兔股骨牵张成骨牵张器的改进及动物模型的建立

高怡加，杨彬，黄培镇，李悦，黄枫，姜自伟，陈朝

(1.广州中医药大学第一附属医院骨科，广东 广州 510405；2.广州中医药大学第一临床医学院，广东 广州 510405)



实验研究

兔股骨牵张成骨牵张器的改进及动物模型的建立

高怡加1，杨彬2，黄培镇1，李悦1，黄枫1，姜自伟1，陈朝2

(1.广州中医药大学第一附属医院骨科，广东 广州 510405；2.广州中医药大学第一临床医学院，广东 广州 510405)

目的 改进兔股骨牵张成骨模型中牵张器的结构，评估应用该牵张器建立动物模型的效果。方法 取16只新西兰兔，采用改进后的兔股骨牵张器，建立兔股骨牵张成骨动物模型并观察其效果。结果 改进并优化股骨牵张器的固定及牵张模式，设计新型股骨牵张器；取16只新西兰兔，采用改进后的兔股骨牵张器，建立兔股骨牵张成骨动物模型，观察其固定的稳定性，分别于牵张当天、牵张期第3周、牵张后固定期第2、4周进行X线检查，评估其牵张效果。结论 改进型牵张器结构简单、轻便，操作简便，固定牢固，牵张效果明确，适用于建立兔股骨牵张成骨模型。

牵张成骨；牵张器；动物模型

牵张成骨(distraction osteogenesis，DO)是通过在离断的保留骨膜、软组织附着及血供的骨段上按照一定的速度和频率施加特定的牵张力，使得骨折端利用骨折愈合机制不断产生新骨，从而使骨缺损和骨骼畸形得以纠正的外科技术。该技术由俄罗斯学者Gavriil A.Ilizarov提出，因为该技术具有创伤小、不需植骨及可同时牵张软组织等优点，因此具有巨大的临床使用价值。目前关于长骨牵张成骨的动物实验研究报道较少，且既往的牵张器或重量较大、或稳定性欠佳，导致动物活动后牵张器固定针易脱落、骨折端易成角或侧方移位等，使得牵张结果受到影响。本文作者在本院之前使用的牵张器的基础上，加以改进，设计出一种操作简便、结构轻巧、固定牢靠、价格低廉的牵张器。经过本试验研究证实，该牵张器能实现精确控制牵张速度、增强骨折端稳定性、固定针不易脱落等优点。

1 资料与方法

1.1 牵张器的研制

1.1.1 应用特点 本牵张器为本课题组与广州尤特新材料公司合作研制的兔股骨牵张装置(已申请国家专利，专利号：20140418675.3)，由304不锈钢制造，具有无毒、不致敏、低价、具有合适的刚度和弹性及可在体内长期留存等特点，能达到牵张成骨对稳定性的要求。本牵张器通过克氏针固定骨折端，并将克氏针固定于左、右旋固定螺母上，通过旋转两端螺纹相反的中央牵张螺杆使得匹配的左、右旋螺母之间的相对距离增宽，从而实现牵张。

1.1.2 整体结构 该牵张器由1条中央牵张螺杆、2个左旋固定螺母、2个右旋固定螺母，4根1.5 mm直径的克氏针组成。中央牵张螺杆一端为左旋螺纹、一端为右旋螺纹。左旋固定螺母固定在中央牵张螺杆的左旋螺纹端上，右旋固定螺母同理。左、右旋螺母上固定有持针夹板，可通过左、右旋固定螺母上的固定螺杆固定于左、右旋螺母上，持针夹板上钻有持针孔，可通过旋转侧方固定螺丝以固定克氏针。当用骨科电钻将克氏针钻入骨折端后，将克氏针固定于左、右旋固定螺母上的持针夹板上，从而通过旋转中央牵张螺杆就能使得匹配的左、右旋螺母之间的相对距离增宽，从而实现牵张(见图1)。

图1 牵张器设计图

1.1.3 器械规格 中央牵张螺杆全长100 mm，左侧为M6标准左旋螺杆，右侧为M6标准右旋螺杆，可实际延长长度约为70 mm；左、右旋固定螺母的螺纹分别为M6标准左、右旋螺纹，螺距为1 mm。顺时针旋转一圈中央双向螺纹螺杆可使得克氏针之间的距离增宽2 mm。全套器械约重50 g。

1.2 实施方法

1.2.1 实验动物及分组 实验共选用成年新西兰兔16只(广东省实验动物中心提供)，雌雄各半，体重2.30～2.50kg。饲料由广州中医药大学实验动物中心提供。

1.2.2 麻醉及术前准备 术前12h禁食，以10%水合氯醛按3.5 mL/kg腹腔注射，术中追加麻醉不超过首次剂量的1/3，术前术后肌注青霉素钠(8×105IU/KG)以预防感染。麻醉起效后，取左侧卧位，右下肢术野去毛备皮，以2%碘酊消毒，乙醇脱碘，铺无菌洞巾。

1.2.3 手术方法 此体位可扪及股骨大转子，并以之为定位点，在其下方约2 mm偏后外侧处经皮钻入克氏针1枚；下方4 mm处再经皮钻入克氏针1枚。扪及股骨远端，并在股骨远端上5 mm处(大约是干骺端的位置)的后外侧钻入克氏针1枚，此针上方2 mm再钻入克氏针1枚。所有克氏针均穿过股骨双侧皮质(见图2)。于股骨中段外侧做一长约3cm切口，沿股直肌和股外侧肌之间的肌间隙钝性分离两肌，即可显露股骨中段，摆锯做股骨截骨，截骨时注意保护骨膜，及周围软组织(见图3)。

