組合式可變應(yīng)力接骨板固定對(duì)實(shí)驗(yàn)性山羊股骨骨折愈合影響的研究

楊衛(wèi)強(qiáng)，丁童，馮立平，張付美，蔣振剛，王培山

隨著當(dāng)代社會(huì)高速發(fā)展，高能量損傷不斷增加，骨折患者的發(fā)病率呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。雖然骨折治療的理念不斷更新，方法多元化，內(nèi)固定材料的研發(fā)力度日益加大，但是骨折不愈合率仍高達(dá)8%～10%［1-3］。目前多數(shù)學(xué)者一致認(rèn)為在骨折愈合過(guò)程中接骨板的“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)是骨折不愈合的一個(gè)重要因素［4-5］。最近國(guó)內(nèi)有學(xué)者設(shè)計(jì)出一種橋接組合式接骨板，并在研究中發(fā)現(xiàn)該接骨板能夠有效地克服應(yīng)力遮擋效應(yīng)，提高了對(duì)骨折的治療效果［6］。但國(guó)內(nèi)外關(guān)于不重疊的組合式可變應(yīng)力接骨板的實(shí)驗(yàn)研究及臨床應(yīng)用仍鮮見(jiàn)。2015 年1 月—2017 年6月，本研究以普通直型接骨板為對(duì)照組，通過(guò)應(yīng)用本課題組設(shè)計(jì)的組合式可變應(yīng)力接骨板治療山羊股骨骨折，觀察其在骨愈合中對(duì)骨組織病理及功能變化的作用，并探討其機(jī)制，為其下一步的臨床應(yīng)用提供理論及實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料 健康成年山羊30 只，雌雄不限，年齡12～16 個(gè)月，平均體質(zhì)量（16.2±2.0）kg，實(shí)驗(yàn)前適應(yīng)性喂養(yǎng)1周，飼養(yǎng)期間給予顆粒飼料及自由飲水。用IrCr18NiaT 不銹鋼制成的組合式可變應(yīng)力接骨板（自行研究設(shè)計(jì)）和普通型直型接骨板，MIAS醫(yī)學(xué)圖像分析系統(tǒng)（中國(guó)北航公司）。

1.2 方法

1.2.1 動(dòng)物分組與造模 使用隨機(jī)數(shù)字表法將山羊分為實(shí)驗(yàn)組（組合式可變應(yīng)力接骨板）和對(duì)照組（普通直型接骨板），每組15 只。2組動(dòng)物適應(yīng)性喂養(yǎng)1 周后，在靜脈麻醉及無(wú)菌條件下行山羊右股骨中段截骨，形成山羊股骨骨折動(dòng)物模型，實(shí)驗(yàn)組置入組合式可變應(yīng)力接骨板（圖1），對(duì)照組置入普通直型接骨板，術(shù)后制動(dòng)1周后下地活動(dòng)，術(shù)后2周拆除傷口縫線(xiàn)（圖2）。2組術(shù)后均喂服頭孢呋辛2 d，每日2次，每次30 mg/kg，預(yù)防感染。

Fig.1 Picture showing operation of combined variable stress plate圖1 組合式可變應(yīng)力接骨板手術(shù)

Fig.2 Picture showing goat immobilization one week after operation圖2 山羊術(shù)后制動(dòng)1周

1.2.2 觀察指標(biāo) 2組動(dòng)物分別于術(shù)后第4、8、12 周分批處死，剝離股骨后取下鋼板，切取2 cm長(zhǎng)股骨一段（截骨線(xiàn)上下各1 cm）。在10%中性福爾馬林緩沖液固定24 h，5%硝酸溶液脫鈣，流水沖洗后以鋼板面為前，沿正中矢狀面縱行切開(kāi)標(biāo)本，用游標(biāo)卡尺測(cè)量截骨線(xiàn)上0.5 cm 處板下皮質(zhì)厚度（不含外骨痂）和骨髓腔直徑后，自動(dòng)脫水機(jī)脫水12 h，石蠟包埋，5 μm 切片后行HE 染色，光學(xué)顯微鏡下觀察并拍照。MIAS 醫(yī)學(xué)圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行圖像分析，計(jì)算單位面積內(nèi)新生骨小梁密度，即新生骨小梁面積占視野總面積的百分比，每張切片在10×40 倍鏡下隨機(jī)讀取5 個(gè)視野，計(jì)數(shù)視野內(nèi)破骨細(xì)胞數(shù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，組內(nèi)比較采用單因素方差分析，多重比較用LSD-t法，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05差異為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般指標(biāo)的觀察 2組動(dòng)物造模成功后制動(dòng)1周，后逐步下地活動(dòng)，體質(zhì)量無(wú)下降，進(jìn)食良好；部分山羊患側(cè)肢體不能完全負(fù)重，皮毛光澤、反映可，活動(dòng)可。2組動(dòng)物無(wú)明顯差別。

