兔股骨牽張成骨牽張器的改進及動物模型的建立

高怡加，楊彬，黃培鎮(zhèn)，李悅，黃楓，姜自偉，陳朝

(1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，廣東 廣州 510405；2.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510405)

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實驗研究

兔股骨牽張成骨牽張器的改進及動物模型的建立

高怡加1，楊彬2，黃培鎮(zhèn)1，李悅1，黃楓1，姜自偉1，陳朝2

(1.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，廣東 廣州 510405；2.廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510405)

目的 改進兔股骨牽張成骨模型中牽張器的結(jié)構(gòu)，評估應(yīng)用該牽張器建立動物模型的效果。方法 取16只新西蘭兔，采用改進后的兔股骨牽張器，建立兔股骨牽張成骨動物模型并觀察其效果。結(jié)果 改進并優(yōu)化股骨牽張器的固定及牽張模式，設(shè)計新型股骨牽張器；取16只新西蘭兔，采用改進后的兔股骨牽張器，建立兔股骨牽張成骨動物模型，觀察其固定的穩(wěn)定性，分別于牽張當(dāng)天、牽張期第3周、牽張后固定期第2、4周進行X線檢查，評估其牽張效果。結(jié)論 改進型牽張器結(jié)構(gòu)簡單、輕便，操作簡便，固定牢固，牽張效果明確，適用于建立兔股骨牽張成骨模型。

牽張成骨；牽張器；動物模型

牽張成骨(distraction osteogenesis，DO)是通過在離斷的保留骨膜、軟組織附著及血供的骨段上按照一定的速度和頻率施加特定的牽張力，使得骨折端利用骨折愈合機制不斷產(chǎn)生新骨，從而使骨缺損和骨骼畸形得以糾正的外科技術(shù)。該技術(shù)由俄羅斯學(xué)者Gavriil A.Ilizarov提出，因為該技術(shù)具有創(chuàng)傷小、不需植骨及可同時牽張軟組織等優(yōu)點，因此具有巨大的臨床使用價值。目前關(guān)于長骨牽張成骨的動物實驗研究報道較少，且既往的牽張器或重量較大、或穩(wěn)定性欠佳，導(dǎo)致動物活動后牽張器固定針易脫落、骨折端易成角或側(cè)方移位等，使得牽張結(jié)果受到影響。本文作者在本院之前使用的牽張器的基礎(chǔ)上，加以改進，設(shè)計出一種操作簡便、結(jié)構(gòu)輕巧、固定牢靠、價格低廉的牽張器。經(jīng)過本試驗研究證實，該牽張器能實現(xiàn)精確控制牽張速度、增強骨折端穩(wěn)定性、固定針不易脫落等優(yōu)點。

1 資料與方法

1.1 牽張器的研制

1.1.1 應(yīng)用特點 本牽張器為本課題組與廣州尤特新材料公司合作研制的兔股骨牽張裝置(已申請國家專利，專利號：20140418675.3)，由304不銹鋼制造，具有無毒、不致敏、低價、具有合適的剛度和彈性及可在體內(nèi)長期留存等特點，能達到牽張成骨對穩(wěn)定性的要求。本牽張器通過克氏針固定骨折端，并將克氏針固定于左、右旋固定螺母上，通過旋轉(zhuǎn)兩端螺紋相反的中央牽張螺桿使得匹配的左、右旋螺母之間的相對距離增寬，從而實現(xiàn)牽張。

1.1.2 整體結(jié)構(gòu) 該牽張器由1條中央牽張螺桿、2個左旋固定螺母、2個右旋固定螺母，4根1.5 mm直徑的克氏針組成。中央牽張螺桿一端為左旋螺紋、一端為右旋螺紋。左旋固定螺母固定在中央牽張螺桿的左旋螺紋端上，右旋固定螺母同理。左、右旋螺母上固定有持針夾板，可通過左、右旋固定螺母上的固定螺桿固定于左、右旋螺母上，持針夾板上鉆有持針孔，可通過旋轉(zhuǎn)側(cè)方固定螺絲以固定克氏針。當(dāng)用骨科電鉆將克氏針鉆入骨折端后，將克氏針固定于左、右旋固定螺母上的持針夾板上，從而通過旋轉(zhuǎn)中央牽張螺桿就能使得匹配的左、右旋螺母之間的相對距離增寬，從而實現(xiàn)牽張(見圖1)。

