引用本文： 余開富, 譚洪波, 徐永清. 股骨頭缺血性壞死動物模型制備的研究進展. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(12): 1564-1569. doi: 10.7507/1002-1892.20150333 復制
股骨頭缺血性壞死是因股骨頭血液供應不足導致組成骨的細胞壞死[1-2]，是嚴重致殘性疾病，通常發生在20～50歲人群[3]。引起股骨頭缺血性壞死的主要原因包括使用激素、過量飲酒、創傷、血紅蛋白病、自身免疫性疾病和其他相關因素（如吸煙、高脂血癥）[4-5]。其治療方法包括藥物治療及手術治療，壞死早期治療重點是保留股骨頭外形[6]，但目前臨床應用的方法均存在一定不足，尚無一種理想的治療方法。模擬人股骨頭缺血性壞死病程困難是影響相關治療方法研究發展的因素之一[7]。我們查閱近年來國內外有關股骨頭缺血性壞死動物模型制備的相關文獻，從創傷性和非創傷性造模方法兩方面作一綜述，以期為相關研究選擇動物模型提供參考。
1 創傷性造模方法
1.1 外科手術
創傷是導致股骨頭缺血性壞死的常見原因，因此通過手術創傷造模可行。目前手術造模主要是通過破壞股骨頭髓內及髓外血供，模擬臨床股骨頸、股骨頭骨折及髖關節脫位等原因引起的股骨頭缺血性壞死。Peled等[8]采用切開大鼠股骨頭關節囊，脫出股骨頭，切斷圓韌帶，沿股骨頸環形切除關節囊及骨膜，復位脫出股骨頭的方法制備模型；術后42 d觀察到大鼠股骨頭變形，但組織學檢查未見明顯股骨頭缺血性壞死表現，這可能與術中造成髖關節不穩有關。Hwang 等[9]以新西蘭大白兔作為實驗對象，具體造模方法：首先股骨頭大轉子截骨，切開關節囊，切斷圓韌帶，使股骨頭半脫位，用鋼絲環扎股骨頸，并用電刀燒灼鋼絲5 s后去除鋼絲，復位股骨頭，用髓內針固定大轉子。術后2周出現股骨頭壞死特征，提示該方法能短期建立股骨頭缺血性壞死動物模型，是研究早期股骨頭缺血性壞死預防和治療方法的理想動物模型。Hofstaetter等[10]聯合破壞髓外及髓內血供方法建立新西蘭大白兔股骨頭缺血性壞死模型，具體造模方法為切除兔關節囊，燒灼股骨頸周圍骨膜及血管以破壞股骨頭血供，縫扎圓韌帶，向股骨頸鉆孔達骨髓腔，沿孔向髓腔內燒灼破壞髓腔血供；術后可觀察到股骨頭發生塌陷，發生率為13.3%。但是該造模方法損傷大，與自然病程的股骨頭缺血性壞死存在較大差距，且造模所需時間長。目前，通常使用外側入路手術建立股骨頭缺血性壞死動物模型，然而經該入路會引起股骨頭脫位，因此很難判斷股骨頭缺血性壞死的發生是因破壞血供引起還是髖關節脫位引起。為此，Kim等[11]進行了相關比較研究。他們分別采用外側入路及內側入路手術建立股骨頭缺血性壞死動物模型，術后4周行X線片檢查，提示外側入路組出現髖關節脫位，而內側入路組未出現髖關節脫位；組織學檢查顯示兩組均出現股骨頭壞死表現。提示采用內側入路手術建立股骨頭缺血性壞死動物模型比外側入路方法更有 效。
總之，采用外科手術建立股骨頭缺血性壞死動物模型的方法及效果均有較大差異，且存在對股骨頭周圍組織損傷大、造模過程復雜，與股骨頭缺血性壞死自然病理過程存在差異等不足。但手術造模模擬了創傷性股骨頭缺血性壞死的病因，因此對創傷性股骨頭缺血性壞死的研究有一定臨床意義。
1.2 物理損傷
通過高溫加熱及冷凍損傷的物理方法建立股骨頭缺血性壞死動物模型已逐漸被學者接受，雖然高溫加熱及冷凍損傷不是臨床上股骨頭缺血性壞死的病因，但是建立的股骨頭缺血性壞死動物模型與人股骨頭缺血性壞死類似，具有良好的參考價值。在高溫加熱造模方面，Li等[12]采用微波加熱方法（55℃、加熱10 min）建立兔股骨頭缺血性壞死模型，4周后X線片提示股骨頭內出現低密度改變，6～8 周出現囊性改變；4、8周組織學檢查發現骨壞死和修復反應同時發生，12周即出現69%股骨頭塌陷。該方法容易控制加熱溫度及時間，動物死亡率低，造模成功率高，具備很好的可重復性。Long 等[13]采用高強度聚焦超聲在體外對犬股骨頭區進行高能量（250 W）加熱處理，觀察提示股骨頭發生變形、顏色蒼白，組織學檢查證實出現股骨頭缺血性壞死特征。以上研究表明，高溫加熱是一種有效的非侵入性造模方法。
