新型便攜式外固定架治療長骨骨折的實驗研究

陳 喆，袁 志，楊大釗，鄧 岳，裴富強，畢 龍，姬傳磊，高嘉鍇

高能量損傷多合并四肢骨折[1]，且往往伴有嚴重軟組織損傷；同時，青少年在生長發育的過程中也經常發生四肢長骨骨折[2];其臨床表現多為局部腫脹、疼痛、重疊和成角移位等，若不及時復位和固定，會誘發骨折延遲愈合或不愈合[3]。對于此類骨折，臨床多采取外科手術方式治療，不同的固定材料和手術方式可取得不同的治療效果[4]。其中，外固定架對患處早期有效地臨時固定可明顯降低致殘、致死率。目前，臨床中應用的外固定架普遍存在結構復雜、攜帶不便、操作繁瑣等缺點。筆者根據鎖定鋼板外置原理設計出一款新型便攜式外固定架，且已獲得國家發明專利(專利號：ZL201210294473.8，生產廠家:中國航天發動機廠)。本研究擬在動物實驗中驗證其效果，報道如下。

1 材料與方法

1.1 實驗動物成年新西蘭健康、清潔級大白兔36只，雌雄不限，體重1.5～2.5 kg，購自中國人民解放軍空軍軍醫大學實驗動物中心。采用單純隨機抽樣的原則分成實驗組和對照組，每組18只。

1.2 實驗儀器和試劑X線檢查儀由中國人民解放軍空軍軍醫大學附屬第一醫院放射科提供，電鏡掃描儀由中國人民解放軍空軍軍醫大學基礎教研室提供；HE染色試劑、電子萬能試驗機、電子扭轉試驗機由中國人民解放軍空軍軍醫大學附屬第一醫院骨科實驗室提供。實驗中所用機器均安裝力學感應元件，可自動記錄實驗數據，輸入自帶計算機中處理并繪圖。

1.3 模型制備異氟烷面罩吸入式麻醉。大白兔仰臥位固定于手術臺上，下肢消毒、備皮，鋪無菌巾。取右脛骨內側約4 cm縱行切口。充分顯露脛骨中段，于脛骨中上1/3處用骨刀制造斜行骨折(見圖1A)，AO分型均為42-A2型，分別使用傳統外固定架(對照組)和新型便攜式外固定架(實驗組)，見圖1B、C。行骨折復位外固定術，見圖1D～F。統計術中出血量及手術時間。術后每只兔肌肉注射青霉素40萬U/d，連續3 d。

1.4 影像及組織學檢查① X線檢查：分別于術中及術后第4、8、12周行X線檢查，觀察骨折斷端復位和愈合情況。② HE染色：分別于術后第4、8、12周對實驗兔實施安樂死(實驗組和對照組每個時間點各取6只)，并于骨折遠、近端3 cm處取材，10%甲醛固定標本7 d，脫鈣液脫鈣、乙醇梯度脫水、石蠟包埋和切片，然后行HE染色，中性樹膠封片，光鏡下觀察并拍照。③ 電鏡掃描：利用第4周骨組織標本，骨刀沿脛骨干冠狀面劈裂，3%戊二醛固定48 h，將標本用蒸餾水沖洗，乙腈梯度脫水，電子真空干燥，定向黏附于載物臺上，真空噴金，掃描電鏡觀察拍照。

1.5 力學實驗每次選取6個脛骨標本進行力學實驗。① 縱向抗拔出實驗：于脛骨表面涂抹義齒基托樹脂固定，標本骨端固定于下位夾具，外架端固定于上位夾具，載于電子萬能試驗機，給予0～900 N垂直向上逐漸加載的拔出力，加載速度為10 mm/min。② 三點彎曲實驗：選用外架同質鈦合金棒材，分別置于兩點間距為150 mm水平載物臺上，持續施以棒材0～200 N縱向載荷，加載速度為5 mm/min。③ 水平抗扭轉實驗：于脛骨標本植入骨釘，固定于電子扭轉試驗機上，順時針旋轉骨釘，扭矩從0 N·m逐漸加載至50 N·m，轉速為0.5 mm/min。

2 結果

兩組手術過程均順利。

2.1 兩組手術指標比較手術時間、術中出血量實驗組短(少)于對照組(P<0.05)，見表1。

2.2 骨折愈合的X線表現術后4周，實驗組骨折線模糊，外骨痂橋接斷端；對照組骨折線仍較清晰，未見明顯的外骨痂橋接。術后8周，實驗組骨折線已基本消失，外骨痂面積減少，骨折斷端骨連接；對照組仍可見骨折線和大面積外骨痂。術后12周，實驗組骨折完全愈合，對照組骨痂的重塑仍未結束。見圖2。

