引用本文： 魯亞杰, 王臻, 盧霄, 盧建熙, 陳獻韜, 牛東升, 馮憲發, 張成泉, 余進偉, 王保蒼. 生物陶瓷系統微創治療 ARCO Ⅱ、Ⅲ期股骨頭壞死. 中國修復重建外科雜志, 2019, 33(10): 1291-1298. doi: 10.7507/1002-1892.201904066 復制
股骨頭壞死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是一種致殘性疾病，好發于 20～50 歲中青年人，現已成為全球性的健康問題，在中國有超過 700 萬的患病群體[1-3]。未經治療的 ONFH，大部分患者會在 1～4 年內出現嚴重的髖關節功能障礙并需要行關節置換手術[4]。盡管有很多方法可以用于 ONFH 的保髖治療，但療效不盡如人意。關于 ONFH 的病因有很多學說，但最終的病理變化均為股骨頭血運循環障礙，大量研究也證明壞死區代償性的血管修復被硬化骨所阻隔，意味著 ONFH 無法通過機體完成自然修復，最終將導致股骨頭塌陷[5-6]。
本團隊既往研究證實，β 磷酸三鈣（β tricalcium phosphate，β-TCP）多孔生物陶瓷具備優良的血管化性能，并探索總結出了最適于血管化的三維微結構參數：大孔直徑 500～600 μm，內連接孔直徑 120～160 μm[7-10]。在此基礎上我們提出了采用 β-TCP 生物陶瓷系統微創治療 ONFH 的方法，即利用多孔生物陶瓷棒將股骨大轉子附近及股骨頸豐富的血運引導至壞死區，促進血管再生和骨修復。本研究通過對多孔生物陶瓷棒的血管化評價、模擬手術的力學分析，對生物陶瓷系統微創治療 ONFH 的理論體系進行完善，并開展一項多中心臨床回顧性研究，對這一新保髖方法的臨床效果進行評估。報告如下。
1 多孔生物陶瓷棒血管化研究
1.1 實驗動物及主要材料、試劑、儀器
7～8 月齡雄性新西蘭大白兔 18 只，體質量（2.5±0.5）kg，購自空軍軍醫大學動物實驗中心。
β-TCP 多孔生物陶瓷棒（上海貝奧路生物材料有限公司），規格參數：長 12 mm，直徑 5 mm，孔隙率 70%±15%，孔徑 500～600 μm，大孔之間存在相互連通的內連接孔（120～160 μm）。β-TCP 多孔生物陶瓷棒的一端以生物鈦膜（西安中邦鈦生物材料有限公司）包裹，包裹高度 5 mm。見圖 1。
圖1
β-TCP 多孔生物陶瓷棒
a. 包裹生物鈦膜前后大體觀察；b. 掃描電鏡觀察（×30）
Figure1. β-TCP bioceramic roda. General observation before and after wrapping with titanium biofilm; b. Scanning electron microscope observation (×30)
MicroFill MV-117 灌注液（Flow Tech 公司，美國）；10% 中性甲醛固定液、14%EDTA 脫鈣液（南昌雨露實驗器材有限公司）。Leica SP1600 鋸式切片機（Leica 公司，德國）；熒光顯微鏡（Olympus 公司，日本）；micro-CT 掃描儀（Philips 公司，荷蘭）。
1.2 血管化動物模型制備
取 18 只新西蘭大白兔，以陸眠寧（0.5 mL/kg）+戊巴比妥鈉（30 mg/kg）復合麻醉后，于膝關節外側作長約 1 cm 手術切口，分離軟組織至骨。以電鉆于兔股骨髁部制備一規則骨缺損（直徑 6 mm、深 12 mm），植入包裹生物鈦膜的 β-TCP 多孔生物陶瓷棒。見圖 2。術后 4、8、12 周分別取 6 只動物行 MicroFill 微血管灌注：于腹正中線切開長約 8 cm 手術切口，逐層分離皮下組織及肌肉，顯露腹主動脈及靜脈；結扎腹主動脈及腹主靜脈近心端，肝素生理鹽水（100 U/L）由腹主動脈持續灌洗兔后肢血管網絡，至靜脈端回流液清亮；灌注 10% 中性甲醛固定液 300 mL 對后肢血管進行固定，然后采用自動注射泵灌注 50 mL MicroFill MV-117 灌注液（含稀釋液及固定劑），灌注速度 10 mL/min。過量陸眠寧麻醉處死動物，尸體于 4°C 過夜后，取股骨下段標本，于 10% 中性甲醛固定液固定 72 h，然后置于 14%EDTA 脫鈣液脫鈣，針刺法確認脫鈣成功。
圖2
兔股骨髁部骨缺損模型中陶瓷棒植入位置
Figure2.
