纳米羟基磷灰石人工骨修复塌陷型胫骨平台骨折

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.51.013

中国组织工程研究 ›› 2013, Vol. 17 ›› Issue (51): 8863-8868.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.51.013

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纳米羟基磷灰石人工骨修复塌陷型胫骨平台骨折

王大平^{1, 2}，熊建义^{1, 2}，朱伟民^{1, 2}，黄江鸿²，段莉²，陈洁琳²，张巨峰²

¹深圳市第二人民医院创伤骨科，广东省深圳市 518035； ²深圳市组织工程重点实验室，广东省深圳市 518035

出版日期:2013-12-17 发布日期:2013-12-17
通讯作者: 朱伟民，副教授，副主任医师，硕士生导师，深圳市第二人民医院，广东省深圳市 518035 szhzwm@126.com
作者简介:王大平☆, 男，1963年生，湖南省常德市人，汉族，1985年湖南医科大学毕业，博士，教授，主任医师，博士生导师。 dapingwang1963@qq.com
基金资助:
深圳市科技研发项目(GJHZ20130412153906739, CXZZ20130321152713220)**, 广东省医学科研基金项目(B2012320)*, 广东省教育厅育才项目(2012LYM_0120)*

Nano-hydroxyapatite artificial bone for collapsed fractures of the tibial plateau

Wang Da-ping ^{1, 2}, Xiong Jian-yi ^{1, 2}, Zhu Wei-min^{1, 2}, Huang Jiang-hong², Duan Li², Chen Jie-lin²,Zhang Ju-feng²

¹Department of Traumatic Orthopedics, Shenzhen Second People’s Hospital, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China; ²Shenzhen Tissue Engineering Laboratory, Shenzhen 518000, Guangdong Province, China

Online:2013-12-17 Published:2013-12-17
Contact: Zhu Wei-min, Associate professor, Associate chief physician, Master’s supervisor, Department of Traumatic Orthopedics, Shenzhen Second People’s Hospital, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China szhzwm@126.com
About author:Wang Da-ping☆, M.D., Professor, Chief physician, Doctoral supervisor, Department of Traumatic Orthopedics, Shenzhen Second People’s Hospital, Shenzhen 518035, Guangdong Province, China dapingwang1963@qq.com
Supported by:
the Scientific Research and Development Program of Shenzhen City, No. GJHZ20130412153906739*, CXZZ20130321152713220*; the Medical Research Foundation of Guangdong Province, No. B2012320*; the Incubation Project of Guangdong Provincial Department of Education, No. 2012LYM_0120*

摘要/Abstract

摘要：

背景：纳米级羟基磷灰石有利于改善骨植入体的力学性能。
目的：观察纳米羟基磷灰石人工骨修复塌陷型胫骨平台骨折的临床效果。
方法：回顾性分析2010年3月至2012年9月，采用纳米羟基磷灰石人工骨治疗胫骨平台塌陷骨折14例合并骨缺损患者的临床资料，骨缺损范围为1.5 cm×1.0 cm-3.1 cm×4.5 cm，人工骨植入量为5-14 g。分别在治疗后1周、1个月和3个月进行临床和X射线片检查，观察治疗效果，HSS评分系统评估膝关节功能恢复情况。
结果与结论：随访12-27个月，除1例患者伤口处有少量渗出外，其余13例患者无术后发热、伤口红肿及过敏现象，伤口一期愈合，未发生切口感染等并发症。治疗后3个月观察，骨缺损区纳米羟基磷灰石与宿主骨直接愈合，相容性好，与原骨界面间无间隙，术后观察未见不良反应，治疗后1年HSS评分为(88.7±4.3)分。表明纳米羟基磷灰石人工骨具有良好的生物相容性，生物力学良好，对于塌陷型胫骨平台骨折是一种较理想的骨缺损修复材料。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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关键词: 生物材料, 纳米生物材料, 纳米材料, 羟基磷灰石, 人工骨, 胫骨平台骨折, 塌陷型, 省级基金

Abstract:

BACKGROUND: Nano-hydroxyapatite helps to improve the mechanical properties of bone implants.
OBJECTIVE: To study the clinical effect of nano-hydroxyapatite artificial bone on collapsed fracture of the tibial plateau.
METHODS: Fourteen cases of collapsed fracture of the tibial plateau combined with bone defects from March 2010 to September 2012 were analyzed retrospectively. The bone defect range was from 1.5 cm×1.0 cm to 3.1 cm×4.5 cm. All patients were treated with nano-hydroxyapatite artificial bone at an implant amount of 5-14 g. Clinical and X-ray observations were applied at 1 week, 1 month and 3 months postoperatively. Hospital for Special Surgery scores were employed for recovery of knee function.
RESULTS AND CONCLUSION: The patients were followed up for 12-27 months. Except for one case of a small amount of wound exudates, no general side effects occurred in 13 cases. X-ray photo showed an integrity interface between nano-hydroxyapatite artificial bone and host bone at 3 months after treatment. Primary healing was obtained in all cases without any complications. Hospital for Special Surgery score was increased to (88.7±4.3) points at 1 year later. These findings indicate that the nano-hydroxyapatite artificial bone has a good biocompatibility and biomechanics, and it may be an ideal artificial bone for repairing collapsed fractures of the tibial plateau.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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Key words: biocompatible materials, nanoparticles, hydroxyapatites, fractures, bone

