1、www.CRTER.org楊保家，等. 影像及生物力學測試尼古丁劑量與腰椎后外側植骨融合率的相關性影像及生物力學測試尼古丁劑量與腰椎后外側植骨融合率的相關性 楊保家，楊開舜，姚汝斌(大理學院附屬醫(yī)院脊柱外科，云南省大理市 671000)引用本文：楊保家，楊開舜，姚汝斌. 影像及生物力學測試尼古丁劑量與腰椎后外側植骨融合率的相關性J.中國組織工程研究，2016，20(48):7251-7260.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.48.016 ORCID: 0000-0003-3413-6435(楊開舜)文章快速閱讀：尼古丁劑量與腰椎后外側植骨融合率的相關性楊保

2、家，男，1986年生，碩士，醫(yī)師。通訊作者：楊開舜，碩士，教授，碩士生導師，主任醫(yī)師，大理學院附屬醫(yī)院脊柱外科，云南省大理市 671000 中圖分類號:R318文獻標識碼:B文章編號:2095-4344(2016)48-07251-10稿件接受：2016-09-11對照組：注射生理鹽水實驗組：注射不同劑量尼古丁觀察12周處死家兔X射線評價方法CT掃描手觸法生物力學取L4-L7脊柱標本評價脊柱融合情況后路切開L5-6雙側橫突后外側融合術健康新西蘭家兔60只文題釋義：腰椎融合術：就是以病變的腰椎為中心，從病損的腰椎上下的正常脊椎進行植骨，從而使包括病變腰椎在內(nèi)的上下正常脊椎的多個節(jié)段達到骨性融合，

3、在生物力學上形成一個整體，目的是切除病變、減少或消除疼痛、防止脊柱畸形、重建脊柱穩(wěn)定性和保護脊髓。生物力學：研究的目的是定量分析物理力對活體系統(tǒng)的效應，其涉及范圍相當廣泛，凡是可以應用力學及計算機原理進行分析的醫(yī)學和生物學的問題，均屬于生物力學的研究范疇。脊柱生物力學從強度、疲勞和穩(wěn)定性等方面研究脊柱的功能。摘要背景：臨床上出現(xiàn)因吸煙影響植骨區(qū)周圍血供，最終影響脊柱融合。對于不同劑量尼古丁對脊柱融合影響的相互比較國內(nèi)外尚未見報道。目的：探討尼古丁對家兔脊柱融合模型的影響，闡明尼古丁的劑量與脊柱融合率的相關性。方法：選擇60只6-8月齡的成年健康家兔，隨機分為4組，每組15只。4組動物均在肌肉注

4、射麻醉下行L5/6后路腰椎橫突間融合術。術后第1天開始，對照組每天皮下注射生理鹽水1 mL/(kg次)，3次/d；其他3組均給予不同劑量的尼古丁溶液，每天皮下注射尼古丁劑量分別為2，4，8 mg/(kg次)，3次/d。術后12周，通過生物力學測試、手觸法檢測和影像學評估分析尼古丁對脊柱后外側橫突間融合手術融合率的影響。結果與結論：手觸法檢測和影像學評估結果：2 mg/(kg次)的尼古丁對脊柱融合無明顯影響，4，8 mg/(kg次)的尼古丁阻礙了脊柱的融合，降低了融合率；生物力學測試結果：3個尼古丁劑量組與對照組相比，差異均有顯著性意義(P < 0.01)；3個尼古丁劑量組的差異均有顯著性

5、意義(P < 0.01)；4 mg/(kg次)尼古丁組和8 mg/(kg次)尼古丁組的差異無顯著性意義(P > 0.05)；說明所有劑量的尼古丁均影響了骨痂形成，降低了融合率，并且隨劑量的增加，融合率明顯下降；結果提示，所有劑量的尼古丁均可降低脊柱融合率，而且尼古丁對脊柱融合的影響具有劑量依賴性。關鍵詞：骨科植入物；脊柱植入物；尼古?。缓笸鈧妊等诤?；動物模型；生物力學主題詞：脊柱融合術；模型，動物；尼古??；生物力學；組織工程基金資助：云南省應用基礎研究面上項目(2011FZ294)3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 kf23385083Correlati

6、on of nicotine dose and lumbar posterolateral fusion rate: imaging and biomechanical testingYang Bao-jia, Yang Kai-shun, Yao Ru-bin (Department of Spinal Surgery, Affiliated Hospital of Dali University, Dali 671000, Yunnan Province, China)AbstractBACKGROUND: Smoking affects blood supply around the g

7、raft area, ultimately affecting spinal fusion. Few studies reported the effects of different doses of nicotine on spinal fusion. OBJECTIVE: To evaluate nicotine effects on rabbit model of spinal fusion, and to clarify the correlation between the dose of nicotine and spinal fusion rate. METHODS: Sixt

8、y healthy adult white rabbits aged 6-8 months were selected and randomly divided into four groups, with 15 rabbits in each group. Rabbits in the four groups received L5/6 posterior lumbar intertransverse fusion under intramuscular anesthesia. On day 1 after surgery, rabbits in the control group were