在冷凍損傷造模方面，徐俊等[14]在C臂X線機引導下，自犬股骨大粗隆向股骨頭制備直徑2.5 mm骨隧道，直至關節軟骨面下2 mm，沿隧道向股骨頭區域灌注液氮；1周后股骨頭髓腔內發生有核細胞死亡，局部血管破裂，12周X線片和MRI檢查提示股骨頭呈典型的FicatⅢ期改變。Vélez等[15]利用液氮冷凍裝置向羊股骨頭區注射液氮，然后用50℃生理鹽水復溫，重復3次；組織學檢查示出現典型的類似人股骨頭缺血性壞死特征，雖然未進展至股骨頭塌陷，但可以作為股骨頭缺血性壞死臨床前期相關研究的動物模型。Jiang等[16]采用類似方法用液氮冷凍裝置向非洲鴕鳥單側股骨頭區注射液氮，術后8周鴕鳥出現跛行，且平均持續16周；術后6、12、24周Ｘ線片表現從股骨頭高度逐漸降低進展至股骨頭塌陷；術后24周，股骨頭缺血性壞死區血管造影發現血管斷裂、收縮且數量減少，Micro-CT表現為塌陷的股骨頭出現不規則骨小梁斷裂，組織學檢查在軟骨下骨壞死區出現骨吸收，脂肪細胞增加，在骨壞死硬化帶區域出現骨小梁增生。提示該方法建立的股骨頭缺血性壞死動物模型可持續進展至股骨頭塌陷，其組織特征和人股骨頭缺血性壞死相似。Wang 等[17]于MRI引導下利用氬氦冷凍系統冷凍兔股骨頭，8周時組織學檢查股骨頭空骨陷窩率為62.06%±4.12%，12周時影像學檢查股骨頭塌陷率為43.7%（7/16）。
Fan等[18]以鴯鹋為研究對象，采用冷凍聯合加熱的物理方法成功復制人股骨頭缺血性壞死全病程動物模型。該實驗采用交替液氮冷凍和射頻加熱方法，2、4、6、8、16周MRI檢查觀察到股骨頭從廣泛性水腫到塌陷的改變；術后10周70%鴯 鹋出現跛行，16周時全部出現跛行；Micro-CT檢查發現12周時66.7%鴯鹋出現股骨頭塌陷，16周時股骨頭缺血性壞死發生率高達82.4%。該動物模型制備成功可能與鴯鹋和人的生物力學環境相似有關[7]。
總之，物理損傷方法建立的股骨頭缺血性壞死動物模型與人股骨頭缺血性壞死類似，且動物模型體內不殘留化學物質，不干擾刮除死骨后的植骨研究，在研究股骨頭缺血性壞死治療方面具有重要價值。尤其是鴯鹋的雙足生物力學特性與人更接近，采用其制備的模型更理想；但也存在其數量稀少、飼養困難、價格昂貴的不足。
1.3 化學損傷
化學損傷造模方法主要是通過在股骨頭局部注射無水乙醇，導致股骨頭缺血性壞死，進而壞死骨質吸收，骨小梁強度下降，髖關節持續生物壓力阻礙骨壞死后的修復作用，引起骨小梁力學強度進一步下降，使動物模型容易進展至股骨頭塌陷。該類動物模型常用于股骨頭缺血性壞死治療方法的研究。Zhu等[19]通過向羊股骨頭內注射無水乙醇成功建立了早、中、晚期股骨頭缺血性壞死模型，模擬了人股骨頭缺血性壞死全過程。具體操作步驟：X線引導下向股骨頭中心導入克氏針，然后逐步擴髓，最終形成一個深5 cm、直徑3 mm隧道，然后向隧道中緩慢注入10 mL無水乙醇；注射后25周出現股骨頭塌陷，關節間隙變窄。Manggold等[20]采用類似方法成功建立了羊早期股骨頭缺血性壞死模型。Wang等[21]利用Mimics10.01軟件設計結合3D打印技術打印導航模板，術中應用導航模板將克氏針尖端導入至犬股骨頭遠端關節面下5 mm，然后退出克氏針，向隧道內加壓注入無水乙醇；術后3周出現股骨頭缺血性壞死組織學改變，包括空骨陷窩數量增加，造血細胞減少，壞死脂肪細胞增加；6周影像學檢查顯示股骨頭區囊性變，硬化帶形成，新月征形成；9周有2 只犬股骨頭表現關節間隙變窄伴骨關節炎。該實驗表明在導航模板下使用無水乙醇能成功建立犬股骨頭缺血性壞死模型。通過術前設計并3D打印導航模板將模型股骨頭壞死區精確定位于股骨頭負重區、關節面軟骨下，能更接近理想的股骨頭缺血性壞死動物模型，術中無需要X線透視引導，且定位更精 準。
2 非創傷性造模
2.1 激素
