n-HA/PA66对损伤胸腰椎骨生物力学属性的恢复效果研究

沈伟，林峰，蒋雪梅

（1.重庆大学，生物流变科学与技术教育部重点实验室，生物工程学院，重庆 400030；2.北京大学，工学院力学与工程科学系，北京 100871）

n-HA/PA66对损伤胸腰椎骨生物力学属性的恢复效果研究

沈伟1，林峰2，蒋雪梅1

（1.重庆大学，生物流变科学与技术教育部重点实验室，生物工程学院，重庆 400030；2.北京大学，工学院力学与工程科学系，北京 100871）

目的 研究经伤椎椎弓根植入纳米羟基磷石灰/聚酰胺（nanohydroxyapatite/polyamide-66, n-HA/PA66）复合人工骨粒对损伤胸腰椎体的生物力学属性恢复效果，探究其临床应用价值。方法 选取10具人体T12-L2节段脊柱标本，将其随机平分为两组：自体松质骨组（Cancellous Bone, CB）与n-HA/PA66 (NHP)组。椎体损伤后经椎弓根植入上述填充物，并自主设计夹具，利用万能试验机在轴向、前屈、后伸及侧弯四个方向测试椎体功能段T12-L2的刚度与椎体L1的应变。结果 研究结果发现，与CB组相比，NHP组在轴向、前屈及侧弯方向上重建椎体刚度显著增加（p＜0.05），椎体L1应变显著降低（p＜0.05），表明NHP能较好的恢复损伤椎体的生物力学属性。结论 n-HA/PA66骨替代物比松质骨能更好的恢复损伤胸腰椎骨的生物力学性质，具有一定的临床应用价值。

生物力学；n-HA/PA66；自体骨移植；胸腰椎骨折

引言

近年来，胸腰椎骨折的发病率呈逐年增高趋势，已成为临床治疗与科学研究的热点[1]。然而，目前在很大程度上还无法彻底治愈，其原因是因无法对损伤的椎骨进行修复，特别是生物力学属性的修复。已有的治疗系统，如椎弓根钉系统，虽能通过椎体的高度复位能有效地实现骨折复位和即刻稳定，但因骨缺损导致系统力学属性未彻底恢复而引起后期校正角度丢失、断钉等一系列内固定失败问题[2]。鉴于此，Daniaux 等人结合椎弓根螺钉固定系统与自体松质骨移植来治疗椎骨骨折[3,4]，达到了较好的治疗效果，但具体的功能指标，特别是生物力学属性，并没有得到很好的阐述。

虽然骨移植较好的治疗了骨折，但其数量有限且具有潜在并发症，近年来已研发出多种用来重建椎体、恢复缺损的骨功能的骨替代物[5]。例如，仿生自然骨成分（磷灰石、胶原）的生物材料，包括，羟基磷灰石（Hap）和聚酰胺66（PA66）[6-8]。由于羟基磷灰石是骨和牙齿的主要无机钙磷酸盐矿物成分，且聚酰胺66具有和骨胶原类似的酰胺键和羧基等特殊化学键，因此用羟基磷灰石和聚酰胺66 (n-HA/PA66)的混合材料较单一材料更能满足自然骨的特性。李玉宝等人混合纳米羟基磷灰石和聚酰胺制备了骨替代材料n-HA/ PA66，具有良好的骨传导性和仿生性能，已应用于临床椎体重建手术[9,10]。

重建效果的一个重要指标是重建椎体与正常椎体的力学属性是否相近[11,12]。因此为了评价n-HA/PA66的重建效果，本文选取10具人类脊椎节段T12-L2通过一系列生物力学测试，评价n-HA/PA66复合人工骨粒与自体松质骨骨粒对损伤椎体的生物力学属性修复的差异性，为n-HA/PA66复合材料的临床应用提供体外修复实验的力学属性恢复证据，更好地指导其临床研究与应用。

1 材料和方法

1.1 标本制备

选取10具无骨折、畸形、肿瘤等疾患的成人尸体脊柱标本，随机分成两组（自体松质骨组（CB组），n-HA/PA66组（NHP组）。截取T12-L2节段，保留所有椎间韧带和关节囊，剔除椎骨的椎旁肌、脂肪和结缔组织。将椎体T12和 L2包埋于表面平整的正方体自凝牙托粉模具中，使椎体L1位于正中。将处理好的标本用双层塑料袋密封，放入-20°C 冰柜中保存待用，实验前将其逐级解冻直至恢复至室温。

1.2 骨折模型建立

据文献报道[13]，由以下步骤构建胸腰椎骨折模型:

1. 椎体的预损伤处理：用直径为2 mm的钻头在标本椎体L1的前部打3-4个孔；

2. 椎体损伤处理：用摆锤冲撞试验机（型号JB-300）以5 m/s冲撞速度和30?摆角落锤正向冲击预损伤的标本，制造椎体前中柱骨折；

3. 形态上鉴定骨折模型。

1.3 损伤椎体重建

骨折后，通过手术的办法经椎弓根植入法对损伤的椎体后伸撑开植入自体骨或复合人工骨。CB组植入取自棘突和椎板的松质骨骨粒，大小约为3 mm×3 mm× 3 mm；NHP组植入由四川国纳有限公司提供的n-HA/PA66复合人工骨粒，直径约为1000-4000 nm。

1.4 生物力学属性测试

1. 标本预处理：椎骨损伤前后剔除表面肌肉露出坚硬的骨组织，在椎体L1的待测部位用氰基丙烯酸盐粘合剂粘贴应变式传感器，随后将标本置于特制夹具中（如图1所示），在万能材料试验机Instron 1011上进行生物力学属性测试；

2. 生物力学属性测试：椎骨损伤前及重建修复后都采取相同的实验方案采集椎骨生物力学属性参数。首先在试验机上设置50 N的最大载荷，以1 mm/min的轴向位移速率预加载椎体三次，每次加载间隔60秒，消除骨松弛和蠕变的影响。随后设置500 N的最大载荷，以1 mm/min的轴向位移速率在轴向、前屈、后伸、及左/右侧弯等四个对损伤前及重建后的椎体进行力学加载，用Instron试验机自带的PC系统及自编软件分别实时记录标本的载荷-位移与椎体L1应变，每秒采集10个数据点，各方向上重复加载五次。

图1 特制钢夹具用于施加不同方向的载荷Fig. 1 Steel fixture was specially designed for the application of loads

1.5 数据分析

采用第五次加载所采集的数据进行计算分析。椎体标本的刚度由载荷-位移曲线的斜率所得，椎体L1段的应变由最大载荷500 N时应变片的应变所得。所有数据都采用Origin 8.5数据处理软件进行统计分析，用t检验分析两组间的显著性差异，p＜0.05为具有统计性差异。

2 实验结果

2.1 椎体骨折损伤

本实验利用摆锤冲撞试验模拟意外伤害等情况损伤椎体，成功构建椎体骨折损伤模型。图2所示的是经摆锤冲撞机损伤的椎体，由图可知，冲撞实验破坏了椎体预损伤部位，使得椎体完整性及连续性遭到破坏，符合椎体骨折损伤的指标，证明本实验成功损伤了椎体可用于后续研究。

图2 骨折后椎体L1节Fig.2 Fractured vertebral body L1

2.2 自体骨及n-HA/PA66对损伤椎体刚度恢复的影响

评价椎体重建效果的重要指标之一是刚度，一般情况下，刚度越大椎体抵抗变形的能力越强即稳定性越好，表明重建效果较优。本实验在体外模拟在体情况四个方向的运动，实施轴向、前屈、后伸及左/右侧弯压缩，测量椎体功能节段T12-L2的形变，进而表征椎体的刚度。结果如表1所示，与完整对照组相比，在四个方向上CB组及NHP组的椎体刚度都未完全恢复到正常状态。利用重建后椎体刚度与损伤前椎体刚度的相对比值作为评价椎体修复效果的力学指标，结果如图3所示。由结果可知，与CB组相比，NHP组在轴向、前屈、后伸及左/右侧弯压四个方向上的刚度恢复都显著提高（分别是57%：48%，60%：53%，78%：75%，87%：77%，p＜0.05），表明n-HA/PA66复合人工骨粒对重建椎体的刚度恢复具有较好效果。

表 1 功能节段T12-L2的刚度(N/mm,±s)Tab.1 Stiffness of segment T12-L2 (N/mm,±s)

表 1 功能节段T12-L2的刚度(N/mm,±s)Tab.1 Stiffness of segment T12-L2 (N/mm,±s)

图 3：n-HA/PA66和松质骨植骨组功能节段T12-L2的刚度相对完整标本刚度的百分比。CB=自体松质骨填充，NHP= n-HA/PA66复合人工骨粒填充。＊p＜0.05, n=5Fig.3: Stiffness of the functional units T12-L2 after cancellous bone grafting and n-HA/PA66 grafting (percentage to intact). NHP= Transpedicular n-HA/PA66 grafting. CB= Transpedicular cancellous bone grafting. ＊p＜0.05, n=5

讨论

本研究的主要发现是，骨替代混合材料n-HA/PA66能较好的恢复重建椎体的生物力学属性，包括增加椎体功能节段T12-L2的刚度，降低椎体节段L1的应变，都表现为重建椎体的生物力学性质增强，椎体的稳定性增高，提高损伤椎体重建的效果。为n-HA/PA66骨替代材料的临床治疗应用提供体外水平的生物力学属性恢复证据，将更好的指导其应用。