2.3 HE染色觀察骨折愈合組織學表現術后第4周兩組骨小梁均明顯增多，實驗組骨小梁開始相互連接，骨折斷端間出現板層骨，編織骨減少，軟骨成分少見，對照組骨小梁較為分散，骨折斷端間仍見大量軟骨成分，編織骨開始增多。第8周骨凹陷處成骨細胞數量實驗組少于對照組。第12周實驗組骨折端纖維骨痂消失，由板層骨連接，骨塑形明顯，對照組骨痂仍有纖維骨痂，內外骨痂開始塑形。見圖3。

2.4 電鏡觀察新生骨組織形態術后第4周骨折處骨組織電鏡掃描結果顯示，實驗組骨折斷端已完全被新生骨小梁連接，編織骨開始減少，板層骨開始出現；對照組骨小梁形成速度相對較慢，未完全填充骨折斷面。見圖4。

圖3 光鏡觀察骨折愈合組織學表現 HE×100 A～C.實驗組術后4、8、12周；D～F.對照組術后4、8、12周

圖4 電鏡觀察新生骨組織形態 A1、B1 HE×100,A2、B2 HE×500 A.對照組；B.實驗組

2.5 力學實驗見表2。① 縱向抗拔出實驗：拔出最大力實驗組高于對照組(P<0.05)，說明新型便攜式外固定架在骨質中的抗拔出性能上有較明顯優勢。② 水平抗扭轉實驗：抗扭轉最大扭矩實驗組明顯高于對照組，差異有統計學意義(P<0.01)，說明新型便攜式外固定架的抗扭轉能力較好。③ 三點彎曲實驗：三點彎曲最大力兩組比較差異無統計學意義(P>0.05)，說明新型便攜式外固定架和傳統外固定架在抗彎曲性能上無明顯差異。

表2 兩組外固定架力學實驗結果比較

3 討論

四肢長骨如股骨干、肱骨下1/3、脛骨下1/3及尺橈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%[5]。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。在骨折治療中外固定架可以起到維持骨折對位對線、控制損傷的作用，患者可早期進行功能鍛煉,防止關節僵硬等并發癥的發生，尤其對合并軟組織損傷、感染的四肢骨折具有明顯優勢[3]。但是，目前針對四肢長骨骨折使用的外固定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；部分固定架極為笨重，患者不能忍受，難以滿足臨床需求；強度不夠，后期恢復易出現骨成角畸形[6]；材料費用昂貴，患者經濟負擔重等。

本課題組設計的新型便攜式外固定架，旨在盡可能簡化外固定架的零部件和組成部分，使其在保持原有力學功能的基礎上，結構更簡單，重量更輕、便于攜帶，適用于野外突發事故的醫療救援等；同時，安裝到患者身上后更加容易接受并有利于醫護人員護理。我們總結新型便攜式外固定架有如下優點：① 外固定架可通過拆分組合，用于四肢及骨盆的臨時固定，不需要攜帶大量單元件，非常適合野外及特殊場合的使用。② 外固定針通過螺紋、螺母與外固定架鎖定結合，通過外固定針和外固定架的把持力維持骨折斷端的穩定性；而傳統外固定架多依靠軸線加壓，其設計復雜，零部件較多，不易攜帶，且長期固定容易出現松動，導致骨折斷端移位，固定失敗。③ 外固定架中段設計有橢圓形長軸通孔，使外固定架可起到滑動加壓的作用，進一步加強骨折斷端的穩定性，并且可根據實際情況疊加使用，增加固定強度和長度，甚至實現跨關節固定。④ 在外固定架的兩側，有交叉孔設計，在保證便攜性的基礎上，可有效防止骨折斷端的旋轉移位，相比傳統單臂外固定架骨折固定更可靠。⑤ 外固定架因其鎖定效應，理論上在固定關節附近骨折時不需要跨關節固定，因此可以避免關節僵硬，影響關節功能。

由于新型便攜式外固定架具有鎖定加壓和防旋轉的功能，我們推測其固定骨折的能力應該更強，為此我們設計了新西蘭大白兔脛骨中段骨缺損后外固定架固定治療實驗，并與傳統外固定架治療對照。在4、8周兩個時間點，新型便攜式外固定架固定治療的骨折愈合速度要快于傳統外固定架固定治療。通過力學實驗發現，抗扭轉力、抗拔出能力新型便攜式外固定架均強于傳統外固定架，抗折彎能力兩者沒有區別。結果表明，新型便攜式外固定架不但質量輕，而且在抗拔出、抗扭轉方面要強于傳統外固定架。

綜上所述，新型便攜式外固定架治療四肢長骨骨折能簡化手術操作，促進骨折愈合，同時成本低廉，易于改造，較適合臨床進一步完善和推廣。