新型便攜式外固定支架與傳統外固定支架應用實驗對照研究*

陳 喆，畢 龍，姬權磊，高嘉鍇，楊大釗，鄧 岳，裴富強，袁 志△

1．空軍軍醫大學西京醫院骨科(西安710032)，2．西安航天總醫院關節外科(西安710100)

現代社會高能量損傷造成的骨折日漸增多，如交通事故、高空及戶外作業發生意外所致的全身多發骨折等，其中以四肢骨折最為常見[1]。兒童青少年在生長發育的過程中也經常發生四肢骨折，如脛腓骨骨折等。此類骨折多表現為局部腫脹、疼痛、重疊和成角移位等，若不及時正確處理極易誘發感染和后期的四肢功能障礙。目前，外固定支架在此類型骨折中的使用逐漸增多，且種類復雜，但仍無法完全滿足應急條件下對傷員快速、有效固定和安全轉運。本研究中筆者自主研制出一款新型便攜式外固定支架，并與傳統外固定支架比較，在兔脛骨骨折模型中驗證其療效。

材料與方法

1 實驗動物選擇及模型制作 成年健康實驗用白兔48只，購于空軍軍醫大學實驗動物中心，雌雄不限，體重為(2.0±0.5)kg。采用單純隨機抽樣的原則，分成實驗組和對照組，每組各24只。3%戊巴比妥鈉(30 mg/kg)兔耳緣靜脈注射麻醉，俯臥位固定于手術臺上，右腿腿毛消毒鋪無菌巾。取右脛骨內側縱行約4 cm直切口。充分顯露脛骨中段，用骨刀制造脛骨中段骨折模型，分別使用傳統支架和新型便攜式支架，行骨折復位外固定治療。術后每只兔常規肌注青霉素40萬U/d，連續3 d。所有動物實驗均經過空軍軍醫大學倫理委員會批準。

2 實驗儀器和試劑 抗兔BMP-7、TGF-β1、bFGF一抗、二抗試劑，DAB顯色試劑盒，均購于北京博奧森生物科技有限公司；兔BMP-7、TGF-β1、bFGF的ELISA檢測試劑盒，購自重慶鼎國生物技術有限公司，酶標儀、37 ℃恒溫培養箱及其它耗材均由第四軍醫大學附屬西京醫院骨科實驗室提供，HE染色及Western Blot蛋白印跡檢測所需儀器及試劑由空軍軍醫大學附屬西京醫院肝膽胰外科實驗室提供。

3 檢查方法 實驗組和對照組于術后第4、8、12周(每個時相點6只)行X線檢查，觀察骨痂生長情況、骨折線的變化及達到骨性愈合的時間。利用ELISA法，于術后第2、4、8周測定血清及骨組織中骨形態發生蛋白(BMP-7)、轉化生長因子-β1(TGF-β1)及堿性成纖維細胞因子(bFGF)的濃度。于術后第4、8、12周取新生骨組織做HE染色行組織學檢測，光鏡下觀察骨痂生長情況及其組織形態。Western Blot蛋白印記實驗測定術后新生骨組織中BMP-7、TGF-β1、bFGF蛋白的表達變化，具體操作步驟參照說明書進行。

結 果

1 兩組外固定支架部件及脛骨中段骨折效果對比 脛骨中段骨折模型建立成功后，分別采用傳統的外固定支架(對照組)和新型便攜式外固定支架(實驗組)，對骨折斷端進行復位和外固定。結果顯示，兩組手術過程均很順利，都能達到有效的解剖復位和外固定效果(圖1)。

2 骨折愈合的X線片表現 分別于術后3個時相點(4、8、12周)，行X線片檢查，對比兩組骨折斷端愈合情況。第4周對照組骨痂開始形成，而實驗組骨折線模糊，外骨痂已經完全橋接斷端；第8周對照組骨折線消失，骨痂面積縮小，實驗組骨折端為骨性連接，髓腔再通；第12周對照組骨折端為骨性連接，髓腔再通，實驗組骨折完全愈合(圖2)。

