同种异体骨支撑架结合自体骨和脱钙骨基质植入强化力学结构修复股骨头坏死*☆

梅荣成1，杨述华2，杨操2，李宝兴3，李进2，叶哲伟2

课题背景：本课题2002年获得国家自然科学基金资助（30170945），内容是“支撑架结合血管内皮生长因子基因治疗股骨头坏死研究”。本文是其子课题，主要通过将同种异体骨支撑架、自体骨和脱钙骨基质植入髓芯减压后的坏死股骨头内，以加强其力学结构和生物学效应，探讨治疗股骨头坏死的新方法。

应用要点：本实验将经过特殊处理的同种异体骨支撑架植入坏死的股骨头内，发现能对其软骨下骨起到有力的支撑作用，能有效加强股骨头的力学结构，促进坏死骨的修复，防止股骨头关节面的塌陷。

同行评价：股骨头坏死保存股骨头治疗过程中的方法很多，有髓芯减压、干细胞移植、带血管蒂和不带血管蒂的腓骨移植，各种截骨术、骨水泥植入等，均有一定疗效，但没有一种技术是完全满意的。本文从动物和临床实验两方面对同种异体骨支撑架植入行髓芯减压后的股骨头进行研究，并通过各种科研方法探索并验证其有效性。为临床提供了一种新的有应用前景的治疗方式。

1华中科技大学同济医学院附属襄樊医院骨科，湖北省襄樊市 441021；2华中科技大学同济医学院附属协和医院骨科，湖北省武汉市 430022；3中国辐射防护研究院山西省医用组织库，山西省太原市 030006

梅荣成☆，男，1969年生，湖北省枣阳市人，汉族， 2007年华中科技大学同济医学院毕业，博士，副主任医师，主要从事关节外科，骨坏死研究。
Meirch@163.com

摘要
背景：目前常用的加强股骨头力学结构的植骨方法防止塌陷的作用有限，结果并不能完全令人满意。
目的：探讨髓芯减压术后利用同种异体骨支撑架结合自体骨和脱钙骨基质植入强化股骨头力学结构，治疗股骨头坏死的可行性。
设计、时间及地点：随机对照动物实验于2005-10/2006-07在华中科技大学同济医学院协和医院骨科实验室完成。临床病例分析于2001-01/2005-04在协和医院骨科完成。
材料：羊、人同种异体骨支撑架由中国辐射防护研究院山西医用组织库加工制作完成。20只成年雄性大尾羊行双侧股骨头坏死造模。
参试者：早中期股骨头坏死患者23例24髋，排除Ficat IV期及III期关节面受累范围>15%的患者。
方法：①动物实验：18只模型羊随机分为3组，单纯髓芯减压组行坏死股骨头髓芯减压，自体松质骨和脱钙骨基质植入组在行髓芯减压后植入自体松质骨和脱钙骨基质，同种异体骨支撑架植入组在行髓芯减压后植入同种异体骨支撑架、自体松质骨和脱钙骨基质。②临床观察：23例患者均采用同种异体骨支撑架结合自体骨和脱钙骨基质治疗。
主要观察指标：①动物实验：术后5，10和20周对股骨头行影像学、组织学观察和生物力学测定。②临床观察：随访手术前后Harris评分变化、X射线影像学进展。
结果：①动物实验结果：影像学和组织学检查显示同种异体骨支撑架植入组在髓芯减压区骨缺损修复及成骨方面较自体松质骨和脱钙骨基质植入组略高，此两组都较同时期的单纯髓芯减压组明显增强（P < 0.05）；生物力学测试显示同种异体骨支撑架植入组力学强度高于其他2组（P < 0.05）。②临床随访结果：所有患者随访>18个月，Harris评分术前优良率为43.5%，术后优良率为91.3%。22侧髋关节影像学表现保持稳定，无明显并发症发生。
结论：应用同种异体骨支撑架结合自体骨和脱钙骨基质治疗股骨头坏死，能有效加强股骨头的力学结构，促进坏死骨的修复，防止股骨头关节面的塌陷。
关键词：股骨头坏死；生物力学；支架；骨移植；生物材料
梅荣成，杨述华，杨操，李宝兴，李进，叶哲伟.同种异体骨支撑架结合自体骨和脱钙骨基质植入强化力学结构修复股骨头坏死[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(19):3620-3624
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-19/19k-3620(ps).pdf]