9、 subcutaneously injected with physiological saline 1 mL/kg, three times a day. Rabbits in other groups received different doses of nicotine solution: 2, 4, 8 mg/kg through subcutaneous injection, three times a day. 12 weeks after surgery, effects of nicotine on the fusion rate of posterolateral lumb

10、ar interbody fusion surgery were determined by biomechanical testing, hand touch detection and imaging. RESULTS AND CONCLUSION: (1) Hand touch detection and imaging: 2 mg/kg nicotine did not have significant effect on spinal fusion. 4 and 8 mg/kg nicotine blocked spinal fusion and decreased fusion r

11、ate. (2) Biomechanical testing: Significant differences were detected between nicotine groups and control group (P < 0.01). Significant differences were detectable among the three nicotine groups (P < 0.01). No significant difference was determined between 4 mg/kg nicotine and 8 mg/kg nicotine

12、 groups (P > 0.05). All doses of nicotine affected callus formation, reduced fusion rate; moreover, with the increased dose, the fusion rate obviously diminished. (3) These findings concluded that all doses of nicotine could decrease spinal fusion. Moreover, the effect of nicotine on spinal fusio

13、n was dose-dependent. Subject headings: Spinal Fusion; Models, Animal; Nicotine; Biomechanics; Tissue EngineeringFunding: the General Program of Applied Research in Yunnan Province, No. 2011FZ294Cite this article: Yang BJ, Yang KS, Yao RB. Correlation of nicotine dose and lumbar posterolateral fusio

14、n rate: imaging and biomechanical testing. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(48):7251-7260.Yang Bao-jia, Master, Physician, Department of Spinal Surgery, Affiliated Hospital of Dali University, Dali 671000, Yunnan Province, ChinaCorresponding author: Yang Kai-shun, Master, Professor, Masters

15、supervisor, Chief physician, Department of Spinal Surgery, Affiliated Hospital of Dali University, Dali 671000, Yunnan Province, China7255ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction腰椎融合術被廣泛應用于治療脊柱側后凸畸形、脊柱骨折脫位、脊柱滑脫、椎管狹窄及椎間盤等多種疾病，重建脊柱穩(wěn)定性1。作為一種經(jīng)典的手術方式，手術成功與否主要通過術后脊柱穩(wěn)定程度以及新骨形成進行評價。隨著吸煙人群的

16、增加，臨床上出現(xiàn)因吸煙影響植骨區(qū)周圍血供的情況，最終影響脊柱融合2。吸煙患者進行脊柱融合手術后發(fā)生不融合或仍存在腰腿痛的概率明顯比不吸煙患者高，其癥狀改善也不明顯3。有研究表明吸煙患者的脊柱不融合明顯高于非吸煙患者4-6。煙草中尼古丁含量最多，毒性也最大。對于不同劑量尼古丁對脊柱融合影響的相互比較國內(nèi)外尚未見報道。家兔能夠模擬人體腰椎融合的生理機制和生物力學變化。實驗采用家兔作為動物模型，模擬人類不斷吸煙造成體內(nèi)尼古丁劑量增加，探討尼古丁與脊柱融合的強度、融合率是否存在劑量相關性。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 設計 隨機對照動物實驗。1.2 時間及地點 于

17、2011年10月至2014年7月在大理大學附屬醫(yī)院脊柱外科完成。1.3 材料1.3.1 實驗動物 普通健康新西蘭家兔60只，大理學院實驗動物中心提供，體質(zhì)量2.5-3.2 kg，月齡6-10個月。脊柱融合手術前適應性喂養(yǎng)實驗家兔1周，確定其健康無畸形。將家兔按隨機數(shù)字表法為4組，每組15只。4組動物均在3%的戊巴比妥鈉肌肉注射麻醉下行后路腰椎橫突間融合術。術后第1天開始，對照組每天皮下注射生理鹽水1 mL/(kg次)，3次/d；其他3組均給予不同劑量的尼古丁溶液，每天皮下注射尼古丁劑量分別為2，4， 8 mg/(kg次)，3次/d。1.3.2 主要器械、儀器及材料手術設備：不銹鋼電動煮沸消毒鍋

18、，實驗用手術器械(手術刀柄、無菌刀片、血管鉗、持針器、剪刀、無菌縫針、縫線、鑷子)，磨鉆，家兔用動物實驗臺，醫(yī)用烤燈(泰昌醫(yī)療器材廠)，均由大理學院外科實驗室提供。實驗試劑：尼古丁標準液(上海有思生物有限公司，5 mL/支)，生理鹽水(四川科倫藥業(yè)股份有限公司)，戊巴比妥鈉(北京普博斯生物科技有限公司)，注射用頭孢唑林鈉(河北制藥有限責任公司)，自凝牙托粉和自凝牙托水(上海醫(yī)療器械股份有限公司)。主要儀器：液壓萬能力學實驗機(上海新三思計量儀器制造有限公司)，見圖1，2；X射線機(荷蘭PHILIPIS DR機)；CT機(荷蘭PHILIPIS 64排螺旋CT)；電冰箱(日本三洋MDF-382E型