圖1 牽張器設(shè)計圖

1.1.3 器械規(guī)格 中央牽張螺桿全長100 mm，左側(cè)為M6標(biāo)準(zhǔn)左旋螺桿，右側(cè)為M6標(biāo)準(zhǔn)右旋螺桿，可實際延長長度約為70 mm；左、右旋固定螺母的螺紋分別為M6標(biāo)準(zhǔn)左、右旋螺紋，螺距為1 mm。順時針旋轉(zhuǎn)一圈中央雙向螺紋螺桿可使得克氏針之間的距離增寬2 mm。全套器械約重50 g。

1.2 實施方法

1.2.1 實驗動物及分組 實驗共選用成年新西蘭兔16只(廣東省實驗動物中心提供)，雌雄各半，體重2.30～2.50kg。飼料由廣州中醫(yī)藥大學(xué)實驗動物中心提供。

1.2.2 麻醉及術(shù)前準(zhǔn)備 術(shù)前12h禁食，以10%水合氯醛按3.5 mL/kg腹腔注射，術(shù)中追加麻醉不超過首次劑量的1/3，術(shù)前術(shù)后肌注青霉素鈉(8×105IU/KG)以預(yù)防感染。麻醉起效后，取左側(cè)臥位，右下肢術(shù)野去毛備皮，以2%碘酊消毒，乙醇脫碘，鋪無菌洞巾。

1.2.3 手術(shù)方法 此體位可捫及股骨大轉(zhuǎn)子，并以之為定位點，在其下方約2 mm偏后外側(cè)處經(jīng)皮鉆入克氏針1枚；下方4 mm處再經(jīng)皮鉆入克氏針1枚。捫及股骨遠端，并在股骨遠端上5 mm處(大約是干骺端的位置)的后外側(cè)鉆入克氏針1枚，此針上方2 mm再鉆入克氏針1枚。所有克氏針均穿過股骨雙側(cè)皮質(zhì)(見圖2)。于股骨中段外側(cè)做一長約3cm切口，沿股直肌和股外側(cè)肌之間的肌間隙鈍性分離兩肌，即可顯露股骨中段，擺鋸做股骨截骨，截骨時注意保護骨膜，及周圍軟組織(見圖3)。

圖2 在兔股骨干截骨線兩側(cè)平行打入克氏針

圖3 顯露兔股骨干并截骨

1.2.4 牽張器的置入 調(diào)整左、右旋螺母在中央牽張螺桿之間的距離，使其上持針夾板持針孔的距離和4根克氏針之間的距離相等，將克氏針穿進持針孔，至距離皮膚10 mm高處擰緊側(cè)方固定螺絲以固定克氏針。擰緊固定螺母，將持針夾板固定在左、右旋固定螺母上。通過旋轉(zhuǎn)兩條中央螺桿來減少截骨端的互相移位及成角畸形。滿意后鎖緊該裝置的所有螺母。生理鹽水沖洗切口，縫合傷口，截斷過長的克氏針，包扎傷口，術(shù)后按前劑量肌注青霉素鈉3 d。

1.2.5 牽張與固定 術(shù)后每天對傷口進行換藥，防止傷口感染。經(jīng)過術(shù)后7 d的間歇期，開始進行延長操作：每天旋轉(zhuǎn)兩條中央牽張螺桿1/2圈(1 mm/d)，每次1/4圈，分兩次完成。進行3周牽張操作。牽張結(jié)束后固定4周，手術(shù)后當(dāng)天、牽張3周后當(dāng)天及牽張后固定期第2、4周行X線檢查。

2 結(jié) 果

所有牽張器耐受治療全過程，均未出現(xiàn)松動、脫落、銹蝕、斷裂等。術(shù)后第2天有1 例大白兔出現(xiàn)發(fā)熱，經(jīng)加大青霉素鈉的用量后，癥狀在第3天消失。術(shù)后當(dāng)天檢查X線顯示：牽張支架固定穩(wěn)定，骨折兩端對位對線可。完成3周牽張后行X線檢查：牽張間隙遠端可見有云霧狀陰影；牽張后固定期第2周：牽張間隙遠端云霧狀陰影較前加深，范圍擴大，密度進一步增高；固定期第4周：新生骨組織逐步鈣化，骨皮質(zhì)開始形成，髓腔暢通(見圖4)。