Biostructural augmentation for the osteonecrotic femoral head by implanting a composite of allogeneic bone support frame, autologous bone and decalcified bone matrix

Abstract
BACKGROUND: Currently, the effect of bone grafting with biostructural augmentation on femoral collapse is not satisfactory.
OBJECTIVE: To evaluate the feasibility to treat osteonecrosis of the femoral head by biostructural augmentation through insertion of allogeneic bone support frame in combination with autologous bone and decalcified bone matrix following core decompression procedure.
DESIGN, TIME AND SETTING: The randomized controlled animal trial was performed at Orthopaedics Laboratory, Union Hospital of Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology from October 2005 to July 2006; the clinical case analyses were performed at Department of Orthopaedics, Union Hospital from January 2001 to April 2005.
MATERIALS: Goat and human allogeneic bone support frame was developed by China Institute for Radiation Protection Tissue Bank; 20 adult male fat-tailed sheep were selected for models of osteonecrosis of the bilateral femoral heads.
PARTICIPANTS: Twenty-three patients (24 hips) with early or middle stage osteonecrosis of the femoral head were enrolled, and those at Ficat IV stage and III stage and affected articular surface scope＞15% were excluded.
METHODS: Eighteen sheep were randomly divided into 3 groups. Core decompression alone group only underwent core decompression procedure for the osteonecrotic femoral heads; autologous bone and decalcified bone matrix group underwent implantation of autologous bone and decalcified bone matrix following core decompression procedure; allogeneic bone support frame group underwent implantation of allogeneic bone support frame, autologous bone and decalcified bone matrix following core decompression procedure. In addition, 23 patients were treated by implantation of allogeneic bone support frame, autologous bone and decalcified bone matrix.
MAIN OUTCOME MEASURES: Imageology, histological examinations and biomechanic testing were performed in the animals at 5, 10, and 20 weeks after implantation. In addition, the changes of Harris hip scores and the progression in radiographic stages of patients before and after surgery were observed.
RESULTS: Histological and imageological examinations revealed that the bone defect repair and bone formation in allogeneic bone support frame group were better than autologous bone and decalcified bone matrix group, and the two groups were significantly better than core decompression alone group (P < 0.05). The biomechanics test showed the biomechanical properties of the femoral head in allogeneic bone support frame group were significantly superior over the other two groups (P < 0.05). All patients were followed up for more than 18 months. The preoperative excellent rate of Harris scores was 43.5%, and that of postoperative score was 91.3%. The recent follow-up showed that 22 hips were radiologically stable. No major complications occurred.
CONCLUSION: Implanting a composite of allogeneic bone support frame, autologous bone and decalcified bone matrix can enhance biomechanical properties of the femoral heads, promote osteonecrotic bone repair and prevent collapse.

Mei RC, Yang SH, Yang C, Li BX, Li J, Ye ZW.Biostructural augmentation for the osteonecrotic femoral head by implanting a composite of allogeneic bone support frame, autologous bone and decalcified bone matrix.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(19):3620-3624 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-19/19k-3620(ps).pdf]

理想的保留股骨头治疗股骨头坏死的方法应该是既能有效改善股骨头血液供应，促进坏死骨的修复，又能改善股骨头的力学性能，防止股骨头的塌陷，目前临床上尚无理想的方法达到上述要求[1]。作者将自行设计的同种异体骨支撑架植入行髓芯减压后的股骨头，加强其生物力学结构，并进行动物实验和临床研究，探索一种治疗早期股骨头坏死的新方法。