19、)。1.4 實驗方法1.4.1 術前準備及麻醉 脊柱融合手術前1周，適應性喂養(yǎng)實驗家兔，確定健康無畸形。術前家兔禁食8 h，禁水2 h。術前動物稱質(zhì)量，了解抗生素、麻醉藥及后期尼古丁所需的劑量。術前30 min肌肉注射頭孢唑林鈉50 mg/kg一次。按30 mg/kg劑量的戊巴比妥鈉溶液肌注麻醉。麻醉成功后，家兔角膜反射遲鈍，對疼痛刺激無反應。麻醉時間可維持二至三小時。1.4.2 家兔腰椎后路橫突間植骨融合術 麻醉成功后，背側脫毛備皮(圖3A)，將家兔俯臥位固定于實驗臺上。開啟醫(yī)用烤燈，使動物體溫保持在36.5-37.5 。以L5/6為中心用碘伏消毒手術區(qū)域(圖3B)，鋪無菌洞巾(圖3C)，作

20、后正中切口，切開皮膚、皮下組織達深筋膜(圖3D)。用刀柄鈍性剝離椎旁肌外側肌肉，在髂腰肌與多肋肌之間進入，顯露雙側L5/6橫突(圖3E)。無菌紗布填塞加壓術口。牽開尾端皮膚切口，鈍性剝離暴露髂骨，用剪刀取雙側髂骨各約2 g，并將髂骨剪碎成細小顆粒待用(圖3F，G)。局部加壓徹底止血后，將雙側L5/6橫突背側用磨鉆去皮質(zhì)化(圖3H)，并將髂骨顆粒作為移植骨植入L5/6橫突間(圖3I)。術后徹底止血，用碘伏水及生理鹽水徹底沖洗術口。逐層閉合術口(圖3J)，術中出血約20 mL。1.4.3 術后處理 術后將家兔置于溫箱，用醫(yī)用烤燈保溫(圖3K，L)。家兔蘇醒并開始進食后，放于動物中心兔籠內(nèi)繼續(xù)喂養(yǎng)(

21、圖3M，N)。術后所有家兔每天肌注頭孢唑林50 mg/(kg次)，2次/d，共2 d。術后1周，觀察家兔傷口無感染，飲食、活動均正常。1.4.4 術后家兔注射尼古丁造模及取材 術后第1天開始，對照組每天皮下注射生理鹽水1 mL/(kg次)，3次/d；其他3組均給予不同劑量的尼古丁溶液，每天皮下注射尼古丁劑量分別為2，4，8 mg/(kg次)，3次/d。術后12周沿耳緣靜脈用空氣栓塞方法處死家兔，截取L4-L7脊柱節(jié)段，剔除腰椎周圍肌肉。保留脊柱前方結構及后方的棘間、棘上韌帶和關節(jié)囊。1.5 主要觀察指標大體及手觸觀察：觀察標本，注意橫突間新生骨痂的形狀、大小、質(zhì)地，將明顯植骨區(qū)骨痂未形成的標本

22、直接剔除。其余有新生骨痂形成標本由2位未參與該實驗過程的骨科醫(yī)師手觸法檢查骨痂硬度，輕柔檢查融合間隙及上下相鄰間隙活動度，2名觀察者都評價為無明顯活動度、固定則定義為融合，任何一位醫(yī)師評價存在活動，則視為不融合7。X射線檢查：對所有拍攝正側位X射線片，球管距標本80 cm，拍攝條件為55 kV、90 mA、50 ms，觀察植骨區(qū)橫突間骨小梁情況。按照放射學評分系統(tǒng)，融合標準為融合節(jié)段出現(xiàn)連續(xù)骨橋，中等量新骨形成或大量新骨形成定義為融合8。結果由2名(未參與實驗)放射科醫(yī)師進行評定。CT檢查：采用螺旋CT對模型做平掃和三維重建，掃描層厚為1 mm。融合情況采用Baramki等9的分類方法進行評定

23、。以50%-100%植骨區(qū)鈣化形成骨橋評定為融合。生物力學測試：用融合的模型制作生物力學測試試件(圖4A)。用口腔科制作義齒的義齒基托樹脂(由牙托粉和牙托水組成)鑄造力學試件平臺，便于力學實驗機夾具的夾持。將自凝牙托粉調(diào)和成面團狀可塑物。用面團狀可塑物包埋標本上下兩端，兩端平面保持平行，面積約為2 cm×2 cm，便于加載和受力均勻一致。將制作好的試件依次固定于液壓萬能力學試驗機上進行生物力學實驗(圖4B)，對標本施加0.4 Nm的屈伸力矩，加載速度為1 mm/min。先行2次非破壞性測試，進行加載和卸載循環(huán)，減少脊柱黏彈性影響。第3次加載時記錄融合節(jié)段最大位移。進行力學測量，通過液

