丙烯酸树脂骨水泥复合材料对软骨下骨诱发膝骨关节炎的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.25.006

摘要/Abstract

摘要：

背景：丙烯酸树脂骨水泥植入人体发生硬化后其可抵抗78-93 MPa的强度，但骨水泥凝固过程中释放大量的热能，会杀死正常细胞导致周围组织坏死。
目的：观察丙烯酸树脂骨水泥复合材料替代软骨下骨后诱发兔膝骨关节炎的特点。
方法：将30只日本大耳白兔随机均分为5组，实验A、B、C、D组在刮除右侧膝关节胫骨平台内侧软骨下骨后，均植入聚甲基丙烯酸甲酯粉剂/羟基磷灰石复合材料，空白对照组仅暴露左侧膝关节胫骨平台内侧骨膜。实验组A、B、C、D组分别在软骨下骨刮除后3，6，9，12周处死动物，切取复合材料上方1.5 mm处的软骨下骨标本进行苏木精-伊红染色、基质金属蛋白酶表达分析，同时检测关节液中白细胞介素1β及肿瘤坏死因子α水水平。
结果与结论：实验C组的Mankin骨关节炎分级高于空白对照组和实验A组(P < 0.05)，实验组D的Mankin骨关节炎分级高于实验B组(P < 0.05)。基质金属蛋白酶1的灰度值比较：空白对照组> 实验A组> 实验B组>实验C组> 实验D组(P < 0.05)。白细胞介素1 β及肿瘤坏死因子α水平比较：实验D组> 实验C组> 实验B组> 实验A组> 空白对照组(P < 0.05)。表明丙烯酸树脂骨水泥复合材料替代软骨下骨后能引发膝骨关节炎，并且会导致基质金属蛋白酶1及细胞因子水平的升高。

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

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 聚甲基丙烯酸甲酯, 羟基磷灰石, 胫骨平台, 软骨下骨, 复合材料, 膝关节炎

Abstract:

BACKGROUND: The hardened acrylic resin bone cement composite after implantation into human body can resist an intensity of 78-93 MPa. But a large amount of heat energy is released by bone cement during the process of solidification and it will kill normal cells, leading to peripheral tissue necrosis.
OBJECTIVE: To investigate the characteristics of induced knee joint osteoarthritis after application of acrylic resin bone cement composite as a bone substitute for subchondral bone.
METHODS: Thirty male Japanese big ear rabbits were randomly and equally divided into four experimental groups (A, B, C, D) and a blank control group. After removal of subchondral bone on the right medial tibial plateau, polymethyl methacrylate powder/hydroxyapatite composite materials were implanted in rabbits in the experimental groups A, B, C, and D. Rabbits in the blank control group were only subjected to exposure of periosteum on the left medial tibial plateau. At 3, 6, 9 and 12 weeks after removal of subchondral bone, rabbits in the experimental groups A, B, C and D were sacrificed, and subchondral bone specimens were taken for hematoxylin-eosin staining and matrix metalloproteinase expression analysis. At the same time, interleukin-1β and tumor necrosis factor-ɑ levels in the synovial fluid were determined.
RESULTS AND CONCLUSION: Mankin score in the experimental group C was significantly higher than in the blank control group and experimental group A (P < 0.05). Mankin score in the experimental group D was significantly higher than in the experimental group B (P < 0.05). The gray scale of matrix metalloproteinase-1 was highest in the blank control group, followed by experimental groups A, B, C, and the last in the experimental group D (P < 0.05). Interleukin-1β and tumor necrosis factor-ɑ levels in the synovial fluid were highest in the experimental group D, followed by experimental groups C, B, A and the last in the blank control group (P < 0.05). These findings suggest that acrylic resin bone cement composite as a bone substitute for subchondral bone induces knee joint osteoarthritis and leads to increases in matrix metalloproteinase-1 and tumor necrosis factor-ɑ levels in the synovial fluid.

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

中图分类号:

R318

蒋华，颜宇，马红兵，徐兵，王俊瑞，蒋电明. 丙烯酸树脂骨水泥复合材料对软骨下骨诱发膝骨关节炎的影响[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(25): 3962-3966.

Jiang Hua, Yan Yu, Ma Hong-bing, Xu Bing, Wang Jun-rui, Jiang Dian-ming. Acrylic resin bone cement composite as a bone substitute for subchondral bone induces knee joint osteoarthritis [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(25): 3962-3966.

图/表（结果） 3

参考文献

[1] 曾花,蔡道章,陈郁鲜,等.人膝骨关节炎血清生物学标志物的筛选[J].中国病理生理杂志,2012,28(5):884-888.