据报道[14]，目前主要有三种用于建立胸腰椎骨折模型的方法：1） 摆锤冲击模型：操作简便且较易实现但其重复性差且易造成标本其他部位不同程度的损伤；2）椎间盘切除术：Hsiang-Ho等于2004年使用该方法模拟爆裂性骨折，但该方法与临床情况差距较大[15]；3）先用电钻处理椎体造成预损伤，再用冲击试验机或材料试验机压缩产生骨折[13,16]。通过该方法，比单独使用冲击试验能更好的控制创伤位置与损伤程度，且比椎间盘切除术更切合实际。因此，本研究主要采用方法3建立胸腰椎骨折模型，不仅椎体损伤范围接近实际情况且重复性较高，较好地模拟了椎体损伤情况，为后续实验奠定基础。

骨替代材料n-HA/PA66已广泛应用于骨科疾病创伤后重建的临床治疗手术中[17]，相比于其他骨替代材料，n-HA/ PA66有较好的仿生功能、理化特性，且能更好地改善损伤或丢失的骨功能[8,18]。因此本研究主要比对了n-HA/PA66与自体松质骨对损伤椎体重建后生物力学属性的恢复情况，探究n-HA/PA66的临床应用价值。与以往的研究相比（模拟脊柱生理状态运动），本研究自主设计加载组件，通过简化夹具减少了人工计算误差，且适用于水平比较[12,19]。并利用Instron材料试验机模拟生理运动，分别测量轴向、前屈、后伸及侧弯四方向上重建椎体的刚度及应变恢复情况。结果表明，n-HA/PA66组在轴向、前屈及侧弯方向上较自体松质骨组能更好的增加损伤椎体的刚度以及降低应变，增强重建椎体的生物力学属性，在后伸上没有显著性差异。后伸上没有差异性有点，但不完全让人惊讶，因为椎体的运动是多因素多层次的力学运动过程，或许这个结果挺重要的，但是超出了本研究关注的重点。

目前为止，经椎弓根植骨手术虽已取得较好的临床治疗效果，但其在防止矫正角度丢失及生物力学属性恢复等方面还存在争议性[20,21]。例如，Ebelke等研究发现经椎骨增强术的病人22个月后幸存率达100%[22]。然而，Knop等研究发现经椎弓根植入松质骨填充术的有些病人36个月后校正角度丢失10.1[23]。矫正角度的丢失可能是由于松质骨生物力学强度不足导致，本研究的结果也发现单独的n-HA/PA66填充不能达到正常脊柱的生物力学属性，因此后期研究与临床治疗必须辅以前路固定器械等来固定和强化椎体。

结论

本文给出了n-HA/PA66复合人工骨粒对损伤胸腰椎体的生物力学属性恢复效果的数据：通过轴向、前屈、后伸及侧弯四个方向的测试发现，与CB组相比，NHP组在轴向、前屈及侧弯方向上重建椎体刚度显著增加（p＜0.05），椎体L1应变显著降低（p＜0.05），表明NHP能较好的恢复损伤椎体的生物力学属性。表面n-HA/PA66骨替代物比松质骨能更好地恢复损伤胸腰椎骨的生物力学性质，呈现一定的临床应用价值。但其也不能达到正常脊柱的生物力学强度，因此也有待进一步的研究。

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The E ff ects of n-HA/PA66 in Biomechanical Properties of Injured Thoracolumbar Vertebrae

Shen Wei1, Lin Feng2, Jiang Xuemei1
(1.Key Laboratory of Biorheological Science and Technology, Chongqing University, Chongqing, 400030, China; 2.Department of Mechanics and Engineering Science, College of Engineering, Peking University, 100871, Beijing)

In this paper, the e ff ects of n-HA/PA66 as the transpedicular graft material in biomechanical properties in treating thoracolumbar fractures was addressed, and investigated the value of clinic application. Methods: Ten T12-L2 vertebrae were harvested from human cadavers and randomized devided into two groups: Cancellous Bone (CB) and n-HA/PA66 (NHP). Implant the graft material after vertebral injure, measured the sti ff ness of functional units (T12-L2) and strain of L1 by the use of self-designed fi xture and material testing machine. Results: Our results show that, compared to CB, the sti ff ness of T12-L2 was signi fi cantly increased in NHP (p＜0.05), and the strain of L1 was signi fi cantly decreased (p＜0.05), demonstrating that NHP can better recover the biomechanical properties of injured vertebra. Conclusions: n-HA/PA66 is better than cancellous bone in mechanics for reconstruction of thoracolumber fractures, having some clinical value. However, n-HA/PA66 grafts alone can not recover the biomechanical properties of injured vertebra to that of intact vertebrae, so further studies are needed.

Biomechanics; n-HA/PA66; Autogenous bone; Thoracolumbar fracture

G804

A

10. 11967/ 2017150105

G804

A DOI：10. 11967/ 2017150105

国家自然科学基金青年基金（编号：31400805)

蒋雪梅（1979年），女，副教授，主要研究方向：生物力学与流变学方向，及药物分析方向。E-Mail: jiangxuemei@cqu.edu.cn.