24、壓力學試驗機的感受器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機處理，繪制載荷-位移曲線(圖4C)，并由曲線得出運動范圍和中性區(qū)數(shù)值。1.6 統(tǒng)計學分析 統(tǒng)計數(shù)據(jù)用SPSS 19.0軟件包進行統(tǒng)計學分析。對于手觸法檢測和影像學檢測，根據(jù)融合和未融合將每組家兔進行計數(shù)，2組間比較采用4個表2檢驗，多組間比較采用行×列表資料2檢驗；生物力學測試數(shù)據(jù)采用方差分析。2 結果 Results2.1 實驗動物數(shù)量分析 納入家兔60只，隨機分為4組，每組15只，全部進入結果分析，無脫失。BA圖2 液壓萬能力學實驗機-數(shù)據(jù)圖像處理設備Figure 2 Hydraulic universal mechanical testin

25、g machine-data image processing equipment圖1 液壓萬能力學實驗機-加壓動力機Figure 1 Hydraulic universal mechanical testing machine- pressurized power machine圖5 術后12周處死家兔取融合節(jié)段標本大體觀察Figure 5 General observation of rabbit fusion segment specimens at 12 weeks after surgery圖注：圖A為對照組標本融合情況；B為尼古丁組標本融合情況。GDCABEFNMLKJIH圖3 兔

26、腰椎后外側融合術中及術后圖片F(xiàn)igure 3 Images during and after rabbit lumbar posterolateral fusion圖注：圖A為剪毛備皮；B為皮膚消毒；C為鋪洞巾；D為切開皮膚及皮下筋膜；E為椎旁肌外側入路暴露橫突；F為取自體髂骨術；G為將髂骨剪碎成細顆粒狀；H為用磨鉆將橫突去皮質(zhì)化；I為將顆粒狀髂骨植入橫突之間；J為逐層縫合術口；K為術后將兔放于保溫箱內(nèi)待家兔麻醉蘇醒；L為術后蘇醒，可站立活動，自主進食；M為術后家兔完全蘇醒，能自主進食，繼續(xù)分籠喂養(yǎng)；N為術后家兔完全蘇醒，能自主進食，繼續(xù)分籠喂養(yǎng)。BCA圖4 兔融合節(jié)段標本生物力學測試相關圖片

27、Figure 4 Biomechanical test of rabbit fusion segment specimens圖注：圖A為截取L4-L7節(jié)段用自凝牙托粉包埋兩端制成力學試件；B為利用液壓萬能力學實驗機進行生物力學實驗；C為利用計算機得到的力-位移曲線。圖6 術后12周兔融合節(jié)段標本X射線檢查結果Figure 6 X-ray films of rabbit fusion segment at 12 weeks after surgery圖注：圖A為兩橫突間見充滿融合的骨塊，和手觸法檢查一致，均牢固融合；B為兩橫突間僅為骨橋相連，寬度不一致，和手觸法檢查融合程度不一致；C為橫突間一側

28、充滿骨組織，另一側被吸收，經(jīng)手觸測定證實為不融合；D為兩橫突間無任何高密度影，表明移植物已完全被吸。DCBA圖7 術后12周兔融合節(jié)段標本CT三維重建圖片F(xiàn)igure 7 CT three-dimensional images of rabbit fusion segments at 12 weeks after surgery圖注：圖A為對照組CT三維重建，兩橫突間見充滿融合骨塊，表面及邊緣光滑；B為低劑量尼古丁組CT三維重建，兩橫突間見充滿融合骨塊，但表面及邊緣粗糙；C為中等劑量尼古丁組CT三維重建，兩橫突間新生骨痂較少；D為大劑量尼古丁組CT三維重建，兩橫突間新生骨痂稀疏。DCBA2.2

29、 手法觸診檢查結果 術后12周空氣栓塞法處死家兔，截取L4-L7節(jié)段。由2位未參與該實驗過程的骨科醫(yī)師手觸法檢查。對照組4例標本檢查發(fā)現(xiàn)活動融合節(jié)段有輕微松動，評定為不融合；其余11例融合節(jié)段結合緊密，觸診檢查無活動，評定為融合。融合成功率為73%。實驗組中，2 mg/(kg次)尼古丁組有5例出現(xiàn)松動現(xiàn)象，認定為不融合，其余10例標本判定為融合，融合成功率為67%；4 mg/(kg次)尼古丁組3例骨痂明顯不連直接認定為不融合，有7例出現(xiàn)松動現(xiàn)象，認定為不融合，其余5例標本判定為融合，融合成功率為33%；8 mg/(kg次)尼古丁組5例骨痂明顯不連直接認定為不融合，有7例出現(xiàn)松動現(xiàn)象，認定為不融

30、合，其余3例標本判定為融合，融合成功率為20%。對照組與2 mg/(kg次)尼古丁組比較，2組差異無顯著性意義(P > 0.05)，說明2 mg/(kg次)的尼古丁對脊柱融合無明顯影響。對照組與4 mg/(kg次)尼古丁組比較，差異有顯著性意義(P < 0.05)。對照組與8 mg/(kg次)尼古丁組比較，差異有顯著性意義(P < 0.05)。注射尼古丁的3組間采用行×列表資料2檢驗，差異有顯著性意義(P < 0.05)，說明隨著尼古丁劑量的增加，對脊柱融合產(chǎn)生了影響(見表1)。對照組融合標本骨痂體積大，硬度高，骨痂表面光滑(圖5A)；8 mg/(kg次)尼古