[2] 向珍蛹,茅建春,曲环汝,等.浦东上钢社区中老年人群膝骨关节炎危险因素的流行病学研究[J].上海交通大学学报:医学版,2013, 33(3):318-322.

[3] 乐意,金荣疆,阳杨,等.从下肢生物力学来解析膝骨关节炎[J].中国康复理论与实践,2013,19(6):505-509.

[4] Fransen M,McConnell S.Land-based exercise for osteoarthritis of the knee:a meta-analysis of randomized controlled trials.J Rheumatol.2009;36(6):1109-1117.

[5] 朱芳晓,周润华,石宇红,等.小白菊内酯对兔膝骨关节炎血清IL-1β及TNF-α的影响[J].中国中西医结合杂志,2013,33(10): 1382-1384.

[6] 刘洪柏,张鸣生,区丽明,等.体外冲击波对大鼠膝骨关节炎白细胞介素-1β及肿瘤坏死因子-α表达的影响[J].中国康复医学杂志, 2014,29(3):208-211.

[7] 李强,周国庆,邓紫婷,等.复元胶囊对膝骨关节炎大鼠IL-1β、OPG和OPGL mRNA表达的影响[J].中国老年学杂志,2014,34(14): 3930-3933.

[8] 张冲,季亚成,张英泽,等.传统中医药补肾固筋方对膝骨关节炎中IL-1、TNF-α表达的影响[J].中国骨质疏松杂志,2013,19(6): 568-571.

[9] 高润成,王志文,袁强,等.麝香乌龙丸对兔膝骨关节炎软骨组织形态及p38MAPK,Caspase-3表达的影响[J].中国实验方剂学杂志, 2013,19(11):228-231.

[10] 王桂芳,李晓君,杨栋慧,等.蚁龙通痹汤对兔膝骨关节炎软骨细胞凋亡调控基因表达的影响[J].中国实验方剂学杂志,2013,19(13): 246-250.

[11] 王兴桂,王政,郑曙光,等.苗药组方熏洗对家兔早期膝骨关节炎模型软骨细胞Bax、Bcl-2影响的实验研究[J].中华中医药杂志, 2014,29(2):632-635.

[12] 黄永明,潘建科,郭达,等.Ⅱ型胶原蛋白酶诱导SD大鼠膝骨关节炎模型的建立[J].广东医学,2015,36(8):1.

[13] 刘洪柏,侯晓东,张鸣生,等.低能量体外冲击波对实验性膝骨关节炎兔膝关节软骨的影响[J].广东医学,2013,34(22):3382-3385.

[14] 江晓兵,黄伟权,庞智晖,等.基于Mimics软件计算椎体强化术后椎体内骨水泥体积及骨水泥/椎体体积比的新方法[J].中国脊柱脊髓杂志,2013,23(3):238-243.

[15] 岳文峰,夏虹,王建华.骨水泥强化椎弓根螺钉固定对骨质疏松患者有利无弊?[J].中国组织工程研究,2013,17(17):3081-3088.

[16] 陈跃平,陈亮,高辉,等.骨水泥与非骨水泥型全膝关节假体置换效果的系统评价[J].中国组织工程研究,2013,17(17):3132-3139.

[17] 韩卫东,黄爱军,陈丽萍.注入骨水泥治疗胸腰椎骨质疏松性骨折:成熟技术中的常见问题[J].中国组织工程研究,2013,17(26): 4912-4918.

[18] 王诗军,邑晓东,李淳德,等. 经皮椎体成形中椎旁血管渗漏与骨水泥性肺栓塞[J].中国组织工程研究,2013,17(47):8275-8281.

[19] 胡妍文,王晓文,唐正海,等.微米级羰基铁粉磁性骨水泥的制备与表征[J].中国组织工程研究,2013,17(47):8155-8161.

[20] 王鹏,皮斌,王金宁,等.壳聚糖微球复合丝素基硫酸钙骨水泥的理化特性[J].中国组织工程研究,2014,18(12):1831-1838.

[21] 郭立燕,张雪文,翟敏,等.骨关节炎影响因素的1:1配对病例对照研究[J].中华疾病控制杂志,2012,16(8):651-653.

[22] 马春辉,阎作勤,郭常安,等.Ⅱ型胶原与Bcl-2在骨关节炎软骨细胞中的表达[J].中国矫形外科杂志,2012,20(19):1786-1789.

[23] 宋华伟,蒋毅,王东.骨水泥双动头治疗透析患者股骨颈骨折[J].现代仪器与医疗,2014,20(4):57-59.