a 手術(shù)當(dāng)天 b 牽張期3周后 c 牽張后固定期第2周 d 牽張后固定期第4周

圖4 術(shù)后各時間點X線片

3 討 論

長骨干骨缺損一直是臨床治療的難題，其形成原因主要有：嚴重開放性粉碎骨折、骨不連、骨折術(shù)后感染、慢性骨髓炎大塊死骨切除或腫瘤長段骨切除后等。傳統(tǒng)游離松質(zhì)骨植骨修復(fù)后，即使覆蓋的軟組織血運良好，也常會有不同程度的骨吸收，對于超過4～6 cm的長段骨缺損存在較大的應(yīng)用局限；帶血運的骨移植雖愈合較快，但對顯微技術(shù)要求太高，且存在損傷大、出血多、移植骨較細、再骨折風(fēng)險高等不足，難以推廣[1]。牽張成骨技術(shù)通過牽張成骨原理，配合日益發(fā)展的外支架技術(shù)，對治療骨不連與骨缺損開辟了另一種有效途徑，也可以矯正各種原因?qū)е碌闹w畸形；牽張成骨技術(shù)的有效應(yīng)用，骨髓炎及骨腫瘤的治療中的大段截骨也得到了很好地解決，治療效果取得了飛躍式的發(fā)展；此外，對骨缺損的患者而言，應(yīng)用牽張成骨技術(shù)也使患者避免了骨移植供區(qū)的痛苦及相關(guān)風(fēng)險。所以，牽張成骨技術(shù)在骨缺損的治療中發(fā)揮著越來越重要的作用[2]。

牽張成骨是指通過對骨切開后仍保留骨膜及軟組織及血供的骨段，利用牽張裝置按一定的速度和頻率牽開，促使?fàn)繌堥g隙中新骨形成，從而達到延長或增寬骨骼外科技術(shù)。其基本原理是當(dāng)機體組織受到緩慢而穩(wěn)定的牽引和張力時，細胞的增殖與合成功能隨即被激活，從而促進組織的再生[3]。由于骨骼具有很強的再生性和可塑性，因此控制維持適合的牽拉張力和應(yīng)力會刺激骨細胞的增生，可逐步實現(xiàn)骨與軟組織的同步再生，這稱為牽拉組織再生技術(shù)[4]。

牽張成骨最早起源于延長四肢骨的矯形外科，該技術(shù)成熟的標(biāo)志是Ilizarov法則的提出[5]。20世紀(jì)50年代，俄羅斯學(xué)者Gavriil A.Ilizarov提出的張力-應(yīng)力法則、環(huán)型外固定器與臨床應(yīng)用技術(shù)[6]，使肢體延長術(shù)發(fā)生了劃時代的飛躍，在骨科、小兒外科、頜面外科等已得到廣泛應(yīng)用，成功地治療了傳統(tǒng)骨科技術(shù)難以治療或不能治療的一些骨科疑難雜癥。

臨床常用的骨延長器有：Ilizarov環(huán)形骨延長器、Wagner和G.D.Bastini單側(cè)延長器(Orthofix S.R.L Bussolengo Verone，Italy)[7]。隨著對技術(shù)原理的了解，牽張器械在結(jié)構(gòu)、性能上都有了較大改進。如肢體同步動態(tài)彈性延長器、肢體延長與矯形器、肢體與骨段延長器、內(nèi)外結(jié)合延長系統(tǒng)和髓腔內(nèi)全植入骨延長器等構(gòu)型。雖然上述器械在國內(nèi)外已有臨床應(yīng)用，但臨床所用牽張器的規(guī)格難以實施在實驗研究所用的動物上，因此，設(shè)計實驗動物專用的牽張器勢在必行。

我們查閱文獻發(fā)現(xiàn)，之前報道的兔股骨牽張器，或者由于減輕重量的需要，采用單邊4皮質(zhì)固定，具有力學(xué)不穩(wěn)定性，截骨端也易成角、移位；或者由于牽張器重量偏重，應(yīng)用于兔子股骨易脫落及松動，使得實驗失效。Ilizarov環(huán)形外固定器由于固定牢固，既能消除剪切力和旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，發(fā)揮其牽張拉力和加壓的作用，又具有在負重行走時的周期性軸向微動特點，能更好的促進骨的愈合[8]，但由于其復(fù)雜的構(gòu)件，安裝的困難及重量的限制，也無法在動物肢體上得到較好的應(yīng)用。

本實驗設(shè)計的牽張器，采取8皮質(zhì)固定，提高截骨端固定的穩(wěn)定性；同時應(yīng)用中心牽張螺桿雙向反向螺紋設(shè)計，既能夠起到牽張的作用，又在很大程度上簡化了牽張器的結(jié)構(gòu)，從而減輕了牽張器的重量，可以更好地防止松動及掉落。