31、丁組融合標本痂體積小，硬度低，骨痂表面粗糙(圖5B)。 2.3 X射線檢查結果 所有標本經(jīng)X射線檢查發(fā)現(xiàn)：雙側橫突間充滿骨痂，手觸法檢查也為融合。單側充滿骨痂，對側被吸收，手觸測定也為不融合。對于雙側骨橋?qū)挾炔灰恢碌臉吮?，手觸法與X射線檢查結果不一致。部分手觸法無明顯骨痂形成的標本，X射線顯示為橫突間低密度影。對照組1例標本X射線檢查發(fā)現(xiàn)單側充滿骨痂，對側無明顯骨痂，評定為不融合；其余14例雙側均充滿骨痂，評定為融合，融合成功率為93%。實驗組中，2 mg/(kg次)尼古丁組有2例雙側無明顯骨痂形成，認定為不融合；其余10例雙側均充滿骨痂，3例雙側為骨橋相連，標本判定為融合，融合成功率為87%

32、。4 mg/(kg次)尼古丁組11例無明顯骨痂形成，認定為不融合；其余4例標本判定為融合，融合成功率為27%。8 mg/(kg次)尼古丁組12例無明顯骨痂形成，認定為不融合；其余3例標本判定為融合，融合成功率為20%。對照組與2 mg/(kg.次)尼古丁組比較，2組差異無顯著性意義(P > 0.05)，說明2 mg/(kg次)的尼古丁對脊柱融合無明顯影響。對照組與4 mg/(kg次)尼古丁組比較，2組差異有顯著性意義(P < 0.05)。對照組與 8 mg/(kg次)尼古丁組比較，2組差異有顯著性意義(P < 0.05)。注射尼古丁的3組間采用行×列表資料2檢驗，差

33、異有顯著性意義(P < 0.05)，說明隨著尼古丁劑量的增加，對脊柱融合產(chǎn)生了影響(見表2)。X射線表現(xiàn)對照組新生骨痂密度較高，皮質(zhì)較厚，表面光滑(圖6A)；尼古丁組隨著劑量的增加植骨區(qū)骨痂較小，骨痂表面粗糙，不光滑(圖6B-D)。2.4 CT檢查結果 對照組3例標本CT掃描及三維重建發(fā)現(xiàn)骨痂表面粗糙，評定為不融合；其余12例雙側均充滿骨痂，評定為融合，融合成功率為80%。實驗組中，2 mg/(kg次)尼古丁組有5例雙側無明顯骨痂形成，認定為不融合；其余7例雙側均充滿骨痂，3例雙側為骨橋相連，標本判定為融合，融合成功率為67%。4 mg/(kg次)尼古丁組10例無明顯骨痂形成，認定為不融

34、合；其余5例標本判定為融合，融合成功率為33%。8 mg/(kg次)尼古丁組11例無明顯骨痂形成，認定為不融合，其余4例標本判定為融合，融合成功率為27%。圖7為各組家兔融合節(jié)段CT重建圖像。對照組與2 mg/(kg次)尼古丁組比較，2組差異無顯著性意義(P > 0.05)，說明2 mg/(kg次)的尼古丁對脊柱融合無明顯影響。對照組與4 mg/(kg次)尼古丁組比較,2組差異有顯著性意義(P < 0.05)。對照組與8 mg/(kg次)尼古丁組比較，2組差異有顯著性意義(P < 0.05)。注射尼古丁的3組間采用行×列表資料2檢驗，差異有顯著性意義(P <

35、0.05)，說明隨著尼古丁劑量的增加，對脊柱融合產(chǎn)生了影響(見表3)。2.5 生物力學檢查結果 本實驗通過液壓萬能力學試驗機記錄在0.4 Nm力作用下脊柱模型的最大位移，見表4。通過記錄數(shù)據(jù)，利用SPSS 19.0軟件包進行方差分析(表5-7)，評價不同劑量尼古丁對脊柱融合的生物力學影響。表5為各組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計描述表，描述了對照組與不同劑量尼古丁實驗組融合節(jié)段模型的集中趨勢和離散趨勢。從左到右依次為各組檢測模型的例數(shù)(n)、位移數(shù)據(jù)的均數(shù)、標準差、標準誤、總體均數(shù)95%可信區(qū)間、極小值和極大值。方差齊性檢驗結果顯示，Levene統(tǒng)計量為0.668， 1=3，2=25，P=0.58，可認為樣本所有

36、各總體的方差齊。表6為單因素方差分析的結果，F(xiàn)=368.976，P < 0.001，按=0.05水準，拒絕H0，接收H1，差異有顯著表1 各組術后手觸法檢查融合結果 (n=15，n)Table 1 Fusion results detected by the hand touch method in each group組別融合數(shù)(+)未融合數(shù)(-)融合率對照組11473%2 mg/(kg次)尼古丁組10567%4 mg/(kg次)尼古丁組51033%8 mg/(kg次)尼古丁組31220%表2 各組術后X射線檢查融合結果 (n=15，n)Table 2 Fusion results d

