梁青福，王翀，蒋昆利，秦旭栋，王俊江，田征*(1．新疆医科大学，新疆乌鲁木齐　830054;．新疆医科大学第一附属医院骨科中心，新疆乌鲁木齐　830054)



关节软骨下骨缺损植入不同填充物对关节软骨早期组织形态的影响

梁青福1，2，王翀2，蒋昆利2，秦旭栋2，王俊江2，田征1，2*
(1．新疆医科大学，新疆乌鲁木齐830054;2．新疆医科大学第一附属医院骨科中心，新疆乌鲁木齐830054)

摘要:目的研究关节软骨下骨缺损行骨移植或骨水泥修复后，关节软骨的早期组织形态学改变。方法32只新西兰大白兔，随机分为A、B、C、D四组，在胫骨内侧髁距胫骨平台关节面5 mm处，模拟临床膝关节周围良性骨肿瘤局部病灶刮除术，建立关节软骨下骨缺损动物模型，分别填充不同材料修复骨缺损(A组自体髂骨、B组骨水泥、C组骨水泥联合自体髂骨、D组空白对照)。术后4周取造模侧胫骨平台关节软骨行大体观察、HE染色组织学观察，观察关节软骨的早期形态学改变。同时将各组组织学观察结果行软骨退变的病理学Mankin评分，并行统计学分析。结果大体观察:A组与正常关节软骨接近，关节软骨表面光滑平整，浅蓝白色，无裂纹、糜烂及溃疡形成;B组表面粗糙，苍白或灰黄色，滑膜增生，部分有骨赘及软骨塌陷形成;C组表面光滑，发黄，滑膜增生;D组关节软骨表面光滑，颜色较A组稍深，基本与A组相似。组织学HE染色观察:A组6例正常，2例表现为早期退变，Mankin评分为(0．875± 1．642)分;B组7例表现为中期退变，1例表现为早期退变，Mankin评分(6．875±0．991)分;C组6例表现为早期退变，2例正常，Mankin评分为(3．250±2．053)分;D组5例表现正常，3例表现为早期退变，Mankin评分为(1．500± 2．138)分。A组与D组间及A组与C组间差异无统计学意义(P＞0．05)，B组与A组间及B组与C组间差异有统计学意义(P＜0．01)。结论在关节软骨下骨缺损程度相同的情况下，自体骨对早期关节软骨的影响最小，骨水泥加重关节软骨的损伤，骨水泥与关节软骨间填充部分自体骨可减轻或延缓骨水泥对关节软骨的损伤。

关键词:关节软骨;软骨下骨;骨缺损;骨移植;骨水泥

四肢良性骨肿瘤，尤其骨巨细胞瘤，以膝关节周围长骨的骨端或干骺端最为常见，且软骨下骨常有不同程度的受累和破坏。目前，临床上针对良性骨肿瘤手术治疗方式主要包括病灶切除术和病灶刮除术［1-2］。病灶切除术切除肿瘤较彻底、局部复发率低，但存在手术创伤较大、术后骨不连发生率高等缺点［3］。相对病灶切除术而言，病灶刮除术虽然复发率较高，但具有降低术后并发症、保留相邻关节功能等优点［4-5］。同时为降低肿瘤局部复发的发生率，将肿瘤病灶刮除至正常骨质后，再用磨钻沿瘤腔各方向扩充1～2 cm［6-7］，导致在行关节周围肿瘤病灶刮除术时常伴随部分软骨下骨缺损。临床上针对病灶刮除后的骨缺损常通过骨移植或骨水泥进行修复。本实验拟以膝关节周围良性骨肿瘤为例，通过动物实验建立膝关节周围良性骨肿瘤行病灶刮除后关节软骨下骨缺损的动物模型，应用自体髂骨、骨水泥、骨水泥联合自体髂骨修复骨缺损，术后4周取造模侧胫骨平台关节软骨进行大体观察、HE染色组织学观察，观察关节软骨的早期组织形态学改变。从而为临床上关节周围的良性骨肿瘤行病灶刮除术后早期预防关节软骨的损伤、保留邻近关节功能、植入物的选取等，提供理论依据和新的有效方法。

1资料与方法

1．1实验动物及材料本研究通过新疆医科大学第一附属医院伦理委员会审核(伦理审批号:IACUC20150423-04)，32只新西兰大白兔由新疆维吾尔自治区实验动物研究中心提供(许可证号:SCXK(新)2011-0001)，体重2．5～3．0 kg，雌雄不限。实验在新疆医科大学动物实验中心完成。实验动物随机分为4组，每组8只。复合饲料喂养(饲料由新疆医科大学第一附属医院动物实验中心提供)，饲养温度20～25℃，湿度65%。组织病理切片染色由新疆医科大学第一附属医院病理科完成，丙烯酸树脂骨水泥由天津市合成材料工业研究所有限公司提供。