2.2 骨皮質(zhì)厚度和骨髓腔直徑比較 術(shù)后4周2組的骨皮質(zhì)厚度及髓腔直徑比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，實(shí)驗(yàn)組8、12周骨皮質(zhì)厚度大于對(duì)照組，而骨髓腔直徑小于對(duì)照組（P＜0.05）。實(shí)驗(yàn)組4周、8周、12周骨皮質(zhì)及髓腔直徑無(wú)明顯變化。對(duì)照組術(shù)后8 周與4周相比，骨皮質(zhì)厚度明顯減少，髓腔直徑明顯增大（P＜0.05），術(shù)后12周比8周骨皮質(zhì)厚度進(jìn)一步明顯減少，髓腔直徑進(jìn)一步明顯增大（P＜0.05），見(jiàn)表1、2。

2.3 骨組織形態(tài)學(xué)觀察及檢測(cè) HE染色分析骨小梁密度，實(shí)驗(yàn)組術(shù)后4 周、8 周骨小梁密度大于對(duì)照組，術(shù)后12 周低于對(duì)照組（P＜0.05）；對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組術(shù)后8周、12周骨小梁密度大于4周，對(duì)照組12周骨小梁密度大于8 周，實(shí)驗(yàn)組12 周骨小梁密度小于8 周（P＜0.05）；見(jiàn)表3。破骨細(xì)胞計(jì)數(shù)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組術(shù)后8 周破骨細(xì)胞數(shù)明顯多于對(duì)照組，12 周明顯少于對(duì)照組（P＜0.05）；對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組術(shù)后8周、12 周破骨細(xì)胞數(shù)明顯多于4 周，對(duì)照組12 周破骨細(xì)胞數(shù)明顯多于8 周，實(shí)驗(yàn)組12 周破骨細(xì)胞數(shù)明顯少于8 周（P＜0.05）,見(jiàn)表4。組織學(xué)觀察示，術(shù)后8 周實(shí)驗(yàn)組骨小梁交錯(cuò)成網(wǎng)狀，骨小梁表面可見(jiàn)較多破骨細(xì)胞，而對(duì)照組骨小梁生長(zhǎng)稀疏，厚度較窄，排列紊亂，破骨細(xì)胞少見(jiàn)；12 周時(shí)實(shí)驗(yàn)組骨小梁排列有序，形成哈夫斯管，破骨細(xì)胞少見(jiàn)，對(duì)照組骨小梁排列錯(cuò)亂，骨痂密度不均，破骨細(xì)胞多見(jiàn)，見(jiàn)圖3。

Tab.1 Comparison of cortical thickness between two groups表1 對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組骨皮質(zhì)厚度比較（n=5，mm，±s）

Tab.1 Comparison of cortical thickness between two groups表1 對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組骨皮質(zhì)厚度比較（n=5，mm，±s）

＊P＜0.05，＊＊P＜0.01；a 與術(shù)后4 周比較，b 與術(shù)后8 周比較，P＜0.05；表2～4同

組別對(duì)照組實(shí)驗(yàn)組t術(shù)后4周2.04±0.10 2.07±0.17 0.459術(shù)后8周1.56±0.05a 2.17±0.21 8.675＊＊術(shù)后12周1.38±0.06ab 2.08±0.19 10.598＊＊F 191.770＊＊0.770

Tab.2 Comparison of the diameter of bone marrow cavity between two groups表2 對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組骨髓腔直徑比較 （n=5，mm，±s）

Tab.2 Comparison of the diameter of bone marrow cavity between two groups表2 對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組骨髓腔直徑比較 （n=5，mm，±s）

組別對(duì)照組實(shí)驗(yàn)組t術(shù)后4周11.68±0.65 11.60±0.69 0.264術(shù)后8周12.30±0.13a 11.60±0.75 2.896＊術(shù)后12周12.71±0.37ab 11.64±0.74 4.086＊＊F 13.790＊＊0.010

Tab.3 Comparison of trabecular bone density in fracture healing at different time points between two groups表3 2組不同時(shí)間骨折端骨小梁密度結(jié)果（n=25，%，±s）

Tab.3 Comparison of trabecular bone density in fracture healing at different time points between two groups表3 2組不同時(shí)間骨折端骨小梁密度結(jié)果（n=25，%，±s）