37、etected by X-ray after surgery in each group組別融合數(shù)(+)未融合數(shù)(-)融合率對照組14193%2 mg/(kg次)尼古丁組13287%4 mg/(kg次)尼古丁組41127%8 mg/(kg次)尼古丁組31220%表3 各組術后CT射線檢查融合結果 (n=15，n)Table 3 Fusion results detected by CT after surgery in each group組別融合數(shù)(+)未融合數(shù)(-)融合率對照組12380%2 mg/(kg次)尼古丁組10567%4 mg/(kg次)尼古丁組51033%8 mg/(kg次)尼

38、古丁組41127%表6 在0.4 Nm作用下位移單因素方差分析結果 Table 6 One-way analysis of variance of displacement at 0.4 Nm 項目平方和df均方F顯著性組間60.031320.010368.9760.000組內(nèi)1.356250.054總數(shù)61.38728表4 各組標本施加0.4 Nm力的屈曲位移 (n=15，mm)Table 4 Buckling displacement at 0.4 Nm in each group組別標本123456789 1011對照組1.411.421.611.521.711.611.912.021.

39、621.721.522 mg/(kg次)尼古丁組2.012.222.561.922.132.352.232.262.622.564 mg/(kg次)尼古丁組4.514.935.255.335.048 mg/(kg次)尼古丁組5.095.245.46表注：對照組、2，4，8 mg/(kg次)尼古丁組檢測標本的樣本量(n)分別為11，10，5，3。表5 施加0.4 Nm力后的位移統(tǒng)計描述表 Table 5 Statistics description table of displacement at 0.4 Nm組別n均值標準差標準誤均值的 95% 置信區(qū)間極小值極大值下限上限對照組111.642

40、 70.189 950.057 271.515 11.770 31.412.022 mg/(kg次)尼古丁組102.286 00.237 680.075 162.116 02.456 01.922.624 mg/(kg次)尼古丁組55.012 00.322 990.144 444.611 05.413 04.515.338 mg/(kg次)尼古丁組35.263 30.186 100.107 454.801 05.725 65.095.46總數(shù)292.820 01.480 670.274 952.256 83.38321.415.46性意義?？烧J為不同劑量尼古丁對脊柱融合產(chǎn)生了影響。表7為采用L

41、SD-t 檢驗進行兩兩比較的結果，均數(shù)差值用“*”標注者，表示所對應的2組均數(shù)差異有顯著性意義(P < 0.01)。由表中可知：所有實驗組，無論低劑量或高劑量尼古丁組與對照組相比，差異均有顯著性意義(P < 0.01)，說明尼古丁對脊柱融合產(chǎn)生了影響；2 mg/(kg次)尼古丁組與4 mg/(kg次)尼古丁組及 8 mg/(kg次)尼古丁組的差異均有顯著性意義(P < 0.01)，說明低劑量和高劑量對脊柱融合產(chǎn)生的影響不一致；4 mg/(kg次)尼古丁組和8 mg/(kg次)尼古丁組的差異無顯著性意義(P > 0.05)。3 討論 Discussion3.1 腰椎融合動

42、物模型的建立及意義 目前在脊柱外科領域，對脊柱不穩(wěn)或滑脫、退變性腰椎管狹窄、腰椎7261ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH表7 在0.4 Nm力作用下位移(因變量)LSD-t檢驗兩兩比較結果 Table 7 Paired comparison of LSD-t test of displacement (dependent variable) at 0.4 Nm(I) 組別(J) 組別均值差 (I-J)標準誤顯著性95% 置信區(qū)間下限上限LSD對照組尼古丁2 mg/(kg次)組-0.643 27*0.101 750.000-0.852 8-0.4

43、33 7尼古丁4 mg/(kg次)組-3.369 27*0.125 610.000-3.628 0-3.110 6尼古丁8 mg(kg次)組-3.620 61*0.151 680.000-3.933 0-3.308 2尼古丁2 mg/(kg次)組對照組0.643 27*0.101 750.0000.433 70.852 8尼古丁4 mg/(kg次)組-2.726 00*0.127 550.000-2.988 7-2.463 3尼古丁8 mg/(kg次)組-2.977 33*0.153 300.000-3.293 1-2.661 6尼古丁4 mg/(kg次)組對照組3.369 27*0.125

44、610.0003.110 63.628 0尼古丁2 mg/(kg次)組2.726 00*0.127 550.0002.463 32.988 7尼古丁8 mg/(kg次)組-0.251 330.170 070.152-0.601 60.098 9尼古丁8 mg/(kg次)組對照組3.620 61*0.151 680.0003.308 23.933 0尼古丁2 mg/(kg次)組2.977 33*0.153 300.0002.661 63.293 1尼古丁4 mg/(kg次)組0.251 330.170 070.152-0.098 90.601 6表注：*均值差的顯著性水平為 0.05。椎板廣泛切