[24] Veidal SS,Karsdal MA,Vassiliadis E,et al.MMP mediated degradation of type VI collagen is highly associated with liver fibrosis-identification and validation of a novel biochemical marker assay.PLoS One.2011;6(9):e24753.

[25] 江晓兵,黄伟权,庞智晖,等.基于Mimics软件计算椎体强化术后椎体内骨水泥体积及骨水泥/椎体体积比的新方法[J].中国脊柱脊髓杂志,2013,23(3):238-243.

[26] 秦毅,秦杰,江建明,等. PMMA骨水泥与BCC骨水泥对猪肺栓塞后血流动力学的不同影响[J]. 中国矫形外科杂志,2013,21(12): 1223-1227.

[27] 刘瑶瑶,代飞,孙东,等.不同量骨水泥强化新型空心椎弓根螺钉的体外生物力学研究[J]. 第三军医大学学报,2012,34(16): 1626-1629.

[28] 李卫平,蹇睿,胥方元.超声波治疗兔膝骨关节炎对MMP-1和MMP-13表达的影响[J]. 重庆医学,2012,41(16):1564-1566.

[29] 韦桂勇,黄剑,郑玲玲,等.筋骨痹痛丸对家兔膝骨关节炎模型软骨细胞凋亡及mmp-1表达的影响[J].时珍国医国药,2014,25(10): 2376-2378.

[30] 邓紫婷,周国庆,李荣亨,等.复元胶囊对晚期膝骨关节炎大鼠软骨中Ⅱ型胶原及基质金属蛋白酶1和3的影响[J].中国新药与临床杂志,2014,33(10):734-740.

引言

膝骨关节炎是膝关节部位软骨发生病变出现渐进性退变和骨质增生的慢性骨病，好发于中老年人，该病在中国的发病率在3%左右^[1]。膝骨关节炎的发病机制主要有软骨退变和软骨下硬化，但二者出现的先后顺序至今不清^[2]。一部分人认为软骨退变发生在软骨下硬化之前，软骨退变发展到一定程度后引发软骨下硬化[3]；但一部分人认为软骨下硬化发生于软骨退变之前，而且软骨下骨硬化病变加速了软骨的退变，他们认为关节面应力增加可促使骨小梁发生骨折，在骨小梁骨折愈合过程中软骨下骨密度显著增加，软骨下骨发生硬化，软骨下骨和软骨之间形成明显的硬度梯度，这种梯度反过来作用于软骨，导致软骨退变^[4]。
至今为止，膝骨关节炎的致病原因至今不清^[5-7]。滑膜炎在骨关节病中起到重要作用，已证明这一过程与膝骨关节炎组织中蛋白水解酶、金属蛋白酶活性增高密切相关，而与滑膜分泌的细胞因子白细胞介素1β、肿瘤坏死因子α等对金属蛋白酶和其他蛋白水解酶的合成起着重要调节作用^[8-9]。膝骨关节炎的病理变化包括组成关节的所有结构，软骨下骨小梁也包含其中，它们在关节软骨退变发生、发展过程中起到重要作用^[10]。膝骨关节炎患者的软骨下骨小梁数目增加，表现为骨密度增高，但间距下降，骨小梁刚度增加速度相对慢，反映了软骨下骨小梁转化率高，骨矿化率较低^[11]，这与骨质疏松的骨小梁结构有区别^[12]。通过对膝骨关节炎患者的肌力测试分析得出，患侧与健侧肌力差20%以上，而正常在10%以内^[13]，结合临床实践常发现骨关节炎患者的股四头肌和绳肌之力下降势必对下肢功能状态有影响，加重膝关节不稳定因素，而不稳定又会加重膝骨关节炎的病变程度，如此造成恶性循环^[14]。
聚甲基丙烯酸甲酯粉剂是普通骨水泥制作材料中必不可少的一种。聚甲基丙烯酸甲酯粉剂微粒的直径大小不一，范围在10-200 µm^[15]，可采用扫描电镜观察微粒的直径及其表面形貌，粒子呈规则球形，表面光滑，直径分散均匀。甲基丙烯酸甲酯液剂是一种无色透明的液体，气味较为刺激，脂溶性高，可溶于乙醇、乙醚等多种有机溶剂。甲基丙烯酸甲酯液剂的主要用途是有机合成和制备聚合物，主要是提高胶黏剂的黏接强度和稳定性。羟基磷灰石是构成人体硬组织的主要无机成分，占人骨无机成分的77%，齿骨中则高达97%^[16]。羟基磷灰石的理论密度为3.16 g/cm³，其理论组成为Ca₁₀(PO4)₆(OH)₂，化学计量Ca/P比为1.67^[17]，因为它与人体骨骼晶体成分、结构基本一致，所以其生物相容性、界面生物活性均优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料^[18-19]。羟基磷灰石种植体能诱导周围骨组织生长，与骨形成牢固的化学结合。但该生物陶瓷脆性高，抗折强度低，仅能应用于非承载的小型种植体，如人工齿根、耳骨、充填骨缺损等^[20-21]。
本实验应用合理的复合材料替代软骨下骨，诱发膝骨关节炎，观察膝骨关节炎的特征并探讨其发病机制。