激素是引起股骨頭缺血性壞死的重要因素，但發病機制尚未明確。Kerachian等[22]通過將潑尼松緩釋藥丸埋植于鼠頸部皮下，釋放劑量1.82～ 2.56 mg/（kg·d），埋植時間90 d，成功建立了早期股骨頭缺血性壞死動物模型。Miyanishi等[23]比較了不同激素誘導股骨頭缺血性壞死情況，實驗將兔隨機分為A、B、C組，分別肌肉注射潑尼松龍琥珀酸鈉（prednisolone sodium succinate，PSL）25 mg/kg、甲潑尼龍醋酸鹽（methylprednisolone acetate，MPSL）20 mg/kg、曲安舒松（triamcinolone acetonide，TR）20 mg/kg制備模型；注射4周后組織學檢查顯示： MPSL組股骨頭缺血性壞死率達65%，顯著高于TR組（15%）及PSL組（12%），其血清膽固醇、甘油三酯、游離脂肪酸也明顯高于TR組及PSL組；提示與PSL及TR相比，MPSL能顯著增加股骨頭缺血性壞死發生率。肖春生等[24]研究也獲得類似結果，表明MPSL更易誘導雞早期股骨頭缺血性壞死的發生。
學者通過使用激素從病因上誘導股骨頭缺血性壞死的發生，對研究股骨頭缺血性壞死的病因、發病機制及治療方法具有重要意義，但也存在以下不足：造模使用大量激素，改變了骨細胞的內外環境；造模時間長、成本高，成功率低，動物死亡率高；骨壞死區域不一，實驗動物對激素反應的敏感性存在個體差異，難于標本化。因此，該造模方法有待進一步研究規范。
2.2 脂多糖
Irisa 等[25]采用靜脈注射脂多糖（10 μg/kg）方法制備兔股骨頭缺血性壞死模型，結果顯示注射4周后骨壞死發生率為77%，但骨壞死主要發生在股骨及肱骨髁，股骨頭發生率僅為21%；且注射5 d后兔死亡率達11%（4/35），其中3只死于內毒素休克，1只死于敗血癥。雖然該造模方法的成功率相對較低，但建立了非激素及非創傷性股骨頭缺血性壞死模型，動物產生了血管性高凝的病理狀態，有利于股骨頭缺血性壞死機制的研究。
2.3 激素聯合脂多糖
為了提高造模成功率及縮短造模時間，有學者聯合激素及脂多糖建立股骨頭缺血性壞死模型。Zhu等[26]采用甲潑尼龍聯合脂多糖制備兔雙側早期股骨頭缺血性壞死模型；Ryoo 等[27]使用潑尼松龍聯合脂多糖建立鼠股骨頭缺血性壞死模型，并與單純使用潑尼松龍或脂多糖進行比較，結果顯示潑尼松龍聯合脂多糖誘發股骨頭缺血性壞死成功率明顯較高，同時實驗表明脂多糖能降低機體免疫反應，發生免疫耐受，降低炎性因子，促進股骨頭缺血性壞死的形成。Guan等[28] 采用潑尼松龍聯合脂多糖成功誘導兔股骨頭缺血性壞死模型。實驗組靜脈注射脂多糖40 μg/kg，注射2次，間隔24 h，之后立即靜脈注射潑尼松龍20 mg/kg；對照組僅靜脈注射潑尼松龍20 mg/kg。注射后1、3、5、7、14和21 d分別行血液流變學、血脂及血小板檢查，21 d時行股骨頭及肝臟組織學檢查。結果顯示，實驗組血液流變學異常，甘油三酯及總膽固醇水平較對照組明顯增加；組織學檢查未見股骨頭塌陷，股骨頭缺血性壞死區域有肥大脂肪細胞，骨小梁有空骨陷窩，骨細胞有核固縮及核碎裂，部分股骨頭內血管有血栓形成，肝臟有肝細胞脂肪變性；實驗組及對照組股骨頭缺血性壞死發生率分別為36.2%±1.78%、30.0%±1.35%。表明激素聯合脂多糖能建立早期股骨頭缺血性壞死動物模型，但因用藥次數少、觀察時間短，股骨頭缺血性壞死發生率相對較低。 Zheng等[29]同樣使用脂多糖聯合激素建立了鴯鹋股骨頭缺血性壞死并股骨頭塌陷模型。首先靜脈注射脂多糖8 μg/kg，注射2次，間隔4 d，隨后肌肉注射甲潑尼龍10 mg/kg，注射3次，間隔2 d；12周開始鴯鹋出現跛行，隨著時間的延長，約24周時鴯鹋主動活動減少，大部分時間保持坐立姿勢；影像學及組織學檢查均表現出早期至晚期的股骨頭缺血性壞死變化全過程，股骨頭塌陷發生率達70%，且實驗期間無鴯鹋死亡。
激素聯合脂多糖建立股骨頭缺血性壞死動物模型，首先是使用脂多糖引起機體免疫系統和/或血液系統病變異常，而臨床上大部分股骨頭缺血性壞死患者應用激素前就存在免疫系統和/或血液系統病變異常，因此該造模方法更符合臨床上激素性股骨頭缺血性壞死的病理特征。
2.4 激素聯合馬血清