45、除繼發(fā)不穩(wěn)等疾病，其治療最常用的方法是脊柱穩(wěn)定和融合術，后路植骨融合是臨床最常用的融合方法，具有操作安全、方法簡便等優(yōu)點。隨著近年來內(nèi)固定技術的發(fā)展，后路植骨融合在臨床應用中更為普遍。橫突間植骨融合是其中一種簡便的融合方式，但臨床隨訪發(fā)現(xiàn)，部分患者出現(xiàn)不融合，術后長期出現(xiàn)下腰痛。另外對于腰椎融合術還存在許多問題沒有解決，比如術后臨近節(jié)段退變、部分術式融合率低等。腰椎融合結果也受多種因素的影響，如融合方法、植骨種類和數(shù)量等。針對這些問題，就需要通過基礎研究進行分析。但在人體或尸體上研究比較受限制。所以有必要建立理想的動物模型進行研究，為正確認識脊柱融合的生物學機制和影響因素提供依據(jù)。大型動物如羊

46、、豬、牛等主要用于研究內(nèi)固定器材及其生物力學。Rocca等10用羊脊柱作為模型研究用羥基磷灰石包裹的椎弓根螺釘可增強植骨界面的穩(wěn)定性。Foster等11用綿羊作為動物模型研究脊柱橫突間融合與360°融合的差別。Olinger等12用豬做模型研究椎間融合內(nèi)固定術。但大型動物費用較高，很難做大樣本實驗研究腰椎后外側融合，從而限制了其應用。太小的小型動物如小白鼠或大鼠，因為脊柱、橫突、髂骨較小，難以進行脊柱融合的研究，只能用來評估分子和細胞水平的改變。家兔是基礎研究中常用的動物，能夠模擬人體腰椎融合的生理機制和生物力學變化。關凱等13用家兔作為動物模型研究表明與人類脊柱融合率無明顯差異。B

47、oden等14-16研究發(fā)現(xiàn)家兔橫突間融合的過程及假關節(jié)發(fā)生率與人體報道相似。通過分析實驗動物獲取難易程度，科研經(jīng)費的限制以及研究小組的技術和經(jīng)驗，家兔費用低、容易飼養(yǎng)、便于管理等特點。本實驗作者選擇家兔作為實驗動物，建立后外側腰椎融合模型，研究不同劑量尼古丁對脊柱融合的影響。家兔的腰椎解剖與人類脊柱解剖比較類似，橫突間有足夠的植骨床，能夠提供足夠量的髂骨作為移植骨。家兔橫突前方肌肉類似人的藥大肌，橫突后方的椎旁肌類似人的豎脊肌。在橫突間融合時，由于家兔橫突細長，需廣泛剝離椎旁肌暴露橫突，提供足夠大的植骨床增加融合成功率。利用家兔作為腰椎后外側融合模型，外科顯露簡單，并且可以達到融合要求，融合

48、率與臨床相似，骨痂形成周期與人類相似(兩至三個月)，融合節(jié)段可進行生物力學分析17，是基礎研究中應用最多的模型17-19。這也是本實驗應用家兔作為研究模型的科研依據(jù)。本實驗成功建立家兔腰椎后外側橫突間融合模型共29例，其中對照組融合11例，低劑量尼古丁組融合10例，中等劑量尼古丁組融合5例，高劑量尼古丁組融合3例，為研究吸煙對骨折愈合延遲和自體骨移植不融合奠定了基礎。在建立動物融合模型過程中，需注意以下幾點：人類年齡的大小影響骨折愈合，青少年生長較快，更有利于成骨。月齡< 6個月的幼兔，由于更容易成骨，加速融合，所以要選擇成年家兔作為造模對象；因融合率的高低與植骨床和植骨量密切相關，所以

49、橫突去皮質(zhì)化面積大小一致，取髂骨量相同，每側橫突間植骨量約1 g；術中應注意止血，避免感染，防止家兔術后死亡，導致實驗失??；家兔的不同脊柱節(jié)段的解剖、運動和生物力學不同，所以每只家兔選擇單節(jié)段融合，便于對照研究；評價后外側融合是否成功，需要結合手觸法檢查，X射線先掃描，CT掃描，生物力學測試等多種方法檢測，僅靠一種方法評價是否融合可能不準確。3.2 煙草中尼古丁對骨折愈合、自體骨植骨融合影響的可能機制 眾所周知，吸煙有害健康，其中的有害物質(zhì)可導致許多疾病20-22。Slemenda等23通過對雙胞胎吸煙情況的研究表明吸煙者的骨密度明顯降低。通過流行病學調(diào)查，Krall等24發(fā)現(xiàn)吸煙者比不吸煙著

