表明皮質(zhì)骨的彎曲壓縮極限強(qiáng)度及彎曲彈性模量受兩種儲存方法的影響不明顯，與石瑾[5]等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，可能因石瑾等是用深凍后脫脂再酒精固定有關(guān)，標(biāo)本處理方法不*相同。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示我們，*、臨床應(yīng)用大段異體皮質(zhì)骨移植時(shí)，不論深低溫冷凍儲存還是常溫儲存的異體骨，其內(nèi)固定的選擇及術(shù)后處理不應(yīng)受儲存方法的影響。第二、目前，我國大中型骨庫分布不很合理，在無深低溫儲骨條件的醫(yī)療單位，如有志愿捐獻(xiàn)骨材者，亦應(yīng)及時(shí)取骨，可常溫酒精浸泡保存防止骨源浪費(fèi)。

    綜上所述，深低溫冷凍方法及常溫酒精浸泡方法儲骨對骨的生物力學(xué)特性影響不大，在目前我國大中型骨庫不很合理的情況下，如有骨源而無深低溫儲骨條件，亦應(yīng)及時(shí)取骨，行常溫酒精浸泡保存，不要貽誤取骨時(shí)機(jī)，造成寶貴的骨材的浪費(fèi)。臨床上在給患者植入此兩種方法儲存的異體骨時(shí)，其固定方法及術(shù)后處理不應(yīng)因儲存方法不同而有差別。

    由于深低溫冷凍方法儲存四肢長管狀骨已*為理想的儲骨方法，如有條件，均應(yīng)采用該方法。目前，隨著國內(nèi)大中型骨庫的逐漸增多，深低溫冷凍儲骨必將廣泛普及，而在此之前，兩種儲骨方法將會同時(shí)存在。

【參考文獻(xiàn)】
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2 桑宏勛，楊克強(qiáng)，王臻，等.自固化磷酸鈣復(fù)合BMP及同種異體骨修復(fù)兔股骨大段骨缺損\[J\].中國矯形外科雜志，2006，14（1）：3942

3 楊克強(qiáng)，王臻，桑宏勛，等.深低溫冷凍異體骨生物力學(xué)特性與儲存時(shí)間的關(guān)系\[J\].醫(yī)用生物力學(xué)，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，歐陽鈞，傅群武，等.不同貯存及處理方法對人骨拉力螺釘生物力學(xué)性能的影響\[J\].中國臨床解剖學(xué)雜志，2000，18（3）：268270