中图分类号:

R318

王大平，熊建义，朱伟民，黄江鸿，段莉，陈洁琳，张巨峰. 纳米羟基磷灰石人工骨修复塌陷型胫骨平台骨折[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(51): 8863-8868.

Wang Da-ping, Xiong Jian-yi, Zhu Wei-min, Huang Jiang-hong, Duan Li, Chen Jie-lin,Zhang Ju-feng. Nano-hydroxyapatite artificial bone for collapsed fractures of the tibial plateau[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(51): 8863-8868.

图/表（结果） 2

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引言

胫骨平台塌陷骨折是一种高能量损伤^[1] ，通常由于膝关节受到坠落引发的压缩应力或者是内翻暴力撞击导致，常伴有关节面软骨、韧带、半月板等损伤，其功能恢复与关节面复位良好程度呈正比，手术中关节面复位不良极易引发膝关节畸形、不稳或力线不正等问题^[2] ，从而造成关节功能障碍。而根据Schatzke分型^[3] ，胫骨平台骨折可分为6型：Ⅰ型，单纯的胫骨外髁劈裂骨折，关节面未塌陷；Ⅱ型，外髁劈裂合并平台塌陷骨折；Ⅲ型，单纯平台中央塌陷骨折；Ⅵ型，内侧平台塌陷骨折或单纯的胫骨内髁劈裂骨折；Ⅴ型，胫骨内或外髁骨折，伴髁移位和关节面塌陷；Ⅵ型，胫骨平台骨折伴胫骨干或胫骨干骺端骨折。塌陷型胫骨平台骨折多见Ⅱ、Ⅲ型，也有Ⅴ型、Ⅵ型，属双侧平台均骨折，治疗难度明显增加，目前临床治疗以手术为主。对于塌陷型胫骨平台骨折(如SchatzkerⅢ型)，术中填塞植骨成为恢复关节轴向对线及稳定性、保证关节面精确复位的关键^[3]，以减少术后创伤性关节炎的发生^[4] 。
长期以来对于各种因素如创伤、肿瘤及感染等所造成的骨缺损治疗，人们尝试过许多治疗方法，但均存在一定的问题和缺陷，如采用自体骨需要增加第二手术区，需要对截取下来的骨块进行植入前的修整和塑形，这样既延长了手术时间，又给患者带来了额外的创伤，而且自体骨骨源有限，不能大量供应，此外，自体骨移植容易发生吸收，且血运的建立和新骨的形成缓慢，抗感染力低下，易发生感染而导致手术失败^[5] 。采用异体骨植入骨缺损区避免了第二手术区的开辟，解决了骨源有限的问题，但异体骨植入后容易发生吸收和变形，且异体骨抗原性较强，易引起异物反应而导致植入物被排除，影响治疗效果。因此，研制理想的人工材料代替骨移植修复骨缺损，是医学和生物材料科学领域中的一个重要课题，具有重要的临床意义^[6] 。羟基磷灰石(分子式[Ca10(PO4)6(OH)2])是最常见的一种骨缺损人工修复材料，但目前临床上所应用的羟基磷灰石人工骨仍存在力学性能差，脆性大，抗压、抗折强度低，不能承重，只能用于不承重骨缺损等不可忽视的缺点^[7-8] 。随着生物材料科学和纳米技术的发展，人们逐渐把目光投向生物性能更佳的纳米羟基磷灰石人工骨^[9] 。为此，深圳市第二人民医院与中南大学粉末冶金工程研究中心联合研制了新型纳米羟基磷灰石人工骨，在前期实验的基础上拟进一步评价该材料在塌陷型胫骨平台骨缺损中的成骨能力^[10-11] ，为进一步改进和临床应用该材料提供依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程
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材料方法

设计：回顾性病例分析。

时间及地点：于2010年3月至2012年9月在深圳市第二人民医院创伤骨科完成。

对象：纳入胫骨平台塌陷性闭合性骨折患者14例，其中男9例，女5例；年龄19-53岁，平均33岁；SchatzkerⅢ型6例，Ⅳ5例，Ⅴ型3例；病程为急性期创伤3周内；骨缺损范围为1.5 cm×1.0 cm-3.1 cm× 4.5 cm；人工骨植入量最大使用量14 g，最小使用量5 g。