The location of bioceramic rod in rabbit model of femoral condylar bone defect
1.3 Micro-CT 掃描血管三維重建
將各時間點脫鈣標本適當修剪后置于 micro-CT 掃描儀進行掃描，掃描參數：分辨率 1 024×1 024 像素，層間距 39 μm，掃描時間 20 min。將所獲得的 micro-CT 圖像導入三維重建分析軟件 Mimics17.0（Materialise 公司，比利時），經反復調試，采用單一閾值法提取血管圖像并進行三維重建。在三維模型中對血管長入包裹區深度、血管數目、血管直徑進行測量。
1.4 熒光背景下血管顯像
Micro-CT 掃描后將標本置于流水下沖洗 12 h，經梯度乙醇脫水、二甲苯透明后進行包埋。以 Leica SP1600 鋸式切片機制備厚度為（300±10）μm 的硬組織切片，拋光后在熒光（激發光為藍色光，波長 430～460 nm）背景下觀察血管在骨組織中的分布及形態；在熒光背景下，骨及纖維組織為綠色，灌注后的血管顯示為鮮艷的紅色，二者對比度極高。各樣本隨機選取陶瓷棒縱軸中心位置 3 張切片，用 Image Pro Plus 6.0 軟件（Media Cybernetics 公司，美國）對血管長入包裹區的深度、血管數目以及血管直徑進行測量。
1.5 統計學方法
采用 SPSS17.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，各時間點間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 SNK 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
1.6 結果
1.6.1 Micro-CT 掃描血管三維重建
術后 4 周，股骨髁部隧道周圍開始出現大量修復性新生血管，由非包裹區長入包裹區內；8 周，包裹區內可見豐富的血管團簇，且骨隧道周圍新生血管進一步增多并趨于成熟；12 周，新生血管幾乎貫通整個包裹區，但隧道周圍的新生血管相對減少。見圖 3。隨術后時間延長，血管長入包裹區深度、血管數目、血管直徑均逐漸增加，各時間點間比較差異均有統計學意義（P<0.05）。見表 1。
圖3
植入后各時間點 micro-CT 掃描血管三維重建及陶瓷棒長軸方向 CT 圖像
a. 4 周；b. 8 周；c. 12 周
Figure3. Micro-CT based three-dimensional reconstruction of blood vessel and longitudinal CT images at different time points after implantationa. Four weeks; b. Eight weeks; c. Twelve weeks
表1
術后各時間點生物鈦膜包裹區血管化參數（n=6，
）
Table1.
Vascularization parameters of titanium biofilm encapsulated area at different time points after operation (n=6, 
)
1.6.2 熒光背景下血管顯像
熒光背景下可見大量新生血管由陶瓷棒非包裹區長入包裹區，于 4 周和 8 周時亦可觀察到骨隧道周圍大量修復性血管增生。見圖 4。隨術后時間延長，血管長入包裹區深度、血管數目、血管直徑均逐漸增加，各時間點間比較差異均有統計學意義（P<0.05）。見表 1。
圖4
植入后 8 周熒光背景下血管顯像，生物鈦膜（箭頭） 包裹區內可見豐富血管（×12.5）
Figure4.
Fluorescence image at 8 weeks after implantation, showing rich blood vessels in the encapsulated area of biotitanium biofilm (arrow) (×12.5)
2 生物陶瓷系統治療 ONFH 的力學研究
2.1 標本處理及主要材料、儀器
市售新鮮豬股骨 9 個，剔除所有軟組織，經 X 線透視證實無病理改變；股骨頭直徑（37±2）mm，頸干角（120±10）°。實驗前 24 h 將樣本從?20℃ 取出至室溫解凍，于股骨遠端 1/4 處截斷，留取近端 3/4 待用。
β-TCP 生物陶瓷植入物體系（上海貝奧路生物材料有限公司）包括：① 密質生物陶瓷顆粒，不規則型，粒徑 1.5～3.5 mm；② 多孔生物陶瓷顆粒，不規則型，粒徑 1.5～3.5 mm，孔徑 500～600 μm，內連接孔直徑 120～160 μm；③ 多孔生物陶瓷棒，圓柱型，直徑 10 mm，長 40 mm，孔隙參數同多孔生物陶瓷顆粒。微創治療 ONFH 配套手術器械（上海貝奧路生物材料有限公司）；Materal Test System 力學試驗機（MTS 公司，美國）。
2.2 實驗分組及方法
將標本隨機分為 3 組：A 組為正常股骨頭頸組，B 組為空腔組，C 組為植骨組，每組 3 個。按照術前標記，B、C 組于大轉子下 12 mm 處沿股骨頸中心打入導針至股骨頭軟骨面下 5 mm，沿導針鉆入空心鉆形成骨隧道；然后利用潛行刮刀刮除股骨頭內部分骨質，至刮刀完全展開，股骨頭內部形成一球形骨缺損區（直徑 28 mm）。C 組打壓植入混合陶瓷顆粒（密質生物陶瓷 5 g+多孔生物陶瓷 3 g），并在骨隧道內植入 β-TCP 多孔生物陶瓷棒，骨隧道開口處以骨水泥填塞。見圖 5a。
圖5
生物陶瓷系統治療 ONFH 的力學分析
a. 手術模擬建模；b. 力學加載
Figure5. Mechanical analysis of bioceramic system in the treatment of ONFHa. Simulated surgical model; b. Mechanical loading
2.3 生物力學檢測
將各組股骨標本下端置于金屬模具中，并用骨水泥固定于內收 15°、內旋 10° 位，矢狀面位于中立位，模擬雙足站立時的受力情況。力學加載采用 Materal Test System 力學試驗機在股骨頭頂端逐級連續加載至標本毀損，加載速度恒定為 1.0 mm/min。見圖 5b。計算機記錄位移和力學數據，繪制位移-形變曲線，計算各組標本的剛度及屈服載荷。
2.4 統計學方法