设计：随机对照动物实验及临床病例分析。
单位：华中科技大学同济医学院附属协和医院骨科。
材料：同种异体骨支撑架：由中国辐射防护研究院山西医用组织库经洗髓、深冻、冻干、辐照等处理，加工制作完成。①羊同种异体骨支撑架：实验前取同批大尾羊胫骨中段，由特制车床制成。呈中空圆柱状，近端钝圆，外径10 mm，长24 mm，壁厚1.5 mm，四周围有散在的小孔，直径1.5 mm。见图1a。②人同种异体骨支撑架：中空圆柱状，近端钝圆，外径16 mm，长34 mm，骨笼壁厚2.0~3.0 mm，四周围有散在的小孔，直径1.5 mm，表面螺纹间距2.5 mm，螺纹深1.5 mm。见图1b。
动物实验：于2005-10/2006-07在华中科技大学同济医学院协和医院骨科实验室完成。取健康成年雄性大尾羊22只，体质量50~60 kg，由华中科技大学同济医学院实验动物中心（许可证号SCXK（鄂）2004-0007）提供，均系一级动物。实验过程中动物处置符合动物伦理学标准。

股骨头坏死动物模型的制备及分组：2只（4侧）为正常对照组，剩余20只行双侧股骨头坏死造模。先结扎旋股内、外侧动脉，在X射线透视机监测下，用直径1.5 mm的克氏针于股骨外侧大转子基底部下1 cm处经股骨颈向股骨头顶部钻洞，深达软骨下骨下约5 mm处，然后将克氏针换成长针头，再次透视定位，确保针头位置正确，股骨外侧皮质骨孔处用骨蜡密封，用注射器注入无水乙醇12 mL约15 min，制作股骨头坏死模型[2]。造模1个月后，随机挑选两只处死，行病理学检查，确定造模成功后，将其余18只（36侧）随机分为3组，每组6只（12侧），

单纯髓芯减压组行坏死股骨头髓芯减压，自体松质骨和脱钙骨基质植入组在行髓芯减压后植入自体松质骨和脱钙骨基质（Wright Medical Technology Inc.提供），同种异体骨支撑架植入组在行髓芯减压后植入同种异体骨支撑架、自体松质骨和脱钙骨基质。
主要观察指标：①影像学观察：术后5，10和20周各组随机抽取两只（4侧）行X射线、CT检查，采用同批号胶片，观察股骨头内骨质变化和股骨头塌陷情况。②生物力学测定：术后5，10和20周各组随机抽取两只（4侧）动物处死，第5周时将两只（4侧）正常对照组动物亦处死，将取下的股骨头行力学测试。③组织学观察和骨形态计量学测定：术后5，10和20周各组随机抽取两只（4侧）动物处死，在处死前2周时口服四环素（山东新华制药股份有限公司生产，批号：H37020257）25 mg/(kg·d)，连续3 d，处死前1周时再口服四环素25 mg/(kg·d)，2 d，处死行生物力学检测后将股骨头沿中央冠状锯开，前半部分行石蜡切片苏木精-伊红染色，光镜下观察髓芯减压区骨缺损修复情况及新骨生成情况。后半部分用体积分数为0.7的乙醇固定，甲基丙烯酸树脂包埋。然后用德国Leica不脱钙骨病理切片机切取厚5 μm含钙切片，甲苯胺蓝染色，20 μm切片，不染色，分别用光镜和荧光显微镜观察。通过OLYMPUS TH4-200图像采集系统获取图像并输入计算机，用 Image-Pro?Plus 5.1图像分析软件行图像分析，进行形态计量学评价。选择2个评价结构的参数：骨体积分数和类骨质体积分数；1个反映骨重建动力学的参数：矿化沉积率。
临床实验：
患者：选择2001-01/2005-04在协和医院骨科就诊的早中期股骨头坏死患者，排除Ⅲ期关节面受累范围>15%的患者以及Ⅳ期患者。共23例24髋，对治疗均知情同意。男10例（11髋），女13例（13髋）。平均年龄35岁（21~43岁）。病因与皮质激素有关者13例，酒精性4例，外伤性2例，无明显原因者4例。按 Ficat病变分期：Ⅰ期4髋，Ⅱ期14髋，Ⅲ期6髋。
干预：患者置于可透视的骨科手术床上，在C臂X射线机监视下将1枚导针经股骨颈钻入到软骨下骨的骨坏死区中央，注意不要穿透关节面。用直径13 mm的空心钻头沿导针钻开股骨外侧骨皮质，经股骨颈清除骨坏死区死骨，继续沿导针钻入至软骨下骨约5 mm处，用外径16 mm螺纹深1.5 mm的配套攻丝小心攻出螺纹至软骨下骨，取同侧髂骨，将自体松质骨和脱钙骨基质置于同种异体骨支撑架内，填塞紧密，拧入攻丝好的隧道内。支撑架后的隧道用自体髂骨填塞紧密。逐层缝合伤口。术后常规使用抗生素5~7 d，要求6周内不负重，6~12周扶支具保护下负重，3个月后逐步负重行走。手术均由同一组医师完成。
主要观察指标：随访观察手术前后Harris评分[3]变化、X射线影像学进展及是否需进一步治疗。
设计、实施、评估者：本课题的设计、实施及评估均在第二作者指导下由第一作者完成。
统计学分析：所有数据由第一作者经SPSS 10.0统计软件分析处理，用方差分析和均数间两两比较q检验或两组独立样本t检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