A：傳統外固定支架；B：新型便攜式外固定支架；C：對照組傳統支架復位后固定；D：實驗組新型便攜式支架復位后固定

圖1 外固定支架部件對比及脛骨中段骨折外固定

A、B、C：對照組；D、E、F：實驗組；A、D：術后第4周；B、E：術后第8周；C、F：術后第12周

圖2 X線片骨折愈合情況

圖3 三個檢測時相點血清BMP-7、TGF-β1和

3 ELISA法檢查兔血清中BMP-7、TGF-β1及bFGF濃度 在三個檢測時相點(2、4、8周)，兔血清中BMP-7、TGF-β1、bFGF三種細胞因子總體變化呈下降趨勢。在骨折恢復早期(2周)，BMP-7(185±9.6 vs 147±7.20,P=0.03)、TGF-β1(2555±104.7 vs 2142±94.7,P=0.04)及bFGF(104±8.3 vs 77±4.9,P=0.04)的濃度(pg/ml)均高于對照組，差異有統計學意義(圖3)。

4 Western Blot法檢測骨組織中BMP-7、TGF-β1及bFGF蛋白表達 在術后2周，取新生骨組織提取組織總蛋白，檢測組織中BMP-7、TGF-β1、bFGF分子的表達情況，結果顯示：在骨折愈合2周時，實驗組促骨折愈合相關細胞因子BMP-7、TGF-β1的相對表達水平明顯高于對照組，而bFGF表達無統計學差異(圖4)。

圖4 新生骨組織中BMP-7、TGF-β1及bFGF

討 論

四肢長骨如股骨干、肱骨下1/3、脛骨下1/3、及尺撓骨骨折多伴有骨折明顯移位，并有軟組織、隨行血管及神經損傷，且不易固定，手術治療愈合緩慢，其延遲愈合率為5%～17%[2]。雖然一部分骨折延長固定時間可以愈合 , 但由于患者長期臥床, 會引起患肢肌肉萎縮、關節僵硬、骨折畸形愈合等并發癥 , 導致肢體功能障礙。而外固定支架治療可以起到維持骨折對位對線、控制損傷的作用，其在骨折治療中的應用使患者可早期進行功能鍛煉 , 有效防止了關節僵硬等并發癥的發生，尤其對合并軟組織損傷 、感染的四肢骨折獨具優勢[3]，操作簡單、快速、創傷小[4]。但是，目前針對四肢長骨骨折使用的外固定支架仍有許多問題不容忽視，如：組成部件復雜，操作難度大，所需手術時間較長；部分支架極為笨重，病人不能忍受，難以滿足臨床需求；強度不夠，后期恢復易出現骨成角畸形[5]；材料費用昂貴，患者經濟負擔重[6]等。

根據前期研發基礎，本研究中筆者自主設計出新的便攜式外固定支架樣品，并在兔脛骨骨折模型中進行了治療效果評估。結果顯示，新型便攜式外固定支架用以固定脛骨骨折，操作相對簡單，骨折斷端固定牢固，所花費手術時間少；同時，副損傷輕，出血少；所需的經濟成本亦相對低廉。相同時相點的骨折X線，結果顯示新型便攜式支架使用組，骨折愈合速度較快，這可能與手術時間短、出血少，血管及神經破壞程度輕，骨折復位后血運好有關。分析認為，自制固定針中段設有外螺紋，與主架桿相配合可實現直接鎖定固定，其組成部件少，結構簡單，便于使用和攜帶；主架桿中段開有方向與主架桿走向相垂直的螺紋通孔，可疊加使用，根據實際需要，可增加固定強度和長度；主架桿兩端設有不同方向的螺紋通孔，使固定針可從不同角度打入骨質，增加穩定性并提高抗拔出應力；固定針的針頭為自攻自鉆，不同環境下固定針的植入更方便。