采用 SPSS17.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 SNK 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
2.5 結果
A、B、C 組標本的剛度分別為（2.852±0.142）、（0.807±0.171）、（1.184±0.113）kN/mm，B、C 組顯著低于 A 組，差異有統計學意義（P<0.05）；B、C 組間差異無統計學意義（P>0.05）。A、B、C 組屈服載荷分別為（6.765±0.142）、（1.583±0.112）、（3.121±0.531）kN，B、C 組顯著低于 A 組，B 組顯著低于 C 組，差異均有統計學意義（P<0.05）。C 組標本的剛度恢復至 A 組的 41.52%±3.96%，屈服載荷恢復至 A 組的 46.14%±7.85%。
3 多中心回顧性臨床評估
3.1 患者一般資料
納入標準：① 國內 7 所醫療中心收治的 ONFH 患者；② 采用 β-TCP 生物陶瓷系統微創方法行保髖治療；③ 國際骨循環協會（ARCO）分期為Ⅱ、Ⅲ期；③ 術后隨訪資料完整。排除標準：① 合并髖關節其他疾患；② 隨訪期間死亡病例。2012 年 1 月—2018 年 7 月，共 200 例（232 髖）ONFH 患者符合選擇標準納入研究。
本組男 145 例，女 55 例；年齡 17～76 歲，平均 42 歲。左髖 80 例，右髖 88 例，雙髖 32 例。ONFH 原因：酒精性 91 例，激素性 58 例，創傷所致 16 例，不明原因 35 例。按照 ARCO 分期為Ⅱ期 150 髖（ⅡA 期 20 髖、ⅡB 期 60 髖、ⅡC 期 70 髖），Ⅲ期 82 髖（ⅢA 期 42 髖、ⅢB 期 22 髖、ⅢC 期 18 髖）。
3.2 手術方法
手術使用特制手術工具完成（專利：CN102038544 B）。患者于全麻或蛛網膜下腔阻滯麻醉下取仰臥位，以大轉子下 20 mm 處向股骨頸中央打入導針，正側位 X 線透視觀察導針位置。以導針為中心縱行切開 12 mm 長全層切口至骨，隨后鉆入直徑 12 mm 的空心鉆至股骨頭軟骨下 5 mm 形成骨隧道，鉆頭鉆入過程中收集骨泥和骨髓液；將潛行刮刀推送至骨隧道底部，順時針旋轉控刀手柄逐步展開刀片，隨后順時針轉動旋刮刀柄刮除壞死骨區域。透視確認清除達標后，收攏刀片并撤出潛行刮刀；將多功能植骨器插至骨隧道底部后回撤 30 mm，打壓植入混合有骨泥和骨髓液的混合生物陶瓷顆粒（密質生物陶瓷顆粒 5 g+多孔生物陶瓷顆粒 3 g），最后將浸泡過骨髓液的多孔生物陶瓷棒（直徑 10 mm、長 80 mm）通過植骨器管道盡可能深地植入骨隧道，清洗和縫合切口。見圖 6。
圖6
手術流程示意圖
a. 打入導針；b. 建立骨隧道；c. 刮除壞死骨；d. 打壓植骨；e. 植入多孔生物陶瓷棒
Figure6. Surgical procedurea. Insertion of K-wire; b. Establishment of bone tunnel; c. Necrosis debridement; d. Bioceramic granule grafting;e. Implantation of the bioceramic rod
3.3 術后處理及療效評估
患者術后次日即可免負重下床，但必須拄雙拐 3 個月，隨后拄單拐 3～6 個月，根據影像學結果確定負重量和時間。
術后 1、3、6 個月行影像學及肢體功能評估，隨后每半年評估 1 次。影像學結果分為兩個等級：① 穩定：壞死范圍無擴大，無塌陷或塌陷未加重，植入材料降解并伴有成骨；② 進展：壞死范圍擴大，出現塌陷或塌陷加重，植入材料未降解。術髖功能評估采用 Harris 評分，分為優（90～100 分）、良（80～90 分）、可（70～80 分）、差（<70 分）4 個等級。
3.4 統計學方法
采用 SPSS17.0 統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，手術前后比較采用配對 t 檢驗，組間比較采用獨立樣本 t 檢驗；率的比較采用 χ2 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
3.5 結果
本組 232 髖均順利完成手術，圍術期無患者死亡。1 例患者在植入多孔生物陶瓷棒時發生肺空氣栓塞，經術中對癥治療后緩解。術后均未發生感染、下肢深靜脈血栓形成等并發癥。200 例患者均獲隨訪，隨訪時間 6～73 個月，平均 22.7 個月。
3.5.1 髖關節生存率
至末次隨訪時有 12 例（16 髖）行全髖關節置換術，髖關節生存率為 93.10%。3 髖因早期增加負重導致股骨頭頸骨折而行全髖關節置換術，余均為 ONFH 影像學進展及臨床癥狀持續加重而行全髖關節置換術。其中 ARCO Ⅱ期 6 髖、Ⅲ期 10 髖；Ⅱ期患者髖關節生存率為 96.00%，Ⅲ期為 87.80%，差異有統計學意義（χ2=5.545，P=0.019）。
3.5.2 影像學評估
術后即刻 X 線片可見多孔生物陶瓷棒與骨隧道之間存在間隙，植入股骨頭內的陶瓷顆粒清晰且邊緣銳利；術后影像學隨訪顯示多孔生物陶瓷棒逐漸降解，伴隨骨組織修復。末次隨訪時，184 髖（79.31%）影像學穩定，48 髖（20.69%）出現影像學進展。出現影像學進展患者中，ARCO Ⅱ期 14 髖（9.33%），Ⅲ期 34 髖（41.46%），差異有統計學意義（χ2=33.355，P=0.000）。見圖 7。
圖7
患者，男，38 歲，酒精性 ONFH（ARCO ⅡC 期）
a. 術前 X 線片；b. 術前 MRI；c. 術前 CT；d. 術后 1 周 X 線片；e. 術后 6 個月 X 線片；f. 術后 12 個月 X 線片；g. 術后 24 個月 X 線片
Figure7. A 38-year-old male patient with alcohol-induced ONFH (ARCO stage ⅡC)a. Preoperative X-ray film; b. Preoperative MRI; c. Preoperative CT; d. X-ray film at 1 week after operation; e. X-ray film at 6 months after operation; f. X-ray film at 12 months after operation;g. X-ray film at 24 months after operation