1．2实验方法戊巴比妥钠(30～50 mg/kg)麻醉后，手术区域备皮、消毒、铺无菌单，右后肢胫骨内侧髁距胫骨平台关节面约5mm处用装有克氏针的电钻开一0．5 cm×1．0 cm的骨窗，然后可用刮勺刮除及磨钻打磨直到软骨下骨表面光滑亮洁肉眼看不见骨凹陷为止。填充不同的材料修复骨缺损，其中新鲜自体髂骨组标记为A组，骨水泥组标记为B组，关节软骨与骨水泥间铺部分自体髂骨组标记为C组，D组不植入任何材料，作为空白对照组。充填确实后，缝合切口，石膏外固定膝关节保持屈曲60°位4周。术后常规给予青霉素80万单位/只，1 d 2次肌肉注射，连用3 d，预防感染。各组动物均于术后4周处死，取造模侧胫骨关节软骨进行大体观察，HE染色组织学观察。

1．3观察指标

1．3．1大体观察关节软骨表面是否光滑，关节面色泽，关节软骨面有无塌陷、溃疡及骨赘形成等。

1．3．2 HE组织学观察造模侧胫骨平台处关节软骨行常规固定，脱钙，石蜡包埋，切片，HE染色，在光学显微镜下观察。依据骨关节炎组织病理学分级评分Mankin法中的结构、细胞、异染性及潮线的完整性进行关节软骨的病理评分［8］。其中1～5分为早期，6～9分为中期，10～14分为晚期。

1．4统计学处理病理学Mankin评分采用SPSS19．0统计分析，统计描述用(±s)表示。若各组数据服从正态分布以及方差齐性等特点，采用完全随机设计资料的方差分析;若各组数据不服从正态分布以及方差齐性等特点，采用Mann-Whitney U秩和检验。以P＜0．05为差异具有统计学意义。

2结　　果

2．1大体观察a)A组与正常关节软骨接近，关节软骨表面光滑平整，浅蓝白色，无裂纹、糜烂及溃疡形成;B组关节软骨表面粗糙，苍白或灰黄色，滑膜增生，部分有骨赘及软骨塌陷;C组关节软骨表面光滑，发黄，滑膜增生，无骨赘及软骨塌陷;D组关节软骨表面光滑，颜色较A组稍深，基本与A组相似。

2．2 HE染色组织学观察A组表层光滑、平整，软骨细胞分布均匀，序列整齐，层次清楚，部分有软骨细胞减少，潮线完整，基质染色正常，Mankin评分为(0．875±1．642)分(见图1);B组软骨表层不平整，偶见浅层裂隙，可见软骨表层纤维化，簇集的软骨细胞增加，基质染色中度减少，潮线不规则，Mankin评分为(6．875±0．991)分(见图2);C组软骨表层清楚，软骨细胞减少，偶见软骨表层纤维化，基质染色轻度减少，潮线正常，Mankin评分为(3．250±2．053)分(见图3); D组表层光滑、平整，软骨细胞分布均匀，序列整齐，层次清楚，细胞数量稍减少，偶有簇集软骨细胞，潮线完整，基质染色部分轻度减少，Mankin评分为(1．500±2．138)分(见图4)。由于本文A、B、C、D四组数据明显不服从正态分布以及方差齐性等特点，故使用Mann-Whitney U秩和检验的方法来检验各组之间的得分是否存在显著性差异。自体骨组与空白对照组间Mankin评分差异无统计学意义，骨水泥与骨水泥联合自体骨间及骨水泥与空白对照组间Mankin评分差异有统计学意义。

图1　自体骨术后4周HE染色(HE，×20)

图2　骨水泥术后4周HE染色(HE，×20)

图3　骨水泥联合自体骨术术后4周HE染色(HE，×20)

图4　空白对照组术后4周HE染色(HE，×20)

Kolmogorov-Smirnov正态性检验，A组:检验统计量为0．453，P=0．000;B组:检验统计量0．300，P=0．032;C组:检验统计量0．393，P=0．001;D组:检验统计量0．384，P= 0．001;在5%的显著性水平下，A、B、C、D四组数据的分布形态均不服从正态性假定。

方差同质性检验，Levene统计:2．883;df1:3;df2:28;显著性:0．053。Levene方差同质性检验统计量为2．883，显著性P值为0．053。故在5%的显著性水平下认为A、B、C、D四组数据的方差是相等的。

术后4周各组病理学Mankin评分比较，A组为(0．875 ±1．642)分，B组(6．875±0．991)分，C组(3．250±2．053)分，D组(1．500±2．138)分。A组与B组比较，Z=－3．480，P1=0．000;A组与C组比较，Z=－2．284，P2=0．038;A组与D组比较，Z=－0．640，P3=0．645;B组与C组相比较，Z=－3．320，P4=0．000;故在5%的显著水平下，与自体骨组比较，P2＞0．05，P3＞0．05;与骨水泥组比较，P1＜0．01，P4＜0．01。

