长沙医学院临床学院 湖南 长沙 410219
摘要：目的：探索关节冲洗对动物人工关节置换术后关节松动的影响。方法：将20只钛合金棒（模拟假体）分别植入10只成年新西兰兔的左、右股骨远端，于术后第2、4、6、8、10、12周分别向两侧膝关节腔内注射0.5ml浓度为1X1010个/ml的聚乙烯微粒悬液，用等量生理盐水（10ml/次/膝）分别于术后第3、5、7、9、11、13周冲洗本组各模型动物的左膝关节，用偏光显微镜观察关节冲洗液中有无聚乙烯微粒，第14周处死动物，取股骨远端标本，检测假体周围骨溶解情况，分析关节冲洗术对假体周围骨溶解影响。结果：关节冲洗后，冲洗液中可见聚乙稀微粒，左侧假体周围界膜组织内巨噬细胞及破骨细胞总个数、最大溶骨宽度、溶骨面积、TNF-α及IL-1的含量较右侧显著降低（P<0.01)。结论：关节冲洗术能有效地减轻动物模型假体周围骨溶解。
关键词：关节冲洗;聚乙烯微粒;关节松动
无菌性松动是人工关节置换术术后最常见的远期并发症，是导致初次关节置换术远期失败最主要的原因之一。人工关节假体在长期的使用过程中，假体部件间的摩擦产生很多不同材料来源、不同大小、不同形态的磨损微粒，这些磨损微粒可与关节假体周围的细胞相互作用，进一步招募新的细胞，发生不可控的生物学反应(大量细胞因子的上调)，引起成骨活动减弱和破骨活动增强，进而导致骨溶解，引起人工关节无菌性松动的发生。这一理论获得了很多临床病理组织学和体内、体外实验的支持[1]。临床上，在发生松动的关节假体周围常常看到大量界膜组织，从这些界膜组织中可提取分离到磨损微粒，如聚乙烯微粒、骨水泥微粒、金属微粒和陶瓷微粒等，并且在界膜组织提取的细胞内，也观察到了被细胞吞噬的磨损微粒的存在[2]。在人体界膜组织中可观察到大量不同类型的细胞(巨噬细胞、成纤维细胞、T细胞、B细胞、激活的淋巴细胞、NK细胞和肥大细胞)，能检测到多种炎症因子表达上升，如TNF-α、IL-6、IL-1β、M-CSF、ＲANKL[3]。在体外细胞实验中，采用人体界膜组织提取的微粒或人工制作的仿体内大小的微粒刺激各种类型细胞，研究人员观察到了多种与体内相似的生物学反应。磨损微粒可刺激内皮细胞发生氧化应激反应，刺激单核-巨噬细胞发生内质网应激反应，刺激成骨细胞发生自噬反应等，而且这些由磨损微粒引起的多种生物学反应均在人体组织中观察到[4]。在动物实验中，磨损微粒能够稳定刺激骨组织，在各种无菌性松动模型中成功诱导了骨溶解及其他与体内相似的组织及分子生物学现象，进一步验证了磨损微粒诱导骨溶解的理论。大量研究资料表明[5]，一定大小、成分与数量的磨损颗粒是诱发假体周围骨溶解并最终导致人工关节后期松动的最主要原因,引起骨溶解最主要的微粒是聚乙烯。事实上，完全杜绝聚乙稀微粒的产生是不可能的，只有进一步了解聚乙稀微粒诱导骨吸收的详细机理并针对其各个中间环节进行干预，才能更有效的防止骨溶解与假体后期松动的发生。本实验通过聚乙烯微粒悬液建立假体周围骨溶解的动物模型，探讨关节冲洗能否降低关节腔内聚乙烯微粒浓度并预防假体周围骨溶解，从而为临床上寻找新的提高人工关节远期疗效的有效方法开辟一个新的研究领域并提供科学依据。
1材料与方法
1.1实验方法