3.5.3 Harris 評分
本組患者末次隨訪時 Harris 評分為（79.3±17.3）分，較術前（57.3±12.0）分顯著改善，差異有統計學意義（t=18.600，P=0.000）；獲優 73 髖（31.46%），良 76 髖（32.76%），可 28 髖（12.07%），差 55 髖（23.71%），優良率達 64.22%。其中 ARCO Ⅱ期患者末次隨訪時 Harris 評分為（84.6±14.5）分，顯著高于Ⅲ期的（69.7±18.1）分，差異有統計學意義（t=6.871，P=0.000）。
4 討論
4.1 多孔生物陶瓷微創治療 ONFH 的理論體系
β-TCP 多孔生物陶瓷具有生物相容性、骨傳導性及生物降解性等優點，作為人工骨材料已被廣泛用于骨缺損修復等領域。其代謝產物主要為 Ca2+ 和 PO43-，可直接參與骨的礦化，促進新骨形成。我們既往研究也證實了特定三維結構的 β-TCP 多孔生物陶瓷具備引導血管再生的性能，并確定了利于血管化的最佳三維結構參數[7, 9]。生物陶瓷系統微創治療 ONFH，通過清除死骨、重建骨床及多孔生物陶瓷材料的血管引導作用，重建骨壞死區的血運，使其最終形成生物性骨修復及生物性力學支撐。其核心理論體系包括 5 個方面：① 多孔生物陶瓷棒發揮“橋梁”作用，將大轉子附近及股骨頸豐富的血運循環引導至股骨頭，為壞死區修復提供干細胞及營養物質，創造基本修復條件；② 通過特制的潛行刮刀對股骨頭內壞死組織進行清除，然后混合術程中收集的骨泥及骨髓液，增強了生物陶瓷的生物活性及修復性能；③ 通過粗通道髓芯減壓釋放骨內高壓，可緩解患者疼痛癥狀，利于壞死修復；④ 股骨頭內植骨采用密質生物陶瓷和多孔生物陶瓷混合打壓的方式，可在術后早期為軟骨下骨提供一定的力學支撐，同時不至于破壞多孔生物陶瓷顆粒的互聯互通結構而影響其血管化及成骨性能；⑤ 隨著生物陶瓷降解及新骨生成，股骨頭頸的生物力學性能逐步增強，最終可恢復完全的骨性力學支撐。
本研究利用動物實驗，通過 micro-CT 血管三維重建及熒光背景顯像的方法確證了多孔生物陶瓷棒的血管化能力。用生物鈦膜包裹部分多孔生物陶瓷棒，模擬體內缺血環境，血管及骨修復只能經由陶瓷棒單向進行。結果顯示，在早期修復過程中，陶瓷棒周圍出現大量代償性新生血管，并且在 12 周時，陶瓷棒內新生血管貫通鈦膜包裹區。結合臨床，粗通道髓芯減壓及病灶刮除所致創傷，在術后早期可動員大量新生血管，為 ONFH 的修復提供了基礎血運條件。大轉子附近及股骨頸的血運在術后即刻通過血流灌注的方式到達壞死區，后期隨著新生血管逐步長入，可于陶瓷系統內部形成穩定的動靜脈循環系統，恢復股骨頭內血運。模擬手術的力學檢測結果顯示，潛行刮刀經由股骨頸粗通道對股骨頭內病灶進行刮除，會導致股骨頭頸部力學性能明顯下降，其剛度下降至正常骨的 28.31%±6.00%，屈服載荷下降至正常骨的 23.40%±1.66%。進行混合打壓植骨及陶瓷棒植入，可以部分恢復股骨頭頸部力學性能，其剛度恢復至正常骨的 41.52%±3.96%，屈服載荷恢復至正常骨的 46.14%±7.85%。與其他保髖方法不同的是，隨著植入生物陶瓷的降解和新骨形成，股骨頭頸部的生物力學性能逐步增強，理論上最終可形成與正常骨同樣的力學支撐。
4.2 臨床療效及其相關影響因素
多中心臨床回顧性研究結果顯示，本組患者髖關節總生存率為 93.10%。其他研究報道中，經髓芯減壓通道或股骨頸窗的非血管化骨移植，其髖關節生存率為 55%～87%[11-13]；鉭棒植入的髖關節生存率為 60%～80%，但有一些學者對此數據提出質疑，并不推薦將鉭棒植入作為首選[14-16]；血管化移植包括血管化腓骨移植及血管化骨瓣轉移，其髖關節生存率超過 80%[17-19]。β-TCP 生物陶瓷系統微創治療 ONFH，其髖關節生存率優于非血管化骨移植及鉭棒植入，接近血管化骨移植效果。該方法的優勢在于：① 恢復股骨頭血運，從基礎理論上解決股骨頭修復的血供問題；② 植入生物陶瓷材料可降解，不影響 X 線片、CT 及 MRI 等影像學檢查，若保髖失敗，不影響關節置換；③ 力學支撐逐步增強；④ 手術微創，操作步驟簡便易行，適于推廣。本組末次隨訪時患者 Harris 評分為（79.3±17.3）分，優良率達 64.22%。按照術前 ARCO 分期對患者進行分組分析，結果顯示 ARCO Ⅱ期患者髖關節生存率、影像學等級及 Harris 評分均顯著優于 ARCO Ⅲ期患者（P<0.05）。提示 ONFH 術前分期對手術預后具有重要影響，術前股骨頭塌陷、軟骨下骨分離以及軟骨剝脫，常常提示預后不良。
綜上述，生物陶瓷系統微創治療 ONFH，可引導大轉子附近及股骨頸血運至股骨頭促進壞死修復，早期能夠部分恢復股骨頭頸力學性能，為 ONFH 患者，尤其是早期壞死患者提供了一種新的微創保髖方法。但本研究存在以下局限性，有待進一步完善：① 血管化研究中使用 5 mm×12 mm 規格小陶瓷棒，與臨床有所區別；② 難以獲得足夠樣本的新鮮人股骨進行力學模擬，豬股骨頭頸部解剖學參數雖與人相近，但存在一定差異；③ 由于該方法應用時間較短，缺乏長期隨訪結果，因此臨床評估有待進一步跟進，目前相關的臨床多中心前瞻性研究已經啟動。
作者貢獻：魯亞杰、盧霄負責統計分析，文章撰寫；王臻、盧建熙負責科研設計；魯亞杰、陳獻韜、牛東升、馮憲發、張成泉、余進偉、王保蒼負責科研實施和數據收集整理。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。
機構倫理問題：多中心臨床研究方案經中國人民解放軍空軍軍醫大學第一附屬醫院藥物臨床試驗倫理委員會批準（KY20162052-1）。動物實驗經中國人民解放軍空軍軍醫大學實驗動物倫理委員會批準，實驗動物使用許可證號：SYXK（陜）2014-001。
股骨頭壞死（osteonecrosis of the femoral head，ONFH）是一種致殘性疾病，好發于 20～50 歲中青年人，現已成為全球性的健康問題，在中國有超過 700 萬的患病群體[1-3]。未經治療的 ONFH，大部分患者會在 1～4 年內出現嚴重的髖關節功能障礙并需要行關節置換手術[4]。盡管有很多方法可以用于 ONFH 的保髖治療，但療效不盡如人意。關于 ONFH 的病因有很多學說，但最終的病理變化均為股骨頭血運循環障礙，大量研究也證明壞死區代償性的血管修復被硬化骨所阻隔，意味著 ONFH 無法通過機體完成自然修復，最終將導致股骨頭塌陷[5-6]。