3讨　　论

软骨下骨对关节软骨起着支撑的作用，其完整性与否决定着关节面的平滑及关节功能。若软骨下骨破坏严重，关节面会失去软骨下骨的支撑而发生关节面塌陷、骨折、关节退变等［9］。故邻近关节的良性骨肿瘤在行病灶刮除术时，若刮除大量软骨下骨，将会明显增加关节软骨退变发生率。大量研究认为，关节软骨退变的发生与软骨下骨缺损的面积大小、厚度、术后固定时间等有关。Chen等［10］研究发现，若软骨下骨破坏面积与整个软骨下骨面积的比值超过40%，则术后关节软骨退变的发生率将明显增加。Flanigan等［11］进一步研究结果表明，当股骨远端软骨下骨缺损面积小于0．97 cm2时不会发生关节软骨面塌陷，若单纯位于外侧髁的软骨下骨缺损面积大于1．61 cm2及单纯位于内侧髁的软骨下骨的缺损面积大于1．99 cm2，将造成股骨内侧或外侧髁关节软骨面的塌陷。李建军等［12］研究兔膝关节软骨下自体骨移植后不同固定时间对软骨的影响，结果表明术后固定4周关节软骨退变的发生率较固定2周及8周明显降低。王振宇等［13］从分子生物学方面进一步证明关节软骨的退变与术后固定的时间有关。本研究中各组均有一定比例的动物发生关节软骨退变，进一步证实了软骨下骨缺损对关节软骨的影响，至于各组退变程度及退变发生率的不同可能与填充物的不同、术后动物的活动度不同等有关。同时，本研究中术后自体骨组与空白对照组关节软骨退变的发生率较低(25%)，可能与术后石膏外固定限制关节活动有关，至于骨水泥(100%)及骨水泥联合自体骨组(75%)的发生率较高，可能与骨水泥的作用有关。

目前，临床上修复关节周围良性骨肿瘤病灶刮除后软骨下骨缺损的方式主要包括骨移植或骨水泥，但不同修复材料对关节软骨的影响有所相同。既往研究认为骨水泥具有聚合产热杀灭残留肿瘤细胞、降低术后局部复发率和并发症等作用［14-15］。但近年来大量临床报道认为骨水泥在治疗邻近关节良性骨肿瘤的同时会损伤关节软骨［16-17］，关节软骨损伤的主要原因可能是骨水泥凝聚时产生高温灼伤及力学负荷的异常等。Radev等［18］进一步对骨水泥对关节软骨的潜在热损伤进行了有限元分析，结果表明骨水泥与软骨间保留的软骨下骨厚度超过2mm或超过3mm的松质骨隔离即能避免热损伤。同时有相关学者［7，18-19］研究发现，在关节软骨和骨水泥间植入一层厚1～2 cm的自体颗粒可以减少软骨退变的发生率。Cao等［7］通过对膝关节周围骨巨细胞瘤刮除后填充骨水泥对关节软骨影响的临床研究，结果表明膝关节周围骨巨细胞瘤刮除后填充骨水泥会增加关节软骨的损伤，联合软骨下植骨可以延缓或减少该损伤。Xu等［20］研究膝关节周围骨巨细胞瘤软骨下骨移植物对关节的影响，发现单纯骨水泥组继发关节软骨退变的发生率是56．5%，而单纯自体骨组下降至29．4%。本实验中骨水泥组关节软骨退变的发生率为100%，自体骨联合骨水泥组的发生率为75%，单纯自体骨的发生率为25%，与前期的临床结论一致。然而有少部分学者认为填充骨水泥后不会引起关节软骨退变［20-22］，认为可能的原因是:a)骨水泥可保持软骨平台的稳定，保持关节面受力的平衡;b)关节软骨的营养主要是由滑膜供应，只要滑膜保持完整，软骨的营养保持正常，软骨不会发生退变;c)组织的血液供应状态对高温的扩散起重要作用，组织加热后，局部血管扩张，血流加速而散热，很快降低了组织温度，从而降低了高温对关节软骨的灼伤。但以上观点大多是临床报道，缺乏相应的实验依据支持。通过本实验结果我们发现在软骨下骨缺损程度相同的情况下，填充骨水泥早期可加重关节软骨的损伤，加重关节软骨的退变，但是若在关节软骨与骨水泥之间填充部分自体骨会减轻或延缓骨水泥对关节软骨的损伤。同时我们认为软骨下填充部分自体骨可减轻骨水泥对关节软骨损伤的原因可能是:a)软骨下填充部分松质骨，起到一定的隔离作用，避免骨水泥与软骨的直接接触，从而减少高温对软骨的灼伤;b)骨水泥为不可吸收物质，无诱导成骨能力，不能与周围组织相融合，同时因其本身的刚性强度，势必削弱关节对应力的吸收，导致行走过程中损伤关节软骨，但是在关节软骨与骨水泥之间填充部分自体骨，可以起到与周围组织相融合的作用，从而避免关节应力的异常，降低关节软骨损伤的发生率。