Wen等[30]采用激素聯合馬血清方法制備新西蘭兔股骨頭缺血性壞死模型。首先經耳緣靜脈注射馬血清10 mL/kg，2周后再注射馬血清5 mL/ kg，引起過敏性血管炎性反應；再間隔2周后腹腔注射醋酸潑尼松龍7.5 mg/kg，1周2次，共2周。注射后5周X線片檢查示股骨頭骨密度增加，骨骺線模糊，骨紋理不清楚；CT顯示在股骨頭有斑點樣低密度改變，骨皮質變薄，骨骺線模糊，骨質疏松；MRI顯示骨水腫，斑點樣高信號影；墨汁灌注顯示在股骨頭有血管栓塞；組織學檢查顯示空骨陷窩率為23.70%±4.25%，骨小梁變少，骨質變薄，造血細胞減少，血栓形成，脂肪細胞肥大；免疫組織化學染色顯示VEGF在骨細胞、軟骨細胞及血管內膜表達減少。該實驗結果表明，激素聯合馬血清方法能建立早期股骨頭缺血性壞死動物模型，為早期治療方法的研究奠定基礎；但是研究未提供股骨頭缺血性壞死發生率結果，不能與其他造模方法進行比較，同時也未進行對照比較，尚不能確定該方法優于單獨使用激 素。
2.5 酒精
酒精也是誘發股骨頭缺血性壞死的重要因素，在亞洲，特別是在我國大量飲酒很常見，常導致股骨頭缺血性壞死[31]。Wang等[32]通過灌胃方式給予小鼠含46%酒精的白酒，劑量20 mL/（kg·d），4、6、8、10個月股骨頭空骨陷窩率逐漸增加，第6個月組織學檢查發現小鼠股骨頭軟骨下有骨壞死表現；該研究僅建立早期股骨頭缺血性壞死模型，且造模時間較長，但模擬了酒精性股骨頭缺血性壞死的病因，對于酒精性股骨頭缺血性壞死的研究具有一定應用價值。Okazaki等[4]通過給鼠喂食含5%酒精的流質飲食，早期（7 d）即發現股骨頭缺血性壞死征象。提示該造模方法能快速建立鼠早期股骨頭缺血性壞死模型，雖然壞死發生率相對較低，但是模擬了人酒精性股骨頭缺血性壞死的病因，對此類股骨頭缺血性壞死的機制、診斷及治療方面有一定的應用價值。
2.6 減壓
減壓性骨壞死是人體所處環境氣壓驟然下降，致使血液中釋放出的氮氣在富含脂肪組織的骨髓中大量堆積而引起的骨壞死；高危人群為沉箱工作人員及深海潛水員等。該病病因及發病機制仍不清楚，所以模擬減壓性骨壞死動物模型有助于進一步認識該疾病病因、診斷、治療及預防，其發病率與壓力的大小、暴露頻率、減壓速度有關。1981年Chryssanthou[33]將遺傳性肥胖高血糖鼠短時間置于高壓環境，然后逐步減壓，模擬其致病機制，2個月后組織學檢查證實發生股骨頭壞死；人骨壞死多發生于骨干，而小鼠主要為骨骺骨壞死，骨干未觀察到骨壞死。1997年Lehner等[34]將羊反復置于2.6～2.9個絕對大氣壓高壓環境中，然后再減壓，2個月后股骨頭出現骨及骨髓壞死，6個月后出現新骨形成；該模型成功模擬了人類減壓病引起的股骨頭缺血性壞死，在研究減壓病引起股骨頭缺血性壞死的機制、診斷、治療上具有很好的應用價值。
2.7 VEGF受體2抗體（VEGF receptor 2 antibody，VEGFR2）
Gao等[35]使用一種新的方法成功建立鼠股骨頭缺血性壞死模型，其方法是將濃度為50 μg/mL的VEGFR2抗體注射至鼠股骨頭關節囊內，2周后股骨頭缺血性壞死發生率高達90%，股骨頭外形發生輕微變形，股骨頭內的血管明顯減少。該動物模型是通過注射VEGFR2抗體使局部血管形成受到抑制后，阻斷了股骨頭局部的血供，從而成功誘導股骨頭缺血性壞死模型。該方法為建立股骨頭缺血性壞死的動物模型提供了一個新途徑。
3 總結及展望
國內外學者通過不同方法成功建立了股骨頭缺血性壞死動物模型，但均有優缺點。其中，創傷性造模方法建立的股骨頭缺血性壞死病灶位于股骨頭內，而且可以建立晚期壞死動物模型，但缺點是不能針對股骨頭缺血性壞死的病因進行造模。非創傷性造模方法能根據不同病因造模，但是壞死病灶大多位于干骺端。此外，目前選擇的實驗動物以四足動物為主，但四足動物后肢承重較前肢小，造模后會出現保護性限制患肢負重，進一步降低了造模側髖關節的生物應力，因此不能很好地模擬股骨頭缺血性壞死塌陷。而且大多數實驗采用組織學觀察判斷造模是否成功，破壞了股骨頭缺血性壞死的發生發展過程，不利于后續研究。
理想的股骨頭缺血性壞死動物模型應具備以下特點：① 骨壞死區域位于股骨頭負重區、接近軟骨面、與周圍活骨相連接，且壞死股骨頭在修復過程中承載正常應力[36]；② 符合人股骨頭缺血性壞死病變的客觀規律，即早期的組織學改變到晚期的股骨頭塌陷[31]；③ 動物解剖特點、生物力學特征與人相似；④ 可重復性好，經濟可行。理想的股骨頭缺血性壞死模型建立是一項長期課題，通過數字化結合3D打印技術打印導航模板定位于股骨頭負重區進行建模，以及建立標準化股骨頭缺血性壞死動物模型是進一步研究方向。