本團隊既往研究證實，β 磷酸三鈣（β tricalcium phosphate，β-TCP）多孔生物陶瓷具備優良的血管化性能，并探索總結出了最適于血管化的三維微結構參數：大孔直徑 500～600 μm，內連接孔直徑 120～160 μm[7-10]。在此基礎上我們提出了采用 β-TCP 生物陶瓷系統微創治療 ONFH 的方法，即利用多孔生物陶瓷棒將股骨大轉子附近及股骨頸豐富的血運引導至壞死區，促進血管再生和骨修復。本研究通過對多孔生物陶瓷棒的血管化評價、模擬手術的力學分析，對生物陶瓷系統微創治療 ONFH 的理論體系進行完善，并開展一項多中心臨床回顧性研究，對這一新保髖方法的臨床效果進行評估。報告如下。
1 多孔生物陶瓷棒血管化研究
1.1 實驗動物及主要材料、試劑、儀器
7～8 月齡雄性新西蘭大白兔 18 只，體質量（2.5±0.5）kg，購自空軍軍醫大學動物實驗中心。
β-TCP 多孔生物陶瓷棒（上海貝奧路生物材料有限公司），規格參數：長 12 mm，直徑 5 mm，孔隙率 70%±15%，孔徑 500～600 μm，大孔之間存在相互連通的內連接孔（120～160 μm）。β-TCP 多孔生物陶瓷棒的一端以生物鈦膜（西安中邦鈦生物材料有限公司）包裹，包裹高度 5 mm。見圖 1。
圖1
β-TCP 多孔生物陶瓷棒
a. 包裹生物鈦膜前后大體觀察；b. 掃描電鏡觀察（×30）
Figure1. β-TCP bioceramic roda. General observation before and after wrapping with titanium biofilm; b. Scanning electron microscope observation (×30)
MicroFill MV-117 灌注液（Flow Tech 公司，美國）；10% 中性甲醛固定液、14%EDTA 脫鈣液（南昌雨露實驗器材有限公司）。Leica SP1600 鋸式切片機（Leica 公司，德國）；熒光顯微鏡（Olympus 公司，日本）；micro-CT 掃描儀（Philips 公司，荷蘭）。
1.2 血管化動物模型制備
取 18 只新西蘭大白兔，以陸眠寧（0.5 mL/kg）+戊巴比妥鈉（30 mg/kg）復合麻醉后，于膝關節外側作長約 1 cm 手術切口，分離軟組織至骨。以電鉆于兔股骨髁部制備一規則骨缺損（直徑 6 mm、深 12 mm），植入包裹生物鈦膜的 β-TCP 多孔生物陶瓷棒。見圖 2。術后 4、8、12 周分別取 6 只動物行 MicroFill 微血管灌注：于腹正中線切開長約 8 cm 手術切口，逐層分離皮下組織及肌肉，顯露腹主動脈及靜脈；結扎腹主動脈及腹主靜脈近心端，肝素生理鹽水（100 U/L）由腹主動脈持續灌洗兔后肢血管網絡，至靜脈端回流液清亮；灌注 10% 中性甲醛固定液 300 mL 對后肢血管進行固定，然后采用自動注射泵灌注 50 mL MicroFill MV-117 灌注液（含稀釋液及固定劑），灌注速度 10 mL/min。過量陸眠寧麻醉處死動物，尸體于 4°C 過夜后，取股骨下段標本，于 10% 中性甲醛固定液固定 72 h，然后置于 14%EDTA 脫鈣液脫鈣，針刺法確認脫鈣成功。
圖2
兔股骨髁部骨缺損模型中陶瓷棒植入位置
Figure2.
The location of bioceramic rod in rabbit model of femoral condylar bone defect
1.3 Micro-CT 掃描血管三維重建
將各時間點脫鈣標本適當修剪后置于 micro-CT 掃描儀進行掃描，掃描參數：分辨率 1 024×1 024 像素，層間距 39 μm，掃描時間 20 min。將所獲得的 micro-CT 圖像導入三維重建分析軟件 Mimics17.0（Materialise 公司，比利時），經反復調試，采用單一閾值法提取血管圖像并進行三維重建。在三維模型中對血管長入包裹區深度、血管數目、血管直徑進行測量。
1.4 熒光背景下血管顯像
Micro-CT 掃描后將標本置于流水下沖洗 12 h，經梯度乙醇脫水、二甲苯透明后進行包埋。以 Leica SP1600 鋸式切片機制備厚度為（300±10）μm 的硬組織切片，拋光后在熒光（激發光為藍色光，波長 430～460 nm）背景下觀察血管在骨組織中的分布及形態；在熒光背景下，骨及纖維組織為綠色，灌注后的血管顯示為鮮艷的紅色，二者對比度極高。各樣本隨機選取陶瓷棒縱軸中心位置 3 張切片，用 Image Pro Plus 6.0 軟件（Media Cybernetics 公司，美國）對血管長入包裹區的深度、血管數目以及血管直徑進行測量。
1.5 統計學方法
采用 SPSS17.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，各時間點間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 SNK 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
1.6 結果
1.6.1 Micro-CT 掃描血管三維重建
術后 4 周，股骨髁部隧道周圍開始出現大量修復性新生血管，由非包裹區長入包裹區內；8 周，包裹區內可見豐富的血管團簇，且骨隧道周圍新生血管進一步增多并趨于成熟；12 周，新生血管幾乎貫通整個包裹區，但隧道周圍的新生血管相對減少。見圖 3。隨術后時間延長，血管長入包裹區深度、血管數目、血管直徑均逐漸增加，各時間點間比較差異均有統計學意義（P<0.05）。見表 1。
圖3
植入后各時間點 micro-CT 掃描血管三維重建及陶瓷棒長軸方向 CT 圖像
a. 4 周；b. 8 周；c. 12 周
Figure3. Micro-CT based three-dimensional reconstruction of blood vessel and longitudinal CT images at different time points after implantationa. Four weeks; b. Eight weeks; c. Twelve weeks
表1
術后各時間點生物鈦膜包裹區血管化參數（n=6，）
Table1.