总之，关节软骨下骨缺损对关节软骨的影响是多种因素综合作用的结果。通过本研究我们可以发现自体骨是修复关节软骨下骨缺损最理想的材料，但在行自体骨移植修复关节软骨下骨缺损时存在增加手术创伤，取骨部位的后遗症如感染和疼痛及自体骨的取量有限等缺点［23］。虽然本实验结果空白对照组与自体骨早期结果相似，但患者若行单纯膝关节周围病灶刮除时，一方面可能会增加术后骨折的发生率，另一方面需患者长期卧床，增加下肢深静脉血栓的发生率。考虑到膝关节周围良性骨肿瘤多发生于青壮年，该群体活动量大，对术后关节功能要求较高，并且关节软骨一旦发生退变将很难修复，势必会造成患者的远期功能明显降低，所以在行病灶刮除后选择何种材料修复关节软骨下骨缺损，对降低关节软骨早期退变的发生率至关重要。综合我们的实验结果，我们建议在骨水泥与关节软骨之间可填充部分自体松质骨，一方面可减少自体骨的用量，降低术后早期关节软骨退变的发生率，同时利用骨水泥发热杀灭残余肿瘤细胞，起到减少肿瘤术后复发的作用;另一方面，可保持关节一定的强度和支撑力，有利于早期关节负重活动和进行康复锻炼。

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The Early Tissue M orphological Study on Articular Cartilage Follow ing the Repair of Subchondral Bone Defects

Liang Qingfu1，2，Wang Chong2，Jiang Kunli2，et al
(1．Xinjiang Medical University，Urumqi830054，China;2．Department of Orthopedics Center，The First Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University，Urumqi830054，China)

Abstract:Objective To study the early tissuemorphologic changes of articular cartilage with bone grafting or bone cement filling subchondral bone defects．M ethods 32 New Zealand white rabbits were randomly divided into A，B，C and D groups．In themedial tibial condyle of the tibial plateau 5mm below articular surface，simulated the local lesions of the benign bone tumor around the joints in the New Zealand white rabbits，we built an animalmodel of articular cartilage defect，and then filled with differentmaterials(A group of autologous iliac bone，B group ofbone cement，C group ofbone cement combined with autologous iliac bone，D group blank control)．The articular cartilage above the fillers was harvested 4 weeks postoperatively．Gross observation，histological examination．At the same time，the pathological the pathological changes of the cartilage degeneration were observed in all groups by Mankin score，and the results were statisticaly analyzed．Results Gross observation:The A group was close to the normal articular cartilage，smooth surface，light blue and white，no having crack，erosion and ulcer;In group B，the surface was rough，pale or sallow，synovial hyperplasia，cartilage collapse and part of osteophyte formation;Group C，smooth surface，the color was yellow;The surface of the articular cartilage of the D group was smooth，and the color was slightly darker than that in the A group，and the group was similar to that of the A group．Histological examination:6 cases in group A were normal，2 cases showed early degeneration，the Mankin scorewas(0．875±1．642)points;In the B group，7 cases showed intermediate degeneration，1 cases showed advanced degeneration，the Mankin score was(6．875±0．991)points;In C group，6 cases showed early degeneration，2 caseswere normal，the Mankin scorewas(3．250±2．053)points;In D group，5 cases were normal，3 cases showed early degeneration，the Mankin score was(1．500±2．138)points．There was no significant difference between A group and D group(P＞0．05)，and there was significant difference between B group and A group(C)book=234,ebook=46and B group(P＜0．01，P＜0．01)．Conclusion In the case of the same degree of articular cartilage bone defect，the lesion of autogenous bone on early articular cartilage is the least，and the bone cement increases the damage of articular cartilage．However，autogenous bone filled between bone cementand articular cartilage can reduce the injury of articular cartilage by bone cement．

Key words:articular cartilage;subchondral bone;bone defect;bone graft;bone cement

作者简介:梁青福(1986－)，男，研究生在读，新疆医科大学，新疆医科大学第一附属医院骨科中心，830054。

收稿日期:2015-09-02

中图分类号:R687．3+4

文献标识码:A

基金项目:新疆维吾尔自治区自然科学基金(2014211C034);*本文通讯作者:田征

文章编号:1008－5572(2016)03－0233－05 1008－5572(2016)03－0237－05