将20只钛合金棒（模拟假体）分别植入10只成年新西兰兔的左、右股骨远端。将新西兰兔用戊巴比妥钠静脉麻醉后，分别从双侧膝关节前内侧切开进入关节，用直径3mm钻头从股骨髁间沿股骨干轴线钻一隧道（深1.5cm），将直径3mm、长15mm的钛合金棒（模拟假体）植入股骨髁间骨隧道，缝合关节囊。伤口用无菌纱布覆盖，术后肌注青霉素及庆大霉素，观察伤口愈合、饮食及膝关节活动情况。选取浓度为1X1010个/ml的聚乙稀微粒悬液，于术后第2、4、6、8、10、12周的最后1天分别向左右膝关节腔内注射0.5ml聚乙烯微粒悬液。用等量生理盐水（10ml/次/膝，分4管进行，每管2-3ml)于术后第3、5、7、9、11、13周的最后1天冲洗本组各实验兔的左膝关节，并保留冲洗液，偏光显微镜下观察有无聚乙稀微粒；右侧膝关节不予冲洗。术后第14周，空气栓塞法处死动物，取双侧股骨远端骨标本，细菌培养确认无菌生长。
1.2观察指标、方法及评价
1.2.1左膝关节冲洗液中聚乙稀微粒的检查左膝关节冲冼术后，保留冲洗后的冲洗液，将关节冲洗液离心沉淀，沉淀物置载玻片上制成玻片标本，用偏光显微镜检查沉淀物中有无聚乙稀微粒。
1.2.2假体周围骨溶解观察指标假体周围界膜组织内的巨噬细胞及破骨细胞总数、假体周围最大溶骨宽度、溶骨面积、TNF-α与IL-1的含量。
1.3统计学分析与处理
计量资料釆用秩和检验比较组间差异，计数资料采用x2检验。所有数据采用SPSS21.0统计软件处理。
2结果
2.1本组10只实验兔手术顺利，伤口甲级愈合，术后实验兔饮食正常，双侧膝关节活动正常。术后14周空气栓塞法处死实验兔，取股骨远端标本，观察假体未见明显松动及退出，但左侧假体取出时较右侧稍紧。所有标本经细菌培养示无菌生长。肉眼观察左膝关节冲洗液呈微黄色；偏光显微镜下可见圆性及椭圆形折光颗粒，对比纯聚乙稀微粒，其形状大小无明显差异。肉眼观察假体周围界面呈红褐色均匀层状结构；光镜观察示左右侧膝关节假体周围界膜均有骨溶解现象，但右侧溶骨程度较左侧严重。
2.2左右膝关节假体周围界膜巨噬细胞及破骨细胞总数量
关节冲洗后，左侧膝关节假体周围界膜组织内巨噬细胞及破骨总数量明显少于右侧，（P<0.05)，见表1。
2.3左右膝关节假体周围最大溶骨宽度及溶骨面积
左侧膝关节假体周围最大溶骨宽度较右侧窄（P<0.01);左侧假体周围溶骨面积小于右侧（P<0.01)，见表2。
2.4左右膝关节假体周围界膜组织中TNF-α与IL-1含量
关节冲洗后的左侧膝假体周围界膜组织中TNF-α与IL-1含量明显低于右侧，具有显著统计学意义（P〈0.01)，见表3。
3讨论
目前，随着人口结构老龄化及关节置换年龄限制的放宽，行人工关节置换手术的患者越来越多，人工髋关节的使用寿命约为15年左右，不少患者一生中需要进行两次甚至多次关节置换手术。关节冲洗如临床实验证明能有效缓解假体周围骨溶解及防治无菌性松动，将大大延长人工关节的使用寿命，这样许多中老年患者一生中只要进行一次置换关节就可以满足需求，而年轻患者则可以减少关节翻修的次数，这样就大大减轻了患者的心身创伤并节约了大量医疗资源。大量研究表明[6]，聚乙稀微粒导致骨溶解是人工关节置换术后后期关节假体无菌性松动的最主要原因。