Vascularization parameters of titanium biofilm encapsulated area at different time points after operation (n=6, )
1.6.2 熒光背景下血管顯像
熒光背景下可見大量新生血管由陶瓷棒非包裹區長入包裹區，于 4 周和 8 周時亦可觀察到骨隧道周圍大量修復性血管增生。見圖 4。隨術后時間延長，血管長入包裹區深度、血管數目、血管直徑均逐漸增加，各時間點間比較差異均有統計學意義（P<0.05）。見表 1。
圖4
植入后 8 周熒光背景下血管顯像，生物鈦膜（箭頭） 包裹區內可見豐富血管（×12.5）
Figure4.
Fluorescence image at 8 weeks after implantation, showing rich blood vessels in the encapsulated area of biotitanium biofilm (arrow) (×12.5)
2 生物陶瓷系統治療 ONFH 的力學研究
2.1 標本處理及主要材料、儀器
市售新鮮豬股骨 9 個，剔除所有軟組織，經 X 線透視證實無病理改變；股骨頭直徑（37±2）mm，頸干角（120±10）°。實驗前 24 h 將樣本從?20℃ 取出至室溫解凍，于股骨遠端 1/4 處截斷，留取近端 3/4 待用。
β-TCP 生物陶瓷植入物體系（上海貝奧路生物材料有限公司）包括：① 密質生物陶瓷顆粒，不規則型，粒徑 1.5～3.5 mm；② 多孔生物陶瓷顆粒，不規則型，粒徑 1.5～3.5 mm，孔徑 500～600 μm，內連接孔直徑 120～160 μm；③ 多孔生物陶瓷棒，圓柱型，直徑 10 mm，長 40 mm，孔隙參數同多孔生物陶瓷顆粒。微創治療 ONFH 配套手術器械（上海貝奧路生物材料有限公司）；Materal Test System 力學試驗機（MTS 公司，美國）。
2.2 實驗分組及方法
將標本隨機分為 3 組：A 組為正常股骨頭頸組，B 組為空腔組，C 組為植骨組，每組 3 個。按照術前標記，B、C 組于大轉子下 12 mm 處沿股骨頸中心打入導針至股骨頭軟骨面下 5 mm，沿導針鉆入空心鉆形成骨隧道；然后利用潛行刮刀刮除股骨頭內部分骨質，至刮刀完全展開，股骨頭內部形成一球形骨缺損區（直徑 28 mm）。C 組打壓植入混合陶瓷顆粒（密質生物陶瓷 5 g+多孔生物陶瓷 3 g），并在骨隧道內植入 β-TCP 多孔生物陶瓷棒，骨隧道開口處以骨水泥填塞。見圖 5a。
圖5
生物陶瓷系統治療 ONFH 的力學分析
a. 手術模擬建模；b. 力學加載
Figure5. Mechanical analysis of bioceramic system in the treatment of ONFHa. Simulated surgical model; b. Mechanical loading
2.3 生物力學檢測
將各組股骨標本下端置于金屬模具中，并用骨水泥固定于內收 15°、內旋 10° 位，矢狀面位于中立位，模擬雙足站立時的受力情況。力學加載采用 Materal Test System 力學試驗機在股骨頭頂端逐級連續加載至標本毀損，加載速度恒定為 1.0 mm/min。見圖 5b。計算機記錄位移和力學數據，繪制位移-形變曲線，計算各組標本的剛度及屈服載荷。
2.4 統計學方法
采用 SPSS17.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 SNK 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
2.5 結果
A、B、C 組標本的剛度分別為（2.852±0.142）、（0.807±0.171）、（1.184±0.113）kN/mm，B、C 組顯著低于 A 組，差異有統計學意義（P<0.05）；B、C 組間差異無統計學意義（P>0.05）。A、B、C 組屈服載荷分別為（6.765±0.142）、（1.583±0.112）、（3.121±0.531）kN，B、C 組顯著低于 A 組，B 組顯著低于 C 組，差異均有統計學意義（P<0.05）。C 組標本的剛度恢復至 A 組的 41.52%±3.96%，屈服載荷恢復至 A 組的 46.14%±7.85%。
3 多中心回顧性臨床評估
3.1 患者一般資料
納入標準：① 國內 7 所醫療中心收治的 ONFH 患者；② 采用 β-TCP 生物陶瓷系統微創方法行保髖治療；③ 國際骨循環協會（ARCO）分期為Ⅱ、Ⅲ期；③ 術后隨訪資料完整。排除標準：① 合并髖關節其他疾患；② 隨訪期間死亡病例。2012 年 1 月—2018 年 7 月，共 200 例（232 髖）ONFH 患者符合選擇標準納入研究。
本組男 145 例，女 55 例；年齡 17～76 歲，平均 42 歲。左髖 80 例，右髖 88 例，雙髖 32 例。ONFH 原因：酒精性 91 例，激素性 58 例，創傷所致 16 例，不明原因 35 例。按照 ARCO 分期為Ⅱ期 150 髖（ⅡA 期 20 髖、ⅡB 期 60 髖、ⅡC 期 70 髖），Ⅲ期 82 髖（ⅢA 期 42 髖、ⅢB 期 22 髖、ⅢC 期 18 髖）。
