高温高压灭活自体骨材料修复骨缺损

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015. 47.003

摘要/Abstract

摘要：

背景：采用自体瘤骨灭活再植修复骨肿瘤切除后骨缺损具有明显优势，在其应用前主要采用水煮、乙醇浸泡、低温冷冻、微波、放射等灭活，但均有不足之处。
目的：观察高温高压灭活自体骨修复大段骨缺损的效果与可行性。
方法：建立新西兰大白兔双侧桡骨远端骨缺损，右侧以高温高压灭活自体骨原位再植修复，作为实验组；左侧以自体骨原位再植修复，作为对照组。术后6，12，24周进行双侧桡骨大体观察、X射线检测、骨放射性核素扫描检测及组织学检查。
结果与结论：术后24周时，X射线显示两组均为正常骨愈合。术后24周骨放射性核素扫描检测显示，实验组修复骨段放射不均，两端浓聚仍稍高，中间减低，对照组接近正常。术后24周组织学观察显示，实验组缺损处大部分为骨小梁，部分编织骨不成熟，与对照组术后12周时的表现相类似；对照组基本为正常骨质。表明高温高压灭活自体骨可用于修复长段骨缺损，但存在延迟骨愈合。
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, 自体骨, 骨缺损, 高温高压, 灭活, 骨修复

Abstract:

BACKGROUND: Inactivated autologous replantation in repair of bone defects after bone tumor resection has obvious advantages. Boiling, alcohol soaking, cryogenic freezing, microwave, radiation and other methods have been used for inactivation; however, they all have shortcomings.

OBJECTIVE: To study the effect and feasibility of high temperature and high pressure inactivated autologous bone in repair of large segmental bone defects.

METHODS: Bone defect models of bilateral distal radius were established in New Zealand white rabbits. Bone defect at the right side was repaired by high temperature high pressure inactivated autologous bone via in situ replantation, as experimental group. Bone defect at the left side was repaired by in situ bone replantation, as control group. The general observation of bilateral radius, X-ray detection, bone radionuclide scan test and histological examination were conducted at the 6^th, 12^th and 24^th weeks after surgery.

RESULTS AND CONCLUSION: At the 24^th week after surgery, X-ray films showed normal bone healing in these two groups. At the 24^th week after surgery, bone radionuclide scan test showed that in the experimental group, the radiation on the repaired bone segments was uneven; the concentrations of nuclear elements were still slightly higher on both ends, but decreased in the middle area; and the concentration in the control group was closed to normal. At the 24^th week after surgery, histological observation showed that there were a majority of trabecular bone tissues in the bone defect area of the experimental group, and some woven bone tissues were immature, which was similar to the performance of the control group at the 12^th week after surgery; and normal bone was visible in the control group. These results demonstrate that high temperature and high pressure inactivated autologous bone can be used to repair long segmental bone defects, but can result in delayed bone healing.
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

Key words: Bone Transplantation, Radius, Tissue Engineering

朱夏，吴朝阳，林建华. 高温高压灭活自体骨材料修复骨缺损[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(47): 7556-7560.

Zhu Xia, Wu Zhao-yang, Lin Jian-hua. High temperature and high pressure inactivation of autologous bone for bone defect repair[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2015, 19(47): 7556-7560.

图/表（结果） 4

2.1 实验动物数量分析所有动物至实验结束时均存活，切口正常愈合，未见明显感染，手术部位未见明显畸形及异常活动，行走步态大致正常。

2.2 大体标本术后6周，双侧桡骨缺损两端均可见明显骨痂形成，实验组见大量肉芽组织黏附灭活骨表面，周围血运丰富；对照组骨痂及肉芽样组织均较少。术后12周，双侧桡骨缺损处骨质与周围骨质外观上基本相同，新骨形成明显。术后24周，两组在外观上均为正常骨质，断端呈现坚强骨性愈合，大体形态一致，见图1。

2.3 X射线检查术后6周，双侧桡骨缺损处两端均可见明显骨痂形成，实验组断端骨痂较对照组多。术后12周，对照组桡骨缺损处骨质与周围骨质连续，骨密度基本相同；实验组骨缺损处仍有部分骨痂，密度稍高。术后24周，实验组与对照组均为正常骨愈合，见图2。

2.4 骨同位素检查术后6周，双侧缺损修复区均表现为高于宿主骨端的放射性浓聚，实验组比对照组在修复两侧端的骨浓聚更明显。术后12周，双侧缺损修复区两端仍然放射性浓聚，但实验组修复区中段可见放射性减低区。术后24周，实验组修复骨段放射不均，两端浓聚仍稍高，中间减低；对照侧接近正常，见图3。

2.5 组织学检查术后6周，双侧桡骨缺损处两端均可见明显纤维性骨痂形成，实验组断端骨痂较对照组多，内为大量淡蓝色软骨样基质及软骨细胞；对照组可见大量骨小梁。术后12周，实验组缺损处大量淡蓝色软骨基质被粉红色骨样基质代替，但结构不清；对照组缺损处大部分为骨小梁，部分编织骨不成熟。术后24周，实验组组织学表现与对照组12周时的表现相类似，对照组基本为正常骨质，见图4。

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引言

随着新辅助化疗的广泛开展，好发于青少年的恶性骨肿瘤治疗水平及5年生存率有了明显提高，术后5年无瘤生存率达到70%以上。随着生存率的提高，保肢手术和保肢率也显著提高，如何最大限度地保留和恢复患者肢体功能，减少保肢术后并发症，已成为临床的热点^[1-3]。