纳入标准：急性期(3周内)损伤的胫骨平台塌陷性闭合性骨折患者，关节面塌陷>5 mm。未伴其他全身性疾病如糖尿病、高血压病、心脏病等。

排除标准：开放性骨折，伴有皮肤创伤及感染，伴有其他不适合手术的患者如糖尿病等。

材料：所用的纳米羟基磷灰石人工骨以硝酸钙和磷酸二氢铵为原料，采用溶胶-絮凝法制备粉体，使得到的纯羟基磷灰石粉体平均晶粒小于100 nm。将粉体运用木模成型法制得孔隙分布均匀的纳米羟基磷灰石人工骨^[12-13]，由深圳市第二人民医院与中南大学粉末冶金研究中心联合研制，经倒置显微镜、扫描电镜及孔隙率测定显示其孔隙直径为100-250 μm，孔隙率大于90%，见图1，2。

方法：

治疗方法：根据具体病情选择合适的手术入路，膝正中入路和双切口入路是较常用的两个入路。先显露骨折部位，在压缩骨折塌陷下方2.5-3.0 cm处，开一 2.0 cm×2.5 cm的骨窗，通过凿开的骨窗，从下方用撬拨器将压缩的关节面复位，将纳米羟基磷灰石人工骨切成大小不等的形状填入骨缺损处，使密度合适，按压使之结实后，用最初凿下的皮质骨加盖并嵌入之，骨折用微创锁定钢板或解剖钢板(来自北京理贝尔北京理贝尔生物工程研究所有限公司)，辅以松质骨拉力螺钉(来自北京理贝尔北京理贝尔生物工程研究所有限公司)，予以固定，见图3。

术后观察患者不良反应及伤口情况，不同时间X射线检查，不同时间钙磷测定，以及不同时间肢体功能康复情况。

术后处理：术后24-48 h拔除引流管，1周后开始行关节功能锻炼，多数患者均可经自行锻炼在1周内使膝关节屈曲达到90°以上，如经1周自主锻炼膝关节屈曲不能达到90°则予以持续被动运动机辅助练习，出院时所有膝关节屈曲均达到90°以上。术后6周内患肢避免负重行走，6-12周部分负重，12周后完全负重。

治疗后第1个月内每周门诊随访1次，随访时每2周进行1次X射线检查；治疗后1个月到半年，每3个月随访1次，每次行X射线检查；半年后，每半年随访1次，随访时行X射线及CT检查并评估患者功能。

评价指标：治疗后1年采用美国特种外科医院膝关节评分标准(HSS评分)评定膝关节功能恢复情况。总分为100分，分值越高则表示膝关节功能恢复越好：优，85分以上；良，70-85分；中，60-69分；差，59分以下^[14]。

主要观察指标：纳米羟基磷灰石人工骨修复塌陷型胫骨平台骨折的临床效果。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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讨论