3.2 手術方法
手術使用特制手術工具完成（專利：CN102038544 B）。患者于全麻或蛛網膜下腔阻滯麻醉下取仰臥位，以大轉子下 20 mm 處向股骨頸中央打入導針，正側位 X 線透視觀察導針位置。以導針為中心縱行切開 12 mm 長全層切口至骨，隨后鉆入直徑 12 mm 的空心鉆至股骨頭軟骨下 5 mm 形成骨隧道，鉆頭鉆入過程中收集骨泥和骨髓液；將潛行刮刀推送至骨隧道底部，順時針旋轉控刀手柄逐步展開刀片，隨后順時針轉動旋刮刀柄刮除壞死骨區域。透視確認清除達標后，收攏刀片并撤出潛行刮刀；將多功能植骨器插至骨隧道底部后回撤 30 mm，打壓植入混合有骨泥和骨髓液的混合生物陶瓷顆粒（密質生物陶瓷顆粒 5 g+多孔生物陶瓷顆粒 3 g），最后將浸泡過骨髓液的多孔生物陶瓷棒（直徑 10 mm、長 80 mm）通過植骨器管道盡可能深地植入骨隧道，清洗和縫合切口。見圖 6。
圖6
手術流程示意圖
a. 打入導針；b. 建立骨隧道；c. 刮除壞死骨；d. 打壓植骨；e. 植入多孔生物陶瓷棒
Figure6. Surgical procedurea. Insertion of K-wire; b. Establishment of bone tunnel; c. Necrosis debridement; d. Bioceramic granule grafting;e. Implantation of the bioceramic rod
3.3 術后處理及療效評估
患者術后次日即可免負重下床，但必須拄雙拐 3 個月，隨后拄單拐 3～6 個月，根據影像學結果確定負重量和時間。
術后 1、3、6 個月行影像學及肢體功能評估，隨后每半年評估 1 次。影像學結果分為兩個等級：① 穩定：壞死范圍無擴大，無塌陷或塌陷未加重，植入材料降解并伴有成骨；② 進展：壞死范圍擴大，出現塌陷或塌陷加重，植入材料未降解。術髖功能評估采用 Harris 評分，分為優（90～100 分）、良（80～90 分）、可（70～80 分）、差（<70 分）4 個等級。
3.4 統計學方法
采用 SPSS17.0 統計軟件進行分析。計量資料以均數±標準差表示，手術前后比較采用配對 t 檢驗，組間比較采用獨立樣本 t 檢驗；率的比較采用 χ2 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
3.5 結果
本組 232 髖均順利完成手術，圍術期無患者死亡。1 例患者在植入多孔生物陶瓷棒時發生肺空氣栓塞，經術中對癥治療后緩解。術后均未發生感染、下肢深靜脈血栓形成等并發癥。200 例患者均獲隨訪，隨訪時間 6～73 個月，平均 22.7 個月。
3.5.1 髖關節生存率
至末次隨訪時有 12 例（16 髖）行全髖關節置換術，髖關節生存率為 93.10%。3 髖因早期增加負重導致股骨頭頸骨折而行全髖關節置換術，余均為 ONFH 影像學進展及臨床癥狀持續加重而行全髖關節置換術。其中 ARCO Ⅱ期 6 髖、Ⅲ期 10 髖；Ⅱ期患者髖關節生存率為 96.00%，Ⅲ期為 87.80%，差異有統計學意義（χ2=5.545，P=0.019）。
3.5.2 影像學評估
術后即刻 X 線片可見多孔生物陶瓷棒與骨隧道之間存在間隙，植入股骨頭內的陶瓷顆粒清晰且邊緣銳利；術后影像學隨訪顯示多孔生物陶瓷棒逐漸降解，伴隨骨組織修復。末次隨訪時，184 髖（79.31%）影像學穩定，48 髖（20.69%）出現影像學進展。出現影像學進展患者中，ARCO Ⅱ期 14 髖（9.33%），Ⅲ期 34 髖（41.46%），差異有統計學意義（χ2=33.355，P=0.000）。見圖 7。
圖7
患者，男，38 歲，酒精性 ONFH（ARCO ⅡC 期）
a. 術前 X 線片；b. 術前 MRI；c. 術前 CT；d. 術后 1 周 X 線片；e. 術后 6 個月 X 線片；f. 術后 12 個月 X 線片；g. 術后 24 個月 X 線片
Figure7. A 38-year-old male patient with alcohol-induced ONFH (ARCO stage ⅡC)a. Preoperative X-ray film; b. Preoperative MRI; c. Preoperative CT; d. X-ray film at 1 week after operation; e. X-ray film at 6 months after operation; f. X-ray film at 12 months after operation;g. X-ray film at 24 months after operation
3.5.3 Harris 評分
本組患者末次隨訪時 Harris 評分為（79.3±17.3）分，較術前（57.3±12.0）分顯著改善，差異有統計學意義（t=18.600，P=0.000）；獲優 73 髖（31.46%），良 76 髖（32.76%），可 28 髖（12.07%），差 55 髖（23.71%），優良率達 64.22%。其中 ARCO Ⅱ期患者末次隨訪時 Harris 評分為（84.6±14.5）分，顯著高于Ⅲ期的（69.7±18.1）分，差異有統計學意義（t=6.871，P=0.000）。
