組合式可變應(yīng)力接骨板對(duì)山羊股骨骨折愈合骨組織病理及功能的影響*

楊衛(wèi)強(qiáng)， 丁童， 馮立平， 張付美， 蔣振剛， 王培山

新鄉(xiāng)市中心醫(yī)院 1骨科, 2病理科, 3麻醉科(河南新鄉(xiāng) 453003)

隨著當(dāng)代社會(huì)高速發(fā)展，高能量損傷發(fā)生率的增加，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然高達(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)，是骨折不愈合和的一個(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)該接骨板能夠有效克服應(yīng)力遮擋效應(yīng)，提高對(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)用鮮為少見(jiàn)。2015年1月至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)用本課題研究組設(shè)計(jì)的組合式可變應(yīng)力接骨板治療山羊股骨骨折，研究其在骨愈合中對(duì)骨組織病理及功能變化的作用，探討其對(duì)骨折愈合的作用機(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 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 健康成年山羊30只,雌雄不限,年齡12～16個(gè)月,體重(16.2±2.0)kg，實(shí)驗(yàn)前適應(yīng)性喂養(yǎng)1周,飼養(yǎng)期間給顆粒飼料及自由飲水。

1.2 實(shí)驗(yàn)用鋼板 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)。

1.3 動(dòng)物分組與造模 隨機(jī)分成兩組，每組15只。實(shí)驗(yàn)組(采用組合式可變應(yīng)力接骨板)：適應(yīng)性喂養(yǎng)1周后，在靜脈麻醉及無(wú)菌操作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，同時(shí)置入組合式可變應(yīng)力接骨板(術(shù)中圖片見(jiàn)圖1)，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)；對(duì)照組(采用普通直型接骨板)：適應(yīng)性喂養(yǎng)1周后，在靜脈麻醉及無(wú)菌操作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，同時(shí)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)。上述兩組動(dòng)物分別于4、8、12周后各處死5只后行相關(guān)檢查，兩組均術(shù)后喂服頭孢呋辛2 d，每次30 mg/kg，2次/d，預(yù)防感染。

圖1 實(shí)驗(yàn)組術(shù)中

1.4 觀(guān)察指標(biāo) 兩組動(dòng)物分別于第4、8、12周分批處死動(dòng)物，處死動(dòng)物后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)。常規(guī)進(jìn)行10%中性甲醛緩沖液固定24 h，5%硝酸液脫鈣，流水沖洗后,以鋼板面為前行正中矢狀縱行切開(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 (不含外骨癡) 和骨髓腔直徑后，自動(dòng)脫水機(jī)脫水12 h，石蠟包埋切片，5 μm切片后行HE染色，光學(xué)顯微鏡下觀(guān)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倍視野下隨機(jī)選取5個(gè)視野，計(jì)數(shù)視野內(nèi)破骨細(xì)胞數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 一般指標(biāo)的觀(guān)察 兩組動(dòng)物造模成功后，制動(dòng)1周，后逐步下地活動(dòng)，體重?zé)o下降，進(jìn)食良好；部分山羊，患側(cè)肢體不敢完全負(fù)重，皮毛光澤、反應(yīng)可，活動(dòng)可。兩組動(dòng)物無(wú)明顯差別。

2.2 骨皮質(zhì)厚度和骨髓腔直徑測(cè)量 術(shù)后4周兩組的骨皮質(zhì)厚度及髓腔直徑相比，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；實(shí)驗(yàn)組4、8、12周骨皮質(zhì)及髓腔直徑無(wú)明顯變化，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。對(duì)照組8周和4周相比，骨皮質(zhì)厚度減少，髓腔直徑增大，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，并4、8、12周骨皮質(zhì)厚度逐漸減少，髓腔直徑逐漸增大。對(duì)照組在治療8、12周骨髓腔直徑顯著高于實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)，而骨皮質(zhì)厚度值顯著低于實(shí)驗(yàn)組(P<0.05)。見(jiàn)表1～2。

組別第4周第8周第12周實(shí)驗(yàn)組11.60±0.6511.60±0.78?11.64±0.88?對(duì)照組11.68±0.41△12.30±0.1612.66±0.24△