50、脊柱和股骨頸骨密度丟失率高。Vogel等25發(fā)現(xiàn)隨著吸煙量的增多和吸煙時間的延長，橈骨遠端骨折的發(fā)生率就高。吸煙還可使血流速度減慢26，骨折或植骨區(qū)周圍血供減少，影響骨痂形成。這些研究證實，吸煙影響了骨的愈合。骨折愈合可分為一期愈合和二期愈合兩種方式27。凡是骨折后經(jīng)堅強內(nèi)固定而愈合的曾被認為是一期愈合。影像學檢查及病理切片發(fā)現(xiàn)，骨折斷端周圍無特異骨痂形成，其愈合主要依賴骨重建，遵循Wollf定律28。骨折愈合的主要方式為二期愈合，依靠骨折斷端周圍血腫機化，骨痂形成和塑型恢復骨的連續(xù)性。根據(jù)骨痂形成量來判斷骨折是否愈合或脊柱自體移植骨是否融合直觀明了。可通過X射線掃描、CT平掃加重建來評價骨痂

51、形成量29-31，從而判斷骨折愈合和脊柱融合情況。許多研究表明，尼古丁是煙草中的主要成分，其生物學作用廣泛，可以使體內(nèi)的組織和器官發(fā)生與凋亡相關的生理作用32。影響運動、呼吸、神經(jīng)、心血管等系統(tǒng)的發(fā)育。對促進還是延緩骨痂形成，目前不十分明確。Rothem等33-34通過研究尼古丁對成骨樣細胞的影響，發(fā)現(xiàn)低劑量的尼古丁可促進成骨細胞增殖，使骨鈣素、型膠原蛋白基因表達增高，而大劑量的尼古丁則起抑制作用。Skott等35研究表明尼古丁對大鼠骨折愈合無明顯影響。但大量研究表明尼古丁延緩了骨折愈合、自體骨移植融合36-37。Zheng等38研究表明尼古丁雖然使微血管密度增加，但阻礙骨痂增殖，抑制塑型，降

52、低了骨折愈合率。Iwaniec等39利用小鼠作為研究模型，發(fā)現(xiàn)給予尼古丁的小鼠體內(nèi)血鈣下降，血磷升高，甲狀旁腺激素升高、降鈣素減少。這些變化可能導致成骨作用減弱，影響脊柱融合。Theiss等40在給家兔注射尼古丁后發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮因子的表達明顯受到抑制。Forrest等41利用豬做皮瓣成活研究，發(fā)現(xiàn)在給豬注射尼古丁后，引起血管明顯收縮，并且注射大劑量尼古丁后引起了血管內(nèi)皮細胞的壞死。Krall等42研究發(fā)現(xiàn)低劑量的尼古丁對成骨細胞的增殖分化起促進作用，而大劑量卻明顯起抑制作用。Reitstetter等43發(fā)現(xiàn)持續(xù)低劑量尼古丁同樣抑制了成骨細胞的增殖分化。秦宏敏等44研究了尼古丁對骨折愈合的影響發(fā)現(xiàn)

53、，尼古丁對骨髓間充質(zhì)干細胞的堿性磷酸酶活性起抑制作用，并且隨著尼古丁量的增加，抑制作用隨之增加。劉衛(wèi)平等45通過對大鼠顱骨缺損造模，研究尼古丁對其修復效能的影響，發(fā)現(xiàn)尼古丁阻礙了骨缺損修復。王勇平等46制作了被動吸煙的大鼠顱骨缺損模型，通過X射線檢查、四環(huán)素熒光標記檢測、新生骨礦物質(zhì)含量測定表明吸煙影響了骨痂形成，阻礙骨折愈合。 本次實驗中通過給各組家兔注射不同劑量的尼古丁，通過手觸法檢查、影像學檢查以及生物力學測試觀察尼古丁對家兔腰椎后外側融合的影響，發(fā)現(xiàn)2 mg/(kg次)的尼古丁對脊柱融合無明顯影響，8 mg/(kg次)的尼古丁骨痂形成減少，影響了脊柱的融合。該實驗結果與其他作者的研究結

54、果(低劑量的尼古丁促進了脊柱的融合)不一致，根據(jù)本次實驗作者認為尼古丁對家兔后外側橫突間脊柱融合的影響可能存在劑量相關性。大劑量的尼古丁降低了脊柱的融合率，原因可能為以下幾個方面：尼古丁干擾了血清中鈣、磷、甲狀旁腺激素、降鈣素等的代謝；尼古丁作用于植骨區(qū)周圍血管，影響新生毛細血管的形成，使植骨區(qū)血供減少，阻礙新骨形成；尼古丁可能阻礙了成骨細胞的增殖分化，從而降低了脊柱融合率。3.3 脊柱的生物力學研究方法及注意事項 生物力學是生物學與工程學相結合的學科，主要運用基礎力學理論研究生物體的肌肉組織、骨骼等的運動和功能的學科47。20世紀70年代起，開始進行脊柱生物力學研究，運用的力學理論為有限元方法48-49。該方法是在1956年由Clough在處理平面彈性問題時首次提出并使用50。20世紀80年代后又將該方法擴展應用到四肢骨、顱骨等骨骼的生物力學研究51。本實驗通過計算機控制萬能液壓力學測試機研究腰椎后外側融合后相應節(jié)段的生物力學。在生物