4 討論
4.1 多孔生物陶瓷微創治療 ONFH 的理論體系
β-TCP 多孔生物陶瓷具有生物相容性、骨傳導性及生物降解性等優點，作為人工骨材料已被廣泛用于骨缺損修復等領域。其代謝產物主要為 Ca2+ 和 PO43-，可直接參與骨的礦化，促進新骨形成。我們既往研究也證實了特定三維結構的 β-TCP 多孔生物陶瓷具備引導血管再生的性能，并確定了利于血管化的最佳三維結構參數[7, 9]。生物陶瓷系統微創治療 ONFH，通過清除死骨、重建骨床及多孔生物陶瓷材料的血管引導作用，重建骨壞死區的血運，使其最終形成生物性骨修復及生物性力學支撐。其核心理論體系包括 5 個方面：① 多孔生物陶瓷棒發揮“橋梁”作用，將大轉子附近及股骨頸豐富的血運循環引導至股骨頭，為壞死區修復提供干細胞及營養物質，創造基本修復條件；② 通過特制的潛行刮刀對股骨頭內壞死組織進行清除，然后混合術程中收集的骨泥及骨髓液，增強了生物陶瓷的生物活性及修復性能；③ 通過粗通道髓芯減壓釋放骨內高壓，可緩解患者疼痛癥狀，利于壞死修復；④ 股骨頭內植骨采用密質生物陶瓷和多孔生物陶瓷混合打壓的方式，可在術后早期為軟骨下骨提供一定的力學支撐，同時不至于破壞多孔生物陶瓷顆粒的互聯互通結構而影響其血管化及成骨性能；⑤ 隨著生物陶瓷降解及新骨生成，股骨頭頸的生物力學性能逐步增強，最終可恢復完全的骨性力學支撐。
本研究利用動物實驗，通過 micro-CT 血管三維重建及熒光背景顯像的方法確證了多孔生物陶瓷棒的血管化能力。用生物鈦膜包裹部分多孔生物陶瓷棒，模擬體內缺血環境，血管及骨修復只能經由陶瓷棒單向進行。結果顯示，在早期修復過程中，陶瓷棒周圍出現大量代償性新生血管，并且在 12 周時，陶瓷棒內新生血管貫通鈦膜包裹區。結合臨床，粗通道髓芯減壓及病灶刮除所致創傷，在術后早期可動員大量新生血管，為 ONFH 的修復提供了基礎血運條件。大轉子附近及股骨頸的血運在術后即刻通過血流灌注的方式到達壞死區，后期隨著新生血管逐步長入，可于陶瓷系統內部形成穩定的動靜脈循環系統，恢復股骨頭內血運。模擬手術的力學檢測結果顯示，潛行刮刀經由股骨頸粗通道對股骨頭內病灶進行刮除，會導致股骨頭頸部力學性能明顯下降，其剛度下降至正常骨的 28.31%±6.00%，屈服載荷下降至正常骨的 23.40%±1.66%。進行混合打壓植骨及陶瓷棒植入，可以部分恢復股骨頭頸部力學性能，其剛度恢復至正常骨的 41.52%±3.96%，屈服載荷恢復至正常骨的 46.14%±7.85%。與其他保髖方法不同的是，隨著植入生物陶瓷的降解和新骨形成，股骨頭頸部的生物力學性能逐步增強，理論上最終可形成與正常骨同樣的力學支撐。
4.2 臨床療效及其相關影響因素
多中心臨床回顧性研究結果顯示，本組患者髖關節總生存率為 93.10%。其他研究報道中，經髓芯減壓通道或股骨頸窗的非血管化骨移植，其髖關節生存率為 55%～87%[11-13]；鉭棒植入的髖關節生存率為 60%～80%，但有一些學者對此數據提出質疑，并不推薦將鉭棒植入作為首選[14-16]；血管化移植包括血管化腓骨移植及血管化骨瓣轉移，其髖關節生存率超過 80%[17-19]。β-TCP 生物陶瓷系統微創治療 ONFH，其髖關節生存率優于非血管化骨移植及鉭棒植入，接近血管化骨移植效果。該方法的優勢在于：① 恢復股骨頭血運，從基礎理論上解決股骨頭修復的血供問題；② 植入生物陶瓷材料可降解，不影響 X 線片、CT 及 MRI 等影像學檢查，若保髖失敗，不影響關節置換；③ 力學支撐逐步增強；④ 手術微創，操作步驟簡便易行，適于推廣。本組末次隨訪時患者 Harris 評分為（79.3±17.3）分，優良率達 64.22%。按照術前 ARCO 分期對患者進行分組分析，結果顯示 ARCO Ⅱ期患者髖關節生存率、影像學等級及 Harris 評分均顯著優于 ARCO Ⅲ期患者（P<0.05）。提示 ONFH 術前分期對手術預后具有重要影響，術前股骨頭塌陷、軟骨下骨分離以及軟骨剝脫，常常提示預后不良。
綜上述，生物陶瓷系統微創治療 ONFH，可引導大轉子附近及股骨頸血運至股骨頭促進壞死修復，早期能夠部分恢復股骨頭頸力學性能，為 ONFH 患者，尤其是早期壞死患者提供了一種新的微創保髖方法。但本研究存在以下局限性，有待進一步完善：① 血管化研究中使用 5 mm×12 mm 規格小陶瓷棒，與臨床有所區別；② 難以獲得足夠樣本的新鮮人股骨進行力學模擬，豬股骨頭頸部解剖學參數雖與人相近，但存在一定差異；③ 由于該方法應用時間較短，缺乏長期隨訪結果，因此臨床評估有待進一步跟進，目前相關的臨床多中心前瞻性研究已經啟動。
作者貢獻：魯亞杰、盧霄負責統計分析，文章撰寫；王臻、盧建熙負責科研設計；魯亞杰、陳獻韜、牛東升、馮憲發、張成泉、余進偉、王保蒼負責科研實施和數據收集整理。
利益沖突：所有作者聲明，在課題研究和文章撰寫過程中不存在利益沖突。
機構倫理問題：多中心臨床研究方案經中國人民解放軍空軍軍醫大學第一附屬醫院藥物臨床試驗倫理委員會批準（KY20162052-1）。動物實驗經中國人民解放軍空軍軍醫大學實驗動物倫理委員會批準，實驗動物使用許可證號：SYXK（陜）2014-001。