股骨頭缺血性壞死是因股骨頭血液供應不足導致組成骨的細胞壞死[1-2]，是嚴重致殘性疾病，通常發生在20～50歲人群[3]。引起股骨頭缺血性壞死的主要原因包括使用激素、過量飲酒、創傷、血紅蛋白病、自身免疫性疾病和其他相關因素（如吸煙、高脂血癥）[4-5]。其治療方法包括藥物治療及手術治療，壞死早期治療重點是保留股骨頭外形[6]，但目前臨床應用的方法均存在一定不足，尚無一種理想的治療方法。模擬人股骨頭缺血性壞死病程困難是影響相關治療方法研究發展的因素之一[7]。我們查閱近年來國內外有關股骨頭缺血性壞死動物模型制備的相關文獻，從創傷性和非創傷性造模方法兩方面作一綜述，以期為相關研究選擇動物模型提供參考。
1 創傷性造模方法
1.1 外科手術
創傷是導致股骨頭缺血性壞死的常見原因，因此通過手術創傷造模可行。目前手術造模主要是通過破壞股骨頭髓內及髓外血供，模擬臨床股骨頸、股骨頭骨折及髖關節脫位等原因引起的股骨頭缺血性壞死。Peled等[8]采用切開大鼠股骨頭關節囊，脫出股骨頭，切斷圓韌帶，沿股骨頸環形切除關節囊及骨膜，復位脫出股骨頭的方法制備模型；術后42 d觀察到大鼠股骨頭變形，但組織學檢查未見明顯股骨頭缺血性壞死表現，這可能與術中造成髖關節不穩有關。Hwang 等[9]以新西蘭大白兔作為實驗對象，具體造模方法：首先股骨頭大轉子截骨，切開關節囊，切斷圓韌帶，使股骨頭半脫位，用鋼絲環扎股骨頸，并用電刀燒灼鋼絲5 s后去除鋼絲，復位股骨頭，用髓內針固定大轉子。術后2周出現股骨頭壞死特征，提示該方法能短期建立股骨頭缺血性壞死動物模型，是研究早期股骨頭缺血性壞死預防和治療方法的理想動物模型。Hofstaetter等[10]聯合破壞髓外及髓內血供方法建立新西蘭大白兔股骨頭缺血性壞死模型，具體造模方法為切除兔關節囊，燒灼股骨頸周圍骨膜及血管以破壞股骨頭血供，縫扎圓韌帶，向股骨頸鉆孔達骨髓腔，沿孔向髓腔內燒灼破壞髓腔血供；術后可觀察到股骨頭發生塌陷，發生率為13.3%。但是該造模方法損傷大，與自然病程的股骨頭缺血性壞死存在較大差距，且造模所需時間長。目前，通常使用外側入路手術建立股骨頭缺血性壞死動物模型，然而經該入路會引起股骨頭脫位，因此很難判斷股骨頭缺血性壞死的發生是因破壞血供引起還是髖關節脫位引起。為此，Kim等[11]進行了相關比較研究。他們分別采用外側入路及內側入路手術建立股骨頭缺血性壞死動物模型，術后4周行X線片檢查，提示外側入路組出現髖關節脫位，而內側入路組未出現髖關節脫位；組織學檢查顯示兩組均出現股骨頭壞死表現。提示采用內側入路手術建立股骨頭缺血性壞死動物模型比外側入路方法更有 效。
總之，采用外科手術建立股骨頭缺血性壞死動物模型的方法及效果均有較大差異，且存在對股骨頭周圍組織損傷大、造模過程復雜，與股骨頭缺血性壞死自然病理過程存在差異等不足。但手術造模模擬了創傷性股骨頭缺血性壞死的病因，因此對創傷性股骨頭缺血性壞死的研究有一定臨床意義。
1.2 物理損傷
通過高溫加熱及冷凍損傷的物理方法建立股骨頭缺血性壞死動物模型已逐漸被學者接受，雖然高溫加熱及冷凍損傷不是臨床上股骨頭缺血性壞死的病因，但是建立的股骨頭缺血性壞死動物模型與人股骨頭缺血性壞死類似，具有良好的參考價值。在高溫加熱造模方面，Li等[12]采用微波加熱方法（55℃、加熱10 min）建立兔股骨頭缺血性壞死模型，4周后X線片提示股骨頭內出現低密度改變，6～8 周出現囊性改變；4、8周組織學檢查發現骨壞死和修復反應同時發生，12周即出現69%股骨頭塌陷。該方法容易控制加熱溫度及時間，動物死亡率低，造模成功率高，具備很好的可重復性。Long 等[13]采用高強度聚焦超聲在體外對犬股骨頭區進行高能量（250 W）加熱處理，觀察提示股骨頭發生變形、顏色蒼白，組織學檢查證實出現股骨頭缺血性壞死特征。以上研究表明，高溫加熱是一種有效的非侵入性造模方法。