2.1 动物实验结果全部动物在肢体手术后1~3 d负重，无动物感染和死亡。
2.1.1 普通X射线及CT 成像结果

单纯髓芯减压组：
术后5周：髋关节间隙正常，囊腔呈低密度改变，与周围组织分界清晰。
术后10周：囊壁密度增高。
术后20周，可见股骨头稍变扁，无明显塌陷，但关节面毛糙，关节间隙变窄。

自体松质骨和脱钙骨基质植入组：
术后5周：植入物密度较周围低，分界清晰。
术后10周：植入区与周围组织逐渐变模糊，密度均匀，中心部密度稍低。
术后20周：植入区与周围骨质基本一致

同种异体骨支撑架植入组：
术后5周：尚能分辨出植入的同种异体骨支撑架轮廓，但密度较前明显减低，有骨质吸收与重建迹象，支架内骨质密度稍低，见图2a。
术后10周：支架与周围骨质分界不清，支架内骨质密度均匀，较周围骨质密度稍低，见图2b。
术后20周：股骨头密度均匀，骨小梁排列整齐，难以辨认植入区和植入的同种异体骨支架，见图2c。

2.1.3 组织学观察造模4周后股骨头组织内出现大量空骨陷窝，骨小梁稀疏、变细，为典型的股骨头坏死表现。

单纯髓芯减压组：
术后5周，髓芯减压隧道周边有新骨形成，中心部为疏松的纤维肉芽组织。
术后10周，周边为逐渐形成的骨壁，中心为纤维组织。
术后20周，中心部仍为纤维组织，无骨组织充填。

髓芯减压+自体松质骨和脱钙骨基质组：
术后5周：周边有少量的成骨反应，新生骨组织向中心部长入。
术后10周：周边有一定量骨形成，成骨明显，周边有骨形成带。
术后20周：植入组织与周围组织边界模糊，髓芯减压区为幼稚的骨小梁所占据，表面有较多的成骨细胞和新生骨痂，部分区域分布相对较成熟的骨小梁，见图3a。

髓芯减压+同种异体骨支撑架+自体松质骨和脱钙骨基质组：
术后5周：股骨头松质骨和植入的同种异体骨支撑架有部分结合，支撑架的侧壁有新骨形成层覆盖，支撑架皮质骨的孔数增多。
术后10周：支撑架皮质骨孔数进一步增多，侧壁有大量的新生骨痂覆盖，有连续的骨小梁通过支撑架侧壁小孔。
术后20周：支撑架被相对成熟的骨小梁所替代，仅有部分皮质骨残迹，植入区为相对成熟的骨小梁所占据，见图3b。