根据Bhavsar TB [7]提出的有效关节腔的假说，行人工髋关节置换术病人的关节囊的原有结构已被破坏，关节液不再局限于关节腔内，骨与假体之间存在的微小间隙及产生的微动,就为关节液进入骨-假体界面提供了通道，关节运动时，关节腔内压力变化并产生压力梯度,关节液及其中的聚乙稀微粒就会在压力梯度下沿着骨-假体界面逐渐向假体远端迁移。人工关节置换术后期，随着关节腔内聚乙稀微粒的日积月累，假体周围的生物学反应开始表现明显，出现骨溶解现象，当关节腔内聚乙稀微粒浓度高到一定程度时，骨-关节界面可出现一定的松动，聚乙稀微粒顺压力梯度进入骨-关节界面，聚乙稀微粒与关节假体及关节面之间的磨损也越多。这样，聚乙稀微粒、骨溶解、假体松动三者之间就形成了一个恶性循环，这与Adams RA [8]研究结果符合。这就解释了为什么关节置换术后后期假体松动进展迅速，导致假体下沉失效，从而需要翻修。理论上，在一定浓度以下进行关节冲洗，减少聚乙稀数量及浓度，应能缓解假体周围骨溶解；在一定顶点浓度以上进行关节冲洗，如冲洗后有效关节腔内浓度及数量仍高于某种顶点浓度，则冲洗无效，假体周围骨溶解现象不能缓解；如冲洗后，有效关节腔内聚乙稀数量及浓度低于顶点浓度则假体周围骨溶解现象可得到一定缓解[9-10]。本实验的聚乙稀微粒浓度为1X1010个/ml，低于顶点浓度。结果表明，左侧膝关节冲洗液沉淀物中可见大量折光颗粒，其颗粒大小形态与聚乙稀微粒相似，为聚乙稀微粒：关节冲洗术后假体周围巨噬细胞及破骨细胞总数量、假体周围最大溶骨宽度、溶骨面积及TNF-α及IL-1含量明显低于未冲洗的关节侧含量，其区别具有统计学意义（p<0.05)。以上结果提示，关节冲洗术能有效减少有效关节腔内的聚乙烯微粒的数量，减轻假体周围骨溶解。
磨损颗粒诱导的假体无菌性松动始终是困扰临床的一个难题。如何防治关节假体无菌性松动是延长人工关节使用寿命、减少关节翻修术的一个关键。目前，防治假体周围骨溶解及假体松动的方法主要为药物治疗、新型关节材料的研发及关节假体制作工艺的改善等。如何减少人工关节置换术后关节有效空间内已经存在的聚乙稀微粒的数量以及减少人工关节腔内聚乙稀数量能否减轻假体周围骨溶解，成为目前尚未解决的难题。本课题通过动物实验证明，假体周围骨溶解与关节腔内聚乙稀浓度存在递增的“量效关系”；且当浓度大于1X109个/ml时，假体周围骨溶解即呈迅速上升的趋势[11]。定期进行关节冲洗，能有效降低动物膝关节腔内聚乙稀微粒的浓度，减轻聚乙稀微粒的生物学反应，达到防治假体松动的目的。因此认为，能有效降低人工关节置换术后关节腔内聚乙稀微粒数量或浓度的方法有望成为预防无菌性松动的新方法，因此需要进一步进行临床研究。
参考文献
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论文作者:刘丽,彭耀庆 邓智彬,谭锋,欧阳明,许辉通讯作者
论文发表刊物:《总装备部医学学报》2019年第03期
论文发表时间:2019/5/23
标签：关节论文; 微粒论文; 聚乙稀论文; 假体论文; 膝关节论文; 术后论文; 浓度论文; 《总装备部医学学报》2019年第03期论文;