研究表明[3]：牽引速率和頻率是影響牽張成骨效果及療程的關(guān)鍵因素之一，過小的牽引率達不到刺激新骨生成的目的，過大的牽引速率會導(dǎo)致纖維組織形成而無新骨生成，甚至造成骨不連。在一定的牽引速度下增加牽引頻率可促進成骨，高頻率牽引或連續(xù)牽引是促進牽張成骨的有效方法。動物實驗證實1 mm/d牽引，2～4次/d的頻率成骨的質(zhì)量和數(shù)量效果最好。本實驗的牽張速率和頻率合適，實驗表明：該牽張成骨裝置能滿足最適合牽張速率及牽張頻率的要求。

從X線結(jié)果來看，所有16只兔股骨牽張成骨模型均獲得成功，術(shù)中操作機安裝簡單，牽張及固定過程中截骨端穩(wěn)定無成角表現(xiàn)，牽張器無松脫掉落，術(shù)后復(fù)查X線表示新生骨骨質(zhì)良好。實驗結(jié)果表明，該牽張器能滿足實驗研究需要。它不僅從材質(zhì)、設(shè)計、結(jié)果來看都滿足Ilizarov關(guān)于牽張成骨技術(shù)的基本原理和規(guī)則，且具有低價、輕便、實用等優(yōu)點，在科研實驗中有廣泛的應(yīng)用價值，適于在動物實驗中大量使用。該牽張器已于2014年申請國家專利并獲得審批，專利號：20140418675.3。

展望[9]：牽拉成骨術(shù)是一種安全有效的治療方法，成功治療了傳統(tǒng)骨科技術(shù)很難治療的一些疑難雜癥。但還有很多問題需要去探索去解決，如再生血管流體力學(xué)的改變、生長因子及干細胞等對新生骨的影響機制，牽拉區(qū)域神經(jīng)傳導(dǎo)的變化，有限元法對新生骨數(shù)量和質(zhì)量評估的研究，促進新生骨礦化的方法和藥物的研究。

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[3]孫溪饒.牽引速率及頻率對牽張成骨的影響[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2010，14(41)：7727-7730.

[4]李剛，秦泗河.牽拉成骨技術(shù)的基礎(chǔ)研究進展與帶給骨科的啟示[J].中華外科雜志，2005，43(8)：540-543.

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[6]Ilizarov GA.The tensinostress effect on the genesis and growth of tissues.Part 1：The influence of stability of fisation and soft tissue preservation[J].Clin Orthop，1989(239)：249-281.

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[8]李朋，杜剛強，張鍇.Ilizarov 技術(shù)治療骨不連：對“金標(biāo)準(zhǔn)”應(yīng)用的解讀與思考[J].中國組織工程研究，2013，17(43)：7618-7623.

[9]張姚，王斌.牽拉成骨術(shù)在骨科的研究進展[J].實用骨科雜志，2013，19(4)：335-337.

The Improvement of a Distraction Osteogenesis Apparatus in Rabbit Femur and Its Application in the Construction of Animal Model

Gao Yijia1，Yang Bing2，Huang Peizhen1，et al

(1.Department of Orthopaedics，the First Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine，Guangzhou 510405，China；2.First Clinical Medical College，Guangzhou University of Chinese Medicine，Guangzhou 510405，China)

Objective To improve the apparatus of rabbit femur osteogenesis model and evaluate the effect in the establishment of animal model.Methods We improved and optimized the fixation and distraction mode of femoral traction device.And a new type of femoral traction device was designed.The improved femoral distraction osteogenesis apparatus were applied to femurs of 16 New Zealand rabbitsThe fixation stability was osberved.X-ray examination was taken in 1st day and 3rd week of distraction period ，second and 4th week after distraction，to evaluate the effect of distraction osteogenesis.Results All improved distractor can rigid fixed on rabbit femur and distraction could be precisely managed.The effect was ideal to improve distractor on rabbit femur distraction osteogenesis.Conclusion This improved distraction osteogenesis apparatus is a kind device with the advantages as simple structure，light-weight，easier to operate，firm fixation，and clear pulling effect It can be applied to establish rabbit femur distraction osteogenesis model

distraction osteogenesis；distractor；animal model

1008-5572(2016)11-0998-04

廣東省中醫(yī)藥局建設(shè)中醫(yī)藥強省科研項目(20131164)；2014國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(81403413)；實用新型專利：動物長骨牽張器(20140418675.3)

R683.42

A

2016-04-20

高怡加(1979- )，男，主治醫(yī)師，廣州中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，510405。