在冷凍損傷造模方面，徐俊等[14]在C臂X線機引導下，自犬股骨大粗隆向股骨頭制備直徑2.5 mm骨隧道，直至關節軟骨面下2 mm，沿隧道向股骨頭區域灌注液氮；1周后股骨頭髓腔內發生有核細胞死亡，局部血管破裂，12周X線片和MRI檢查提示股骨頭呈典型的FicatⅢ期改變。Vélez等[15]利用液氮冷凍裝置向羊股骨頭區注射液氮，然后用50℃生理鹽水復溫，重復3次；組織學檢查示出現典型的類似人股骨頭缺血性壞死特征，雖然未進展至股骨頭塌陷，但可以作為股骨頭缺血性壞死臨床前期相關研究的動物模型。Jiang等[16]采用類似方法用液氮冷凍裝置向非洲鴕鳥單側股骨頭區注射液氮，術后8周鴕鳥出現跛行，且平均持續16周；術后6、12、24周Ｘ線片表現從股骨頭高度逐漸降低進展至股骨頭塌陷；術后24周，股骨頭缺血性壞死區血管造影發現血管斷裂、收縮且數量減少，Micro-CT表現為塌陷的股骨頭出現不規則骨小梁斷裂，組織學檢查在軟骨下骨壞死區出現骨吸收，脂肪細胞增加，在骨壞死硬化帶區域出現骨小梁增生。提示該方法建立的股骨頭缺血性壞死動物模型可持續進展至股骨頭塌陷，其組織特征和人股骨頭缺血性壞死相似。Wang 等[17]于MRI引導下利用氬氦冷凍系統冷凍兔股骨頭，8周時組織學檢查股骨頭空骨陷窩率為62.06%±4.12%，12周時影像學檢查股骨頭塌陷率為43.7%（7/16）。
Fan等[18]以鴯鹋為研究對象，采用冷凍聯合加熱的物理方法成功復制人股骨頭缺血性壞死全病程動物模型。該實驗采用交替液氮冷凍和射頻加熱方法，2、4、6、8、16周MRI檢查觀察到股骨頭從廣泛性水腫到塌陷的改變；術后10周70%鴯 鹋出現跛行，16周時全部出現跛行；Micro-CT檢查發現12周時66.7%鴯鹋出現股骨頭塌陷，16周時股骨頭缺血性壞死發生率高達82.4%。該動物模型制備成功可能與鴯鹋和人的生物力學環境相似有關[7]。
總之，物理損傷方法建立的股骨頭缺血性壞死動物模型與人股骨頭缺血性壞死類似，且動物模型體內不殘留化學物質，不干擾刮除死骨后的植骨研究，在研究股骨頭缺血性壞死治療方面具有重要價值。尤其是鴯鹋的雙足生物力學特性與人更接近，采用其制備的模型更理想；但也存在其數量稀少、飼養困難、價格昂貴的不足。
1.3 化學損傷
化學損傷造模方法主要是通過在股骨頭局部注射無水乙醇，導致股骨頭缺血性壞死，進而壞死骨質吸收，骨小梁強度下降，髖關節持續生物壓力阻礙骨壞死后的修復作用，引起骨小梁力學強度進一步下降，使動物模型容易進展至股骨頭塌陷。該類動物模型常用于股骨頭缺血性壞死治療方法的研究。Zhu等[19]通過向羊股骨頭內注射無水乙醇成功建立了早、中、晚期股骨頭缺血性壞死模型，模擬了人股骨頭缺血性壞死全過程。具體操作步驟：X線引導下向股骨頭中心導入克氏針，然后逐步擴髓，最終形成一個深5 cm、直徑3 mm隧道，然后向隧道中緩慢注入10 mL無水乙醇；注射后25周出現股骨頭塌陷，關節間隙變窄。Manggold等[20]采用類似方法成功建立了羊早期股骨頭缺血性壞死模型。Wang等[21]利用Mimics10.01軟件設計結合3D打印技術打印導航模板，術中應用導航模板將克氏針尖端導入至犬股骨頭遠端關節面下5 mm，然后退出克氏針，向隧道內加壓注入無水乙醇；術后3周出現股骨頭缺血性壞死組織學改變，包括空骨陷窩數量增加，造血細胞減少，壞死脂肪細胞增加；6周影像學檢查顯示股骨頭區囊性變，硬化帶形成，新月征形成；9周有2 只犬股骨頭表現關節間隙變窄伴骨關節炎。該實驗表明在導航模板下使用無水乙醇能成功建立犬股骨頭缺血性壞死模型。通過術前設計并3D打印導航模板將模型股骨頭壞死區精確定位于股骨頭負重區、關節面軟骨下，能更接近理想的股骨頭缺血性壞死動物模型，術中無需要X線透視引導，且定位更精 準。
2 非創傷性造模
2.1 激素