骨肿瘤切除后骨缺损的修复重建是临床难题，尤其是下肢负重长骨。早在20世纪70年代开始，就有用乙醇灭活瘤段骨再植^[4-8]、异体半关节置换等^[9-20]，但临床效果不佳；近年来人工假体的进展给重建手术带来极大的便利，但使用寿命不长，一般5-10年要进行翻修，存在不可避免的远期并发症^[1-2^，^11]。如何获得即刻的解剖重建，增加人工假体与宿主骨的受力面，尤其是减少瘤段假体置换后的力臂剪力问题，延长假体使用年限，仍然是临床上面临的难题。复合人工假体能较大程度改善以上问题，异体骨和自体瘤骨灭活复合人工假体是临床常用的方法，同种异体骨存在来源困难、处理复杂、存在着免疫排斥反应和传播疾病的可能、影响伤口愈合等缺点。自体瘤骨灭活再植具有明显优势：利用切除的“废弃”组织结构重建功能；不依赖大型的医用骨库；灭活技术简单，适于所有地区的医院使用；不存在免疫排异和传播疾病问题；成本低。据报道已有多种灭活方法，如水煮、乙醇浸泡、低温冷冻、微波、放射等^[21-22]，但均有不足之处，如乙醇浸泡后容易在肿瘤表面形成变性隔离层，无法渗透到深部肿瘤组织，其灭活深度仅为2 mm左右，所以肿瘤复发率高；水煮灭活、微波和低温灭活法灭瘤及灭菌的效果均不佳，复发、感染概率高，且灭活时间较长，在30 min以上，放射灭活时间在 50 min^[22-25]，且对设备有一定要求，无法在临床上广泛应用。高温高压法灭菌灭瘤彻底，灭活时间短，不存在排异反应^[26-27]。采用高温高压法灭活后的自体骨复合人工假体重建骨缺损，并发症少，复发率低，可延长假体使用寿命，但用高温高压法灭活的瘤段骨在骨愈合方面的实验鲜见文献报道。

本实验建立兔桡骨远端骨缺损动物模型，应用自体桡骨高温高压灭活后原位再植，观察灭活骨在动物体内的转归情况，为临床上自体瘤骨灭活后的应用提供实验基础。
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

骨恶性肿瘤切除后骨缺损的修复仍然是临床难题和热点，尤其是负重的下肢大段骨缺损，临床常用的方法有自体瘤段骨灭活原位再植、异体骨移植、人工假体重建及人工复合假体重建。自体瘤段骨灭活原位再植有关节功能差、骨不连、骨折等缺陷，异体骨移植存在排斥、感染及来源

有限等缺点；人工假体置换可获得良好的功能，其优点是可立即恢复骨骼稳定性及关节活动，主要缺点是远期无菌性假体松动和断裂，假体与宿主间固定力臂长致假体松动和断裂翻修率较高，翻修年限短^[1-3^，¹¹^，^24-25]。应用复合型人工假体重建为临床所重视，主要应用于大段或关节周围肿瘤切除后骨缺损的修复，其重建方式是通过灭活部分质量良好的瘤骨与人工假体复合重建骨缺损^[3-5^，⁸^，^26]。应用现代骨水泥技术早期使人工假体与宿主骨之间坚强固定，恢复患肢活动，近期疗效满意。灭活骨要达到以下要求才有意义：瘤骨彻底灭瘤，回植无菌，能成活并与宿主骨连接。据报道已有多种灭活方法：水煮灭活、乙醇灭活、微波灭活、低温灭活^[4-8^，^28-29]、放射灭活等^[21-23]，均有不足之处。高温高压法可达到以上灭活骨回植的要求^[27]，又能克服其他方法的不足，但在骨愈合方面的实验研究未见文献报道。因此本实验设计应用自体桡骨高温高压灭活后原位再植，灭活方法为高温125 ℃、高压205.8 kPa持续灭活5 min，就达到临床消毒灭菌(包括灭瘤)的条件，在较为稳定的环境下观察灭活骨在动物体内的转归情况，为临床上自体瘤骨灭活后的应用提供实验基础。新西兰大白兔1 cm的桡骨中段骨缺损无法通过自身修复形成骨愈合，必须通过骨移植或其他方式重建，常作为骨不连或骨缺损的动物模型。在本实验中发现，动物桡骨中段骨缺损1 cm通过原位骨移植，12周后基本可达到骨愈合，部分修复已形成髓腔再通；而通过灭活骨移植后12周，移植物两端可见明显的骨愈合，但中段仍为死骨及无菌性炎症反应，至24周基本达到愈合。

骨愈合过程中有两种机制参与，骨诱导机制和骨传导机制^[28]。骨诱导机制为灭活骨存在大部分骨诱导因子如多种骨形态发生蛋白成分，诱导间充质干细胞向成骨及软骨细胞分化。Sato等^[29]认为骨形态发生蛋白耐热性高，170 ℃、10 min和140 ℃、30 min加热处理后仍具有诱导活性；骨传导机制为既往的“爬行替代”学说，也就是发挥移植骨的支架作用，灭活骨与宿主骨髓腔相通，宿主骨髓可进入灭活骨髓腔内获得早期成骨能力。在本实验中观察到灭活骨移植后6周，移植物内可见大量淡蓝色软骨样基质及软骨细胞；术后12周，缺损处为大量淡蓝色软骨基质被粉红色骨样基质代替，结构不清，与骨诱导机制相吻合；而12周移植物两端可见明显的骨愈合，但中段仍有部分死骨和无菌性炎症反应，符合骨传导愈合机制，两种机制可能均参与灭活骨的骨愈合。

以上结果表明高温高压灭活骨在体内可用于骨缺损修复，与其他法灭活骨一样会出现骨延迟愈合，但本法灭活时间短，缩短了手术时间。
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