組別對(duì)照組實(shí)驗(yàn)組t術(shù)后4周40.08±4.29 51.12±3.92 9.499＊＊術(shù)后8周51.60±5.26a 71.92±3.65a 15.869＊＊術(shù)后12周70.60±2.04ab 66.84±5.45ab 3.229＊＊F 354.570＊＊150.994＊＊

Tab.4 Comparison of osteoclast count in fracture healing at different time points between two groups表4 2組不同時(shí)間骨折端破骨細(xì)胞的計(jì)數(shù)結(jié)果（n=25，個(gè)/視野，±s）

Tab.4 Comparison of osteoclast count in fracture healing at different time points between two groups表4 2組不同時(shí)間骨折端破骨細(xì)胞的計(jì)數(shù)結(jié)果（n=25，個(gè)/視野，±s）

組別對(duì)照組實(shí)驗(yàn)組t術(shù)后4周6.12±1.56 6.52±1.58 0.899術(shù)后8周9.96±2.32a 21.40±4.02a 12.325＊＊術(shù)后12周19.20±2.61ab 9.80±1.50ab 15.595＊＊F 231.408＊＊219.058＊＊

Fig.3 Pathological changes of micro-structure of bone healing in goat femur fracture(HE staining,×400)圖3 山羊股骨骨折愈合骨組織病理學(xué)變化（HE染色，×400）

3 討論

骨折愈合是骨組織原始連續(xù)性重建的過(guò)程，是一個(gè)非常復(fù)雜的細(xì)胞組織學(xué)修復(fù)過(guò)程，與局部力學(xué)環(huán)境、生物學(xué)環(huán)境等因素具有重要聯(lián)系［7］。骨折愈合是骨痂形成反應(yīng)不斷重復(fù)和疊加的結(jié)果，骨痂的形成是由刺激信號(hào)引發(fā)的相關(guān)細(xì)胞再生的過(guò)程。超負(fù)荷應(yīng)力-血管生成-骨再生的偶聯(lián)效應(yīng)是骨痂形成的基本病理基礎(chǔ)。骨再生具有放大的骨生成效應(yīng)，不同的固定方式可以影響骨再生的效率，適當(dāng)?shù)某?fù)荷可以導(dǎo)致放大的骨再生，應(yīng)力遮擋妨礙骨痂的形成，而不穩(wěn)定的固定可以導(dǎo)致磨損性骨吸收［8］。因此筆者認(rèn)為維持骨折斷端力學(xué)環(huán)境的合理性，采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行固定，能有效促進(jìn)骨折的愈合。目前對(duì)骨折的固定治療主要有AO理論（強(qiáng)調(diào)解剖復(fù)位加壓堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定）、BO理論（強(qiáng)調(diào)保護(hù)骨折斷端生物力學(xué)環(huán)境，間接復(fù)位，相對(duì)穩(wěn)定固定）二大學(xué)術(shù)派別。堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定在骨折愈合治療起了積極的作用，仍是目前骨折治療的重要規(guī)則之一。但近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，臨床患者在骨折時(shí)行堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定，出現(xiàn)骨折愈合前斷板斷釘?shù)默F(xiàn)象，鋼板取出后，發(fā)現(xiàn)骨折斷端未愈合或部分愈合現(xiàn)象［9］。多數(shù)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，鋼板取出后骨干發(fā)生再骨折率近年來(lái)顯著增加，隨著對(duì)骨骼生物力學(xué)原理的深入研究，患者發(fā)生再骨折是由于由金屬接骨板產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋效應(yīng)造成骨皮質(zhì)萎縮，與骨質(zhì)力學(xué)變化有關(guān)［10-11］。近年來(lái)，骨折固定治療發(fā)生了極大的改變，主要體現(xiàn)在從力學(xué)固定向生物學(xué)固定，即從絕對(duì)固定向相對(duì)固定的轉(zhuǎn)變［12］。BO固定理論被更多數(shù)人接受，如髓內(nèi)釘技術(shù)、mippo技術(shù)。但也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如髓內(nèi)固定術(shù)后骨折斷端骨痂假性肥大，骨不愈合。最近有學(xué)者研究通過(guò)輔助鋼板聯(lián)合髓內(nèi)釘治療骨折的生物力學(xué)，提出此種聯(lián)合固定有助于治療骨折不愈合［13］。無(wú)論采取哪種理論，骨折固定有效、牢靠仍是骨折固定的重要標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)“Frost 力學(xué)調(diào)控理論”［14］，外力作用下骨折局部運(yùn)動(dòng)較大，不利于新生骨痂生成，骨折間隙運(yùn)動(dòng)較小不利于骨量保持，容易造成局部“廢用性骨質(zhì)疏松”［15］。因此，骨折固定方式和穩(wěn)定程度對(duì)骨折愈合具有重要意義。本研究設(shè)計(jì)的組合式可變應(yīng)力接骨板由骨折連接固定板和穩(wěn)定板兩部分組成，骨折連接固定板末端通過(guò)滑槽套在穩(wěn)定板上，固定骨折后骨折斷端無(wú)間隙，組合式鋼板之間有微小間隙，通過(guò)穩(wěn)定板上的鎖定孔將組合板鎖定，從而維持穩(wěn)定板和連接固定板間的間隙，其在骨的愈合過(guò)程中，負(fù)重后使超負(fù)荷直接作用于骨折間隙，減少接骨板的“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)，促使骨折間隙的壓應(yīng)力根據(jù)負(fù)重力量的改變而改變，完全符合生物力學(xué)刺激，促進(jìn)了骨折的愈合。