激素是引起股骨頭缺血性壞死的重要因素，但發病機制尚未明確。Kerachian等[22]通過將潑尼松緩釋藥丸埋植于鼠頸部皮下，釋放劑量1.82～ 2.56 mg/（kg·d），埋植時間90 d，成功建立了早期股骨頭缺血性壞死動物模型。Miyanishi等[23]比較了不同激素誘導股骨頭缺血性壞死情況，實驗將兔隨機分為A、B、C組，分別肌肉注射潑尼松龍琥珀酸鈉（prednisolone sodium succinate，PSL）25 mg/kg、甲潑尼龍醋酸鹽（methylprednisolone acetate，MPSL）20 mg/kg、曲安舒松（triamcinolone acetonide，TR）20 mg/kg制備模型；注射4周后組織學檢查顯示： MPSL組股骨頭缺血性壞死率達65%，顯著高于TR組（15%）及PSL組（12%），其血清膽固醇、甘油三酯、游離脂肪酸也明顯高于TR組及PSL組；提示與PSL及TR相比，MPSL能顯著增加股骨頭缺血性壞死發生率。肖春生等[24]研究也獲得類似結果，表明MPSL更易誘導雞早期股骨頭缺血性壞死的發生。
學者通過使用激素從病因上誘導股骨頭缺血性壞死的發生，對研究股骨頭缺血性壞死的病因、發病機制及治療方法具有重要意義，但也存在以下不足：造模使用大量激素，改變了骨細胞的內外環境；造模時間長、成本高，成功率低，動物死亡率高；骨壞死區域不一，實驗動物對激素反應的敏感性存在個體差異，難于標本化。因此，該造模方法有待進一步研究規范。
2.2 脂多糖
Irisa 等[25]采用靜脈注射脂多糖（10 μg/kg）方法制備兔股骨頭缺血性壞死模型，結果顯示注射4周后骨壞死發生率為77%，但骨壞死主要發生在股骨及肱骨髁，股骨頭發生率僅為21%；且注射5 d后兔死亡率達11%（4/35），其中3只死于內毒素休克，1只死于敗血癥。雖然該造模方法的成功率相對較低，但建立了非激素及非創傷性股骨頭缺血性壞死模型，動物產生了血管性高凝的病理狀態，有利于股骨頭缺血性壞死機制的研究。
2.3 激素聯合脂多糖
為了提高造模成功率及縮短造模時間，有學者聯合激素及脂多糖建立股骨頭缺血性壞死模型。Zhu等[26]采用甲潑尼龍聯合脂多糖制備兔雙側早期股骨頭缺血性壞死模型；Ryoo 等[27]使用潑尼松龍聯合脂多糖建立鼠股骨頭缺血性壞死模型，并與單純使用潑尼松龍或脂多糖進行比較，結果顯示潑尼松龍聯合脂多糖誘發股骨頭缺血性壞死成功率明顯較高，同時實驗表明脂多糖能降低機體免疫反應，發生免疫耐受，降低炎性因子，促進股骨頭缺血性壞死的形成。Guan等[28] 采用潑尼松龍聯合脂多糖成功誘導兔股骨頭缺血性壞死模型。實驗組靜脈注射脂多糖40 μg/kg，注射2次，間隔24 h，之后立即靜脈注射潑尼松龍20 mg/kg；對照組僅靜脈注射潑尼松龍20 mg/kg。注射后1、3、5、7、14和21 d分別行血液流變學、血脂及血小板檢查，21 d時行股骨頭及肝臟組織學檢查。結果顯示，實驗組血液流變學異常，甘油三酯及總膽固醇水平較對照組明顯增加；組織學檢查未見股骨頭塌陷，股骨頭缺血性壞死區域有肥大脂肪細胞，骨小梁有空骨陷窩，骨細胞有核固縮及核碎裂，部分股骨頭內血管有血栓形成，肝臟有肝細胞脂肪變性；實驗組及對照組股骨頭缺血性壞死發生率分別為36.2%±1.78%、30.0%±1.35%。表明激素聯合脂多糖能建立早期股骨頭缺血性壞死動物模型，但因用藥次數少、觀察時間短，股骨頭缺血性壞死發生率相對較低。 Zheng等[29]同樣使用脂多糖聯合激素建立了鴯鹋股骨頭缺血性壞死并股骨頭塌陷模型。首先靜脈注射脂多糖8 μg/kg，注射2次，間隔4 d，隨后肌肉注射甲潑尼龍10 mg/kg，注射3次，間隔2 d；12周開始鴯鹋出現跛行，隨著時間的延長，約24周時鴯鹋主動活動減少，大部分時間保持坐立姿勢；影像學及組織學檢查均表現出早期至晚期的股骨頭缺血性壞死變化全過程，股骨頭塌陷發生率達70%，且實驗期間無鴯鹋死亡。
激素聯合脂多糖建立股骨頭缺血性壞死動物模型，首先是使用脂多糖引起機體免疫系統和/或血液系統病變異常，而臨床上大部分股骨頭缺血性壞死患者應用激素前就存在免疫系統和/或血液系統病變異常，因此該造模方法更符合臨床上激素性股骨頭缺血性壞死的病理特征。
2.4 激素聯合馬血清