2.2 临床随访结果临床所有患者均获得随访，随访18~47个月，平均随访29个月。Harris评分：术前优1例，良9例，可8例，差5例，优良率为43.5%；术后优11例，良10例，可2例，优良率为91.3%，手术前后比较差异有非常显著性意义（χ2=11.97，P < 0.01）。术后无明显并发症发生，发生骨坏死进展的2例患者，1例系患系统性红斑狼疮术后仍在服用激素，另1例合并髋臼发育不良，但两例患者都诉患髋无明显疼痛，活动可，不要求进一步治疗。所有23例对临床疗效均满意，已基本恢复正常工作和生活。
X射线摄片骨坏死分期22侧保持稳定，临床观察病灶区域再骨化充分，股骨头轮廓光滑（图4）。

保留股骨头的理想治疗，不仅要加强对股骨头坏死
区的修复，还要能够有效地恢复股骨头的力学性能以防止其关节面的塌陷[1,4-5]。目前常用加强股骨头力学结构的植骨方法有带血管蒂或游离腓骨移植及各种皮质骨植入[6-8]，这种植骨尽管靠挤压固定，但与植骨区的接触仍是离散的，防止塌陷的作用有限，结果并不能完全令人满意[9]。Brown等[10]用有限元方法分析了股骨头坏死的力学变化，证实坏死骨周围的应力集中是病情进展的主要原因。他强调理想的移植骨应和减压隧道一样是圆柱形的，以保证与周围骨最大限度的接触，同时要求近端能很好地与软骨下骨相吻合。以减少股骨头塌陷的可能。
作者根据股骨头坏死区的特点设计了同种异体骨支撑架及与其相配套的器械，植入体内后其近端与股骨头关节面的弧度相同，与软骨下骨紧密接触，周壁也能与股骨头内的松质骨紧密接触，使其能与周围骨质整合为一体，应力通过软骨下骨传导后，能均匀的分布到支撑架的表面并向四周分散，避免了应力集中，为髓芯减压区新骨的形成创造了一个相对安静的环境。支撑架的周壁有均匀分布的小孔，在骨修复过程中，可以使支架内外的骨质通过小孔相互长入。使其与周围骨组织融合成一个整体。本文生物力学测试结果表明，同种异体骨支撑架在体内代谢、改建的过程中，其力学强度并未降低，而是随时间的推移逐渐增强，同种异体骨支撑架植入组在支撑架植入10周后，其生物力学强度已接近正常股骨头。说明经冻干、辐照处理后的同种异体骨支撑架，具有良好的生物相容性和生物力学性能，植入体内后，在脱钙骨基质和自体松质骨的协同作用下，其被吸收和爬行替代的速度与新骨形成之间有较好的同步性，使其能始终保持较好的力学强度和硬度。
脱钙骨基质含有多种成骨因子：骨形态发生蛋白、胰岛素样生长因子）、β转化生长因子等[11-14]，研究表明坏死股骨头中骨髓基质内骨形态发生蛋白表达减少，加入外源性骨形态发生蛋白对治疗股骨头坏死有一定价值[15-18]。自体松质骨中含有丰富的骨髓基质干细胞，具有较好的骨诱导、骨传导和骨生成特性。将脱钙骨基质和自体松质骨结合能更好地发挥成骨效能。本实验组织学和骨形态计量学检测结果表明：后两组的成骨作用都明显增强，较同时期的单纯髓芯减压组显著增高。
本实验所采用的股骨头坏死模型，是在Manggold 等[2] 制作股骨头坏死模型的基础上加以改良而成，先结扎旋股内外侧动脉，中断股骨头的大部分血供，再将无水乙醇通过钻孔隧道注入预定的股骨头区域，实验证明，在模型制作完成后4周时组织学检测发现股骨头组织内出现大量空骨陷窝。该模型的制作虽然和股骨头坏死病因不完全相符，但能较准确地使坏死区位于软骨面下，且能较好地模拟早期股骨头坏死的形态学特征，是一种较好地用于研究股骨头坏死各种保留股骨头治疗方法的动物模型。
本文综合了治疗股骨头坏死几种方法的优点，用改良的髓心减压术减轻股骨头骨内压力，以增加其血供；同种异体骨支撑架的植入可对坏死股骨头负重区软骨下骨起到有力的持续机械支撑，降低局部应力；将具有骨诱导活性的脱钙骨基质和自体松质骨植入以加强其成骨过程，使骨吸收和新骨形成过程达到动态平衡，为关节软骨提供足够的力学支撑。该术式不损伤股骨头残余血供，不影响日后进行其他股骨头修复术式及人工关节置换术。有很好的临床应用前景。