3.1 胫骨平台塌陷性骨折治疗策略   胫骨平台骨折约占所有骨折的1%，是一种比较常见的关节内骨折，由于胫骨平台髁部骨为疏松海绵状骨^[15-16] ，所以受外力挤压或撞击后极易导致关节面塌陷，手术过程中，平台下方的干骺区在其解剖复位后，常遗留较大的松质骨缺损，如不进行有效的植骨填塞和固定，日后负重行走必导致再塌陷移位，常遗留骨折不愈合、创伤性关节炎及膝关节功能障碍等并发症^[17-23] ，因此，解剖复位、填塞真骨及坚强内固定是塌陷型胫骨平台骨折手术治疗的“三要素” ^[24-26] 。
3.2 胫骨平台塌陷型骨折手术指征   塌陷型胫骨平台骨折植骨的手术适应证临床争议较大，骨折块被压缩在胫骨干骺端海绵状骨折，无软组织附着，闭合状态下难以复位，即便复位后也不稳定，导致关节面不平，易形成成角畸形、膝关节不稳、创伤性关节炎等。因此，对于塌陷程度少于2 mm的患者可采取保守治疗，塌陷>3 mm时才需要植骨，也有学者认为关节面塌陷>5 mm才需要植骨^[27-31] 。文章采用关节面塌陷>5 mm作为植骨的标准。术中应尽量撬起软骨下骨抬平关节面以恢复关节面平整，术前常规行CT扫描以了解关节面塌陷情况^[32-34] 。
3.3 胫骨平台塌陷型骨折植骨材料来源   填塞植骨材料的选择对于术后关节面稳定的建立至关重要。长期以来人们尝试过许多治疗方法，但均存在一定的问题和缺陷^[35-36] 。
羟基磷灰石是骨组织和牙体组织的主要无机成分，因其优良的生物性能近年来成为生物材料学研究领域的研究热点。已有研究证实该材料具有良好的生物相容性，将其植入体内后，在局部不发生炎性反应和异物反应，无致畸作用和致癌作用^[37] 。自从20世纪50年代以来，人工合成的羟基磷灰石得到了深入的研究，人们不仅合成出纯度很高的羟基磷灰石单晶，还合成出了与人体骨骼极为接近的含碳酸盐羟基磷灰石。通过改进工艺技术制备出了不同形状、孔隙率和降解率的羟基磷灰石产品，商业化生产的羟基磷灰石人工骨，获准应用于临床10多年了，取得了良好的效果。但目前临床上所应用的羟基磷灰石人工骨仍存在着力学性能差，脆性大，不能被机体所吸收，只能用于不承重的骨缺损等缺点。
3.4 纳米材料在胫骨平台骨折中的应用 纳米技术是20世纪90年代以来得到迅速发展的崭新的研究领域，由于纳米粒子具有表面效应、小尺寸效应及量子效应等独特的性能，使纳米材料呈现出无限广阔的应用前景。医学界也相继开始了对纳米羟基磷灰石粒子(或称超细羟基磷灰石粉)的研究，并且已发现纳米羟基磷灰石粒子较羟基磷灰石具有更强的生物活性，有学者发现羟基磷灰石颗粒越小，骨植入体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度就越高，疲劳抗力也相应提高^[37]。因此，合成纳米级羟基磷灰石将有利于改善骨植入体的力学性能。随着生物材料科学和纳米技术的发展，人们逐渐把目光投向生物性能更佳的纳米羟基磷灰石人工骨，其扭转模量、拉伸模量和拉伸强度等力学性能得到明显提高。
骨缺损修复依赖于血管侵入移植骨过程的完成。虽然生长因子、局部细胞素，以及其他非胶原蛋白会辅助此过程的完成，但移植骨的三维结构是决定结合速度和结合完全的主要因素，因为血管侵入需要孔隙，具有较大孔隙率和表面积的基质材料使此过程进行得更迅速、更完全。一般认为，虽然人的成骨细胞可以通过直径   20 μm的孔，但互通孔径大于50 μm才有利于骨单元在大孔内形成，且随着互通孔径的增大，其骨传导性能也随之增强。动物体内实验显示，随着大孔内骨组织的形成，在孔内形成了具有福尔克曼管或哈弗氏管形态的骨组织，并且增强了大孔石陶瓷骨的生物力学性能，有学者认为其孔径>150 μm能为骨组织长入提供理想场所^[38] 。有人认为骨组织长入的最小孔径为100 μm，而150 μm为理想孔径^[39-40] 。但体外实验也显示，孔径和孔隙度的增加都会降低人工骨的生物力学强度。因此，综合以上观点通过木模成型的工艺制备出孔隙率为90%以上，孔径100-250 μm的多孔纳米羟基磷灰石人工骨，结合纳米材料良好的力学性能以期在孔径、孔隙率和机械强度之间达到良好的统一，X射线衍射分析结果显示这种人工骨与天然骨有类似的结构，有利于小血管和微血管、纤维结缔组织的长入，引导成骨细胞的爬行，促进成骨。
对于塌陷型胫骨平台骨折，单纯地牵引外固定及关节镜下手术难以达到膝关节面复位受损韧带修复的目的，易致关节不稳创伤性关节炎等并发症，故须行开放性的手术治疗，以关节表面重建坚强内固定为治疗目标，而填塞植骨是保证关节面精确复位的关键。由于是负重关节应用于植骨的填塞材料要求较高，不仅要求生物相容性好且需要材料具有一定抗压性、可尽早与骨组织愈合，这对于术后关节面稳定性的建立具有重要作用，多孔纳米羟基磷灰石生物材料具有高度生物活性和生物相容性，与骨组织的键合能力很强，是良好的骨组织缺损填充材料，具有以下优点：良好的生物相容性，无免疫排斥反应、无毒；与无机骨基质成分相近，且具有更加良好的生物力学强度；有适当的孔隙度，便于骨组织长入；良好的化学稳定性，在体内能长期稳定地行使骨组织功能；来源充足，可高压消毒，储存方便。因此，可以作为胫骨塌陷性骨折的良好植入材料。
3.5 结论   本组14例患者术后经随访时间9-27个月，治疗后1年患者平均HSS评分为(88.7±4.3)分，其中优9例，良4例，中1例；无发热，伤口无红肿，无过敏现象，伤口愈合良好，未发生切口感染等并发症。X射线检查显示，骨缺损区纳米羟基磷灰石与宿主骨直接愈合，相容性好，与原骨界面间无间隙，术后观察未见不良反应，很好地维持了手术时的复位效果。该材料已经国产化，价格相对便宜，适于中国国情，具有较高的可获得性，手术操作简便，无需特殊器械，应用前景广阔。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程
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