*與對(duì)照組同時(shí)點(diǎn)比較P<0.05；△與術(shù)后8周比較P<0.05

組別第4周第8周第12周實(shí)驗(yàn)組2.12±0.162.16±0.21?2.08±0.19?對(duì)照組2.02±0.11△1.56±0.051.38±0.08△

*與對(duì)照組比較P<0.05；△與第8周比較P<0.05

2.3 骨組織形態(tài)學(xué)觀(guān)察及檢測(cè) HE染色圖片分析骨小梁密度，實(shí)驗(yàn)組4、8周骨小梁密度明顯高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。兩組骨小梁密度8周明顯高于4周(P<0.05),對(duì)照組12周骨小梁密度明顯高于8周(P<0.05)。破骨細(xì)胞計(jì)數(shù)，實(shí)驗(yàn)組8周破骨細(xì)胞明顯高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；12周時(shí)實(shí)驗(yàn)組破骨細(xì)胞計(jì)數(shù)明顯低于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)表3～4。組織學(xué)觀(guān)察顯示，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(圖2-A)，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)(圖2-B)；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)(圖2-C)，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)(圖2-D)。

組別第4周第8周第12周實(shí)驗(yàn)組6.52±1.5821.40±3.94?9.76±1.48?對(duì)照組6.12±1.489.96±2.3419.20±2.31

*與對(duì)照組同時(shí)點(diǎn)比較P<0.05

組別第4周第8周第12周實(shí)驗(yàn)組51.13±3.78?71.94±3.66?△66.83±4.65對(duì)照組40.01±4.2851.68±5.24△70.28±2.03▲

*與對(duì)照組比較P<0.05；△與第4周比較P<0.05；▲與第8周比較P<0.05

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]。因此我們認(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)骨折愈合前出現(xiàn)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。本實(shí)驗(yàn)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(圖1)，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。

A: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;B:8周對(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);C:12周實(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);D:12周對(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)

圖2兩組骨組織形態(tài)觀(guān)察(HE,×400)

本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組4、8周骨小梁密度明顯高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。8周時(shí)實(shí)驗(yàn)組骨小梁交錯(cuò)成網(wǎng)狀而對(duì)照組骨小梁生長(zhǎng)稀疏，厚度較窄，排列紊亂，說(shuō)明8周及4周時(shí)，實(shí)驗(yàn)組有效骨痂量明顯高于對(duì)照組，骨折愈合較快，到12周實(shí)驗(yàn)組骨小梁排列有序排列，形成哈夫斯管，而對(duì)照組骨小梁排列錯(cuò)亂，骨痂密度不均，仍是初級(jí)骨小梁。同時(shí)我們通過(guò)破骨細(xì)胞計(jì)數(shù)，評(píng)估兩組骨痂改建情況，實(shí)驗(yàn)組8周的骨小梁周邊的破骨細(xì)胞明顯高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，說(shuō)明8周時(shí)，實(shí)驗(yàn)組骨痂已處于改建期。12周時(shí)實(shí)驗(yàn)組破骨細(xì)胞計(jì)數(shù)明顯低于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，提示實(shí)驗(yàn)組的骨痂改建出現(xiàn)較早，12周時(shí)實(shí)驗(yàn)組骨痂改建基本結(jié)束。此結(jié)果與兩組骨小梁密度的變化一致。與對(duì)照組相比，4周兩組的骨皮質(zhì)厚度與髓腔直徑差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；實(shí)驗(yàn)組4、8、12周骨皮質(zhì)及髓腔直徑無(wú)明顯變化，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。對(duì)照組8周和4周相比，骨皮質(zhì)厚度減少，髓腔直徑增大，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，并且4、8、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。

總之，本實(shí)驗(yàn)研究初步探討了組合式可變應(yīng)力接骨板固定對(duì)骨折愈合的機(jī)制，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)，給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)力遮檔效應(yīng)，促進(jìn)骨痂的生成，加快骨痂的改建，促進(jìn)骨折愈合。但本實(shí)驗(yàn)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)數(shù)字資料支持，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)有像我們臨床上長(zhǎng)期定時(shí)隨訪(fǎng)，即無(wú)骨愈合后期的實(shí)驗(yàn)觀(guān)察等。