Wen等[30]采用激素聯合馬血清方法制備新西蘭兔股骨頭缺血性壞死模型。首先經耳緣靜脈注射馬血清10 mL/kg，2周后再注射馬血清5 mL/ kg，引起過敏性血管炎性反應；再間隔2周后腹腔注射醋酸潑尼松龍7.5 mg/kg，1周2次，共2周。注射后5周X線片檢查示股骨頭骨密度增加，骨骺線模糊，骨紋理不清楚；CT顯示在股骨頭有斑點樣低密度改變，骨皮質變薄，骨骺線模糊，骨質疏松；MRI顯示骨水腫，斑點樣高信號影；墨汁灌注顯示在股骨頭有血管栓塞；組織學檢查顯示空骨陷窩率為23.70%±4.25%，骨小梁變少，骨質變薄，造血細胞減少，血栓形成，脂肪細胞肥大；免疫組織化學染色顯示VEGF在骨細胞、軟骨細胞及血管內膜表達減少。該實驗結果表明，激素聯合馬血清方法能建立早期股骨頭缺血性壞死動物模型，為早期治療方法的研究奠定基礎；但是研究未提供股骨頭缺血性壞死發生率結果，不能與其他造模方法進行比較，同時也未進行對照比較，尚不能確定該方法優于單獨使用激 素。
2.5 酒精
酒精也是誘發股骨頭缺血性壞死的重要因素，在亞洲，特別是在我國大量飲酒很常見，常導致股骨頭缺血性壞死[31]。Wang等[32]通過灌胃方式給予小鼠含46%酒精的白酒，劑量20 mL/（kg·d），4、6、8、10個月股骨頭空骨陷窩率逐漸增加，第6個月組織學檢查發現小鼠股骨頭軟骨下有骨壞死表現；該研究僅建立早期股骨頭缺血性壞死模型，且造模時間較長，但模擬了酒精性股骨頭缺血性壞死的病因，對于酒精性股骨頭缺血性壞死的研究具有一定應用價值。Okazaki等[4]通過給鼠喂食含5%酒精的流質飲食，早期（7 d）即發現股骨頭缺血性壞死征象。提示該造模方法能快速建立鼠早期股骨頭缺血性壞死模型，雖然壞死發生率相對較低，但是模擬了人酒精性股骨頭缺血性壞死的病因，對此類股骨頭缺血性壞死的機制、診斷及治療方面有一定的應用價值。
2.6 減壓
減壓性骨壞死是人體所處環境氣壓驟然下降，致使血液中釋放出的氮氣在富含脂肪組織的骨髓中大量堆積而引起的骨壞死；高危人群為沉箱工作人員及深海潛水員等。該病病因及發病機制仍不清楚，所以模擬減壓性骨壞死動物模型有助于進一步認識該疾病病因、診斷、治療及預防，其發病率與壓力的大小、暴露頻率、減壓速度有關。1981年Chryssanthou[33]將遺傳性肥胖高血糖鼠短時間置于高壓環境，然后逐步減壓，模擬其致病機制，2個月后組織學檢查證實發生股骨頭壞死；人骨壞死多發生于骨干，而小鼠主要為骨骺骨壞死，骨干未觀察到骨壞死。1997年Lehner等[34]將羊反復置于2.6～2.9個絕對大氣壓高壓環境中，然后再減壓，2個月后股骨頭出現骨及骨髓壞死，6個月后出現新骨形成；該模型成功模擬了人類減壓病引起的股骨頭缺血性壞死，在研究減壓病引起股骨頭缺血性壞死的機制、診斷、治療上具有很好的應用價值。
2.7 VEGF受體2抗體（VEGF receptor 2 antibody，VEGFR2）
Gao等[35]使用一種新的方法成功建立鼠股骨頭缺血性壞死模型，其方法是將濃度為50 μg/mL的VEGFR2抗體注射至鼠股骨頭關節囊內，2周后股骨頭缺血性壞死發生率高達90%，股骨頭外形發生輕微變形，股骨頭內的血管明顯減少。該動物模型是通過注射VEGFR2抗體使局部血管形成受到抑制后，阻斷了股骨頭局部的血供，從而成功誘導股骨頭缺血性壞死模型。該方法為建立股骨頭缺血性壞死的動物模型提供了一個新途徑。
3 總結及展望
國內外學者通過不同方法成功建立了股骨頭缺血性壞死動物模型，但均有優缺點。其中，創傷性造模方法建立的股骨頭缺血性壞死病灶位于股骨頭內，而且可以建立晚期壞死動物模型，但缺點是不能針對股骨頭缺血性壞死的病因進行造模。非創傷性造模方法能根據不同病因造模，但是壞死病灶大多位于干骺端。此外，目前選擇的實驗動物以四足動物為主，但四足動物后肢承重較前肢小，造模后會出現保護性限制患肢負重，進一步降低了造模側髖關節的生物應力，因此不能很好地模擬股骨頭缺血性壞死塌陷。而且大多數實驗采用組織學觀察判斷造模是否成功，破壞了股骨頭缺血性壞死的發生發展過程，不利于后續研究。
理想的股骨頭缺血性壞死動物模型應具備以下特點：① 骨壞死區域位于股骨頭負重區、接近軟骨面、與周圍活骨相連接，且壞死股骨頭在修復過程中承載正常應力[36]；② 符合人股骨頭缺血性壞死病變的客觀規律，即早期的組織學改變到晚期的股骨頭塌陷[31]；③ 動物解剖特點、生物力學特征與人相似；④ 可重復性好，經濟可行。理想的股骨頭缺血性壞死模型建立是一項長期課題，通過數字化結合3D打印技術打印導航模板定位于股骨頭負重區進行建模，以及建立標準化股骨頭缺血性壞死動物模型是進一步研究方向。