1 Lieberman JR, Berry DJ, Montv MA, et al. Osteonecrosis of the hip: management in the twenty-first century. J Bone Joint Surg Am 2002;84（5）: 834-853
2 Manggold J, Sergi C, Becker K, et al. A new animal model of femoral head necrosis induced by intraosseous injection of ethanol. Lab Anim 2002;36(2): 173-180
3 Harris WH. Traumatic of the hip after dislocation and acetabular fracture.; Treatmeant by mold arthroplasty. J Bone Joint Surg Am 1969;51(4): 737-755
4 Malizos KN, Karantanas AH, Varitimidis SE, et al. Osteonecrosis of the femoral head: etiology, imaging and treatment. Eur J Radiol 2007;63(1):16-28
5 von Stechow D, Drees P. Surgical treatment concepts for femoral head necrosis. Orthopade 2007;36(5):451-457
6 Keizer SB, Kock NB, Dijkstra PD, et al. Treatment of avascular necrosis of the hip by a non-vascularised cortical graft. J Bone Joint Surg Br 2006;88(4): 460-466
7 Zhao D, Xu D, Wang W, et al. Iliac graft vascularization for femoral head osteonecrosis. Clin Orthop Relat Res 2006;442: 171-179
8 Kim SY, Kim YG, Kim PT, et al. Vascularized compared with nonvascularized fibular grafts for large osteonecrotic lesions of the femoral head. J Bone Joint Surg Am 2005;87(9): 2012-2018
9 Gonzalez Della Valle A, Bates J, Di Carlo E, et al. Failure of free vascularized fibular graft for osteonecrosis of the femoral head: a histopathologic study of 6 cases. J Arthroplasty 2005;20(3): 331-336
10 Brown TD, Pedersen DR, Baker KJ, et al. Mechanical consequences of core drilling and bone-grafting on osteonecrosis of the femoral head. J Bone Joint Surg Am 1993; 75(9): 1358-1367
11 Pacaccio DJ, Stern SF. Demineralized bone matrix: basic science and clinical applications. Clin Podiatr Med Surg 2005;22(4): 599-606
12 Ziran BH, Smith WR, Morgan SJ. Use of calcium-based demineralized bone matrix/allograft for nonunions and posttraumatic reconstruction of the appendicular skeleton: preliminary results and complications. J Trauma 2007;63(6):1324-1328
13 Honsawek S, Dhitiseith D, Phupong V. Effects of demineralized bone matrix on proliferation and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells from human umbilical cord. J Med Assoc Thai 2006;89 Suppl 3:S189-195
14 Vaccaro AR, Stubbs HA, Block JE. Demineralized bone matrix composite grafting for posterolateral spinal fusion. Orthopedics 2007;30(7):567-570
15 Lu B,Tang TT,Yue B,et al.Zhonghua Guke Zazhi 2005;25(10): 603-607
陆斌, 汤亭亭, 岳冰, 等. BMP-2 基因给药修复实验性羊股骨头坏死[J]. 中华骨科杂志, 2005, 25(10): 603-607
16 Tang TT, Lu B, Yue B, et al. Treatment of osteonecrosis of the femoral head with hBMP-2-gene-modified tissue-engineered bone in goats. J Bone Joint Surg Br 2007;89(1):127-129
17 Schultze-Mosgau S, Lehner B, R?del F, et al. Expression of bone morphogenic protein 2/4, transforming growth factor-beta1, and bone matrix protein expression in healing area between vascular tibia grafts and irradiated bone-experimental model of osteonecrosis. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2005;61(4):1189-1196
18 Kang P, Shen B, Yang J, et al. Repairing defect and preventing collapse of canine femoral head using titanium implant enhanced by autogenous bone graft and rhBMP-2. Connect Tissue Res 2007;48(4):171-179