骨形態發生蛋白(Bone morphogenetic proteins，BMPs)是骨生成的啟動因子，參與骨組織的生長、發育及損傷的修復，表現為誘導成骨作用，同時，具有抑制破骨細胞生成及其功能的作用，在骨痂改建中有重要作用[7]。BMP-7具有強烈的骨誘導活性[8]，可在異位誘導新骨形成；在骨骼發育的不同階段具有一定的調節作用；可促進成骨細胞增殖和堿性磷酸酶的表達，并促進軟骨細胞蛋白多糖表達和關節軟骨缺損的修復。TGF-β1可以抑制破骨細胞的活化，刺激成骨母細胞的增殖和活化，抑制骨間充質干細胞向脂肪細胞轉化，對軟骨的生長和分化也起著關鍵性的作用，并能促進已被募集來的成骨細胞合成1型膠原、骨連接素和骨橋蛋白，利于骨基質的合成與積累[9]。bFGF是一種毛細血管增殖刺激劑，促進毛細血管向骨移植物中長入，使早期組織中軟骨島的數量增多[10]。本研究結果顯示，兩種外固定方式導致三種與骨折愈合相關的細胞因子在血清中峰濃度出現的時間不同，在骨折愈合后期其差異性逐漸消失。從術后2周開始，實驗組血清中各因子即呈逐漸下降趨勢，其中，BMP-7的降低尤為顯著，這可能與成骨細胞在向成熟骨細胞分化的過程中，其合成BMP-7的能力會明顯降低直至消失有關[11]，而術后第4周，可觀察到對照組各因子的血清濃度高于實驗組，提示可能是表達峰度延后所致。

綜上所述，本實驗在兔脛骨骨折模型中，使用傳統外固定支架作為對照，驗證了新型便攜式外固定支架治療四肢長骨骨折的有效性，其簡化手術操作和改善骨折預后的特點優于傳統支架，同時，成本低廉，易于改造，非常適合后期進一步完善和未來的臨床推廣。

[1] Mahdian M, Fazel MR, Sehat M,etal. Epidemiological profile of extremity fractures and dislocations in road traffic accidents in Kashan, Iran: a glance at the related disabilities[J]. Arch Bone Jt Surg, 2017,5(3):186-192.

[2] Ng AJ, Yue B, Joseph S,etal. Delayed/non-union of upper limb fractures with bisphosphonates: systematic review and recommendations[J]. ANZ J Surg,2014,84(4):218-224.

[3] Metsemakers WJ, Smeets B, Nijs S,etal. Infection after fracture fixation of the tibia: Analysis of healthcare utilization and related costs[J]. Injury,2017,48(6):1204-1210.

[4] Qin SH, Guo BF, Zheng XJ,etal. Domestic external fixator application in the treatment of limb deformities: 7289 cases application report[J]. Zhonghua Wai Ke Za Zhi,2017,55(9):678-683.

[5] Burgers PT, Van Riel MP, Vogels LM,etal. Rigidity of unilateral external fixators--a biomechanical study[J]. Injury,2011,42(12):1449-1454.

[6] Chaus GW, Dukes C, Hak DJ,etal. Analysis of usage and associated cost of external fixators at an urban level 1 trauma centre[J]. Injury,2014,45(10):1611-1613.

[7] Wang P, Ying J, Luo C,etal. Osthole promotes bone fracture healing through activation of BMP signaling in chondrocytes[J]. Int J Biol Sci,2017,13(8):996-1007.

[8] Singh R, Bleibleh S, Kanakaris NK,etal. Upper limb non-unions treated with BMP-7: efficacy and clinical results[J]. Injury,2016,47(Suppl 6):S33-S39.

[9] Hara Y, Ghazizadeh M, Shimizu H,etal. Delayed expression of circulating TGF-beta1 and BMP-2 levels in human nonunion long bone fracture healing[J]. J Nippon Med Sch, 2017,84(1):12-18.

[10] Uchida K, Urabe K, Naruse K,etal. Accelerated fracture healing targeting periosteal cells: Possibility of combined therapy of low-intensity pulsed ultrasound (LIPUS), Bone Graft, and Growth Factor (bFGF) [J]. J Orthop Trauma,2016,30(8):S3.

[11] Mizumoto Y, Moseley T, Drews M,etal. Acceleration of regenerate ossification during distraction osteogenesis with recombinant human bone morphogenetic protein-7[J]. J Bone Joint Surg Am,2003,85-A Suppl 3:124-130.