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

材料方法

讨论

膝骨关节炎在中国60岁以上人群的发病率达到了80%^[22-23]，即使经过上百年的研究，人们至今仍然无法明确阐释膝骨关节炎发病的确切原因和致病机制。
本实验以兔作为动物模型，观察丙烯酸树脂骨水泥复合材料替代膝关节软骨下骨后对软骨关节炎的影响。植入到动物模型体内的复合材料需要具备两个基本的条件，一是该材料的强度和刚度需要明显大于软骨下骨；二是该材料植入体内后不会发生异物排斥反应，不会增加发生癌变和畸形的概率，其他生物学特点需与人体相似^[24]。由羟基磷灰石造成的磷酸钙骨水泥是一种非陶瓷型植入骨材料，其组成成分及结构和人体骨骼较为相近，在被植入人体后随着骨骼的愈合，它渐渐被人体吸收，而且其分解代谢产物钙和磷还可参与骨组织的再生^[25]，但磷酸钙骨水泥的不足之处在于其强度和刚度较差，抗压强度只是稍高于普通松质骨最大的抗压强度，而且该材料价格昂贵，医疗花费较高^[26]。丙烯酸树脂骨水泥是由聚甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯液剂混合构成的室温凝固剂。长时间临床实践已证实，丙烯酸树脂骨水泥的生物学特征较稳定，无致畸形、过敏和癌症的危险性，对人体损害不大^[27]。丙烯酸树脂骨水泥植入人体发生硬化后其可抵抗78-93 MPa的强度，但骨水泥凝固过程中可释放大量的热能，温度可达到 120 ℃，可杀死正常细胞导致周围组织坏死^[28]。本实验采用聚甲基丙烯酸甲酯和羟基磷灰石混合并按比例加入少量蒸馏水，可显著降低水泥在凝固过程中释放的热量，并一定程度稀释骨水泥凝固后释放的单体。压缩实验结果表明聚甲基丙烯酸甲酯/羟基磷灰石复合材料的极限强度和刚度均显著大于软骨下骨，满足构造膝关节骨性关节炎的要求。
关节软骨切线发生破坏后，软骨就没有了物理和化学屏障作用，在其下层的骨质损害速度明显加快。因为切线层的细胶原纤维中不含有细胞，故胶原的破坏量明显超过生成量，而且胶原分子很难从深层转移到浅层，所以膝骨关节炎初期软骨内胶原量即使高于正常关节软骨，但不可成为抗张力强的切线层胶原结构，这可能是软骨退变的主要原因^[29]。有研究报道，骨关节炎软骨中基质金属蛋白酶1高水平表达，软骨分解代谢的速度较快，说明基质金属蛋白酶1在膝骨关节炎发病过程中起到重要作用[30]。基质金属蛋白酶1可以直接分解软骨基质中的Ⅱ型胶原，它主要与Ⅱ型胶原上的基质金属蛋白酶裂解位点结合，分解代谢成片段，失去原本的生物功能。本研究中基质金属蛋白酶1的灰度值组间比较显示，空白对照组> 实验A组> 实验B组> 实验C组>实验D组(P < 0.05)，说明空白对照组基本没有基质金属蛋白酶1的表达，实验组基质金属蛋白酶1在第6周后表达量逐渐增加，说明动物造模成功后第6周基质金属蛋白酶1开始增多，第9周显著增加，且其后随着时间的增加而持续增多。

白细胞介素1 β可抑制软骨细胞合成Ⅱ型胶原，促进Ⅰ和Ⅲ型胶原合成，造成软骨细胞变性，它还可促进NO释放而促使软骨细胞死亡。肿瘤坏死因子α与白细胞介素1β之间具有协同作用，刺激软骨细胞分泌NO，促进软骨细胞发生凋亡。据报道，膝骨关节炎发病过程中白细胞介素1β和肿瘤坏死因子α等细胞因子水平明显增加，且与本文结果一致。
综上所述，采用硬度大于兔胫骨平台内软骨下骨的复合材料替代软骨下骨，能够引发兔膝骨关节炎，并且会导致基质金属蛋白酶1及细胞因子水平的升高。

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