本研究結(jié)果顯示，組合式可變應(yīng)力接骨板組4周、8周骨小梁密度明顯增高，有效骨痂量明顯大于對(duì)照組，骨折愈合較快，到12周骨小梁排列有序，形成哈夫斯管，而普通組骨小梁排列錯(cuò)亂，骨痂密度不均，仍是初級(jí)骨小梁。以上結(jié)果提示組合式可變應(yīng)力接骨板固定較為牢固，符合堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定AO 理論，組合式鋼板之間有微小間隙存在，使固定鋼板的應(yīng)力減少，根據(jù)“Frost 力學(xué)調(diào)控理論”，骨折斷端適當(dāng)?shù)膽?yīng)力刺激促進(jìn)骨痂的生成，利于骨折愈合，本研究設(shè)計(jì)鋼板符合骨折愈合的生物力學(xué)理論。同時(shí)通過(guò)破骨細(xì)胞計(jì)數(shù)，從顯微組織學(xué)評(píng)估2組骨痂改建情況，實(shí)驗(yàn)組8 周的骨小梁周邊的破骨細(xì)胞數(shù)明顯多于對(duì)照組，骨痂已處于改建期，12 周時(shí)實(shí)驗(yàn)組破骨細(xì)胞數(shù)明顯少于對(duì)照組，骨痂改建基本結(jié)束，而對(duì)照組4周、8周、12周破骨細(xì)胞數(shù)呈現(xiàn)明顯增高趨勢(shì)，也說(shuō)明實(shí)驗(yàn)組骨折愈合骨組織重建過(guò)程明顯較快，而12 周時(shí)對(duì)照組仍處于改建期。本研究從標(biāo)本大體觀的角度，即骨皮質(zhì)及骨髓腔的測(cè)量進(jìn)行觀察顯示，實(shí)驗(yàn)組4 周、8 周、12 周骨皮質(zhì)及髓腔直徑無(wú)明顯變化，對(duì)照組4 周、8 周、12 周骨皮質(zhì)厚度逐漸減少，髓腔直徑逐漸增大，提示對(duì)照組鋼板存在應(yīng)力遮擋效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)組鋼板未見(jiàn)明顯的應(yīng)力遮擋效應(yīng)造成的骨質(zhì)厚度丟失及骨質(zhì)萎縮，未形成局部“廢用性骨質(zhì)疏松”［15］。

總之，本研究初步探討了組合式可變應(yīng)力接骨板固定在山羊股骨骨折愈合過(guò)程中的骨組織病理及功能變化，組合式可變應(yīng)力接骨板通過(guò)骨折斷端組合鋼板間的間隙產(chǎn)生的微動(dòng)，為骨折間隙提供了合理的生物力學(xué)環(huán)境，通過(guò)自身的超負(fù)荷，使骨折斷端產(chǎn)生正向壓應(yīng)力，從而減少鋼板對(duì)骨的應(yīng)力遮擋效應(yīng)，促進(jìn)骨痂的生成，加快骨痂的改建，促進(jìn)骨折愈合。但本研究也存在一定缺陷，鋼板制作標(biāo)準(zhǔn)與動(dòng)物（羊）骨的匹配標(biāo)準(zhǔn)及其與人體的對(duì)比要求無(wú)資料支持，工作中實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組均未出現(xiàn)螺釘松動(dòng)、鋼板斷裂等現(xiàn)象。骨愈合取出鋼板后，沒(méi)有再繼續(xù)飼養(yǎng)，沒(méi)有像臨床上長(zhǎng)期定時(shí)隨訪(fǎng)，即無(wú)骨愈合后期的實(shí)驗(yàn)觀察等。