图2 在兔股骨干截骨线两侧平行打入克氏针

图3 显露兔股骨干并截骨

1.2.4 牵张器的置入 调整左、右旋螺母在中央牵张螺杆之间的距离，使其上持针夹板持针孔的距离和4根克氏针之间的距离相等，将克氏针穿进持针孔，至距离皮肤10 mm高处拧紧侧方固定螺丝以固定克氏针。拧紧固定螺母，将持针夹板固定在左、右旋固定螺母上。通过旋转两条中央螺杆来减少截骨端的互相移位及成角畸形。满意后锁紧该装置的所有螺母。生理盐水冲洗切口，缝合伤口，截断过长的克氏针，包扎伤口，术后按前剂量肌注青霉素钠3 d。

1.2.5 牵张与固定 术后每天对伤口进行换药，防止伤口感染。经过术后7 d的间歇期，开始进行延长操作：每天旋转两条中央牵张螺杆1/2圈(1 mm/d)，每次1/4圈，分两次完成。进行3周牵张操作。牵张结束后固定4周，手术后当天、牵张3周后当天及牵张后固定期第2、4周行X线检查。

2 结 果

所有牵张器耐受治疗全过程，均未出现松动、脱落、锈蚀、断裂等。术后第2天有1 例大白兔出现发热，经加大青霉素钠的用量后，症状在第3天消失。术后当天检查X线显示：牵张支架固定稳定，骨折两端对位对线可。完成3周牵张后行X线检查：牵张间隙远端可见有云雾状阴影；牵张后固定期第2周：牵张间隙远端云雾状阴影较前加深，范围扩大，密度进一步增高；固定期第4周：新生骨组织逐步钙化，骨皮质开始形成，髓腔畅通(见图4)。

a 手术当天 b 牵张期3周后 c 牵张后固定期第2周 d 牵张后固定期第4周

图4 术后各时间点X线片

3 讨 论

长骨干骨缺损一直是临床治疗的难题，其形成原因主要有：严重开放性粉碎骨折、骨不连、骨折术后感染、慢性骨髓炎大块死骨切除或肿瘤长段骨切除后等。传统游离松质骨植骨修复后，即使覆盖的软组织血运良好，也常会有不同程度的骨吸收，对于超过4～6 cm的长段骨缺损存在较大的应用局限；带血运的骨移植虽愈合较快，但对显微技术要求太高，且存在损伤大、出血多、移植骨较细、再骨折风险高等不足，难以推广[1]。牵张成骨技术通过牵张成骨原理，配合日益发展的外支架技术，对治疗骨不连与骨缺损开辟了另一种有效途径，也可以矫正各种原因导致的肢体畸形；牵张成骨技术的有效应用，骨髓炎及骨肿瘤的治疗中的大段截骨也得到了很好地解决，治疗效果取得了飞跃式的发展；此外，对骨缺损的患者而言，应用牵张成骨技术也使患者避免了骨移植供区的痛苦及相关风险。所以，牵张成骨技术在骨缺损的治疗中发挥着越来越重要的作用[2]。

牵张成骨是指通过对骨切开后仍保留骨膜及软组织及血供的骨段，利用牵张装置按一定的速度和频率牵开，促使牵张间隙中新骨形成，从而达到延长或增宽骨骼外科技术。其基本原理是当机体组织受到缓慢而稳定的牵引和张力时，细胞的增殖与合成功能随即被激活，从而促进组织的再生[3]。由于骨骼具有很强的再生性和可塑性，因此控制维持适合的牵拉张力和应力会刺激骨细胞的增生，可逐步实现骨与软组织的同步再生，这称为牵拉组织再生技术[4]。

牵张成骨最早起源于延长四肢骨的矫形外科，该技术成熟的标志是Ilizarov法则的提出[5]。20世纪50年代，俄罗斯学者Gavriil A.Ilizarov提出的张力-应力法则、环型外固定器与临床应用技术[6]，使肢体延长术发生了划时代的飞跃，在骨科、小儿外科、颌面外科等已得到广泛应用，成功地治疗了传统骨科技术难以治疗或不能治疗的一些骨科疑难杂症。

临床常用的骨延长器有：Ilizarov环形骨延长器、Wagner和G.D.Bastini单侧延长器(Orthofix S.R.L Bussolengo Verone，Italy)[7]。随着对技术原理的了解，牵张器械在结构、性能上都有了较大改进。如肢体同步动态弹性延长器、肢体延长与矫形器、肢体与骨段延长器、内外结合延长系统和髓腔内全植入骨延长器等构型。虽然上述器械在国内外已有临床应用，但临床所用牵张器的规格难以实施在实验研究所用的动物上，因此，设计实验动物专用的牵张器势在必行。

我们查阅文献发现，之前报道的兔股骨牵张器，或者由于减轻重量的需要，采用单边4皮质固定，具有力学不稳定性，截骨端也易成角、移位；或者由于牵张器重量偏重，应用于兔子股骨易脱落及松动，使得实验失效。Ilizarov环形外固定器由于固定牢固，既能消除剪切力和旋转应力，发挥其牵张拉力和加压的作用，又具有在负重行走时的周期性轴向微动特点，能更好的促进骨的愈合[8]，但由于其复杂的构件，安装的困难及重量的限制，也无法在动物肢体上得到较好的应用。

本实验设计的牵张器，采取8皮质固定，提高截骨端固定的稳定性；同时应用中心牵张螺杆双向反向螺纹设计，既能够起到牵张的作用，又在很大程度上简化了牵张器的结构，从而减轻了牵张器的重量，可以更好地防止松动及掉落。

研究表明[3]：牵引速率和频率是影响牵张成骨效果及疗程的关键因素之一，过小的牵引率达不到刺激新骨生成的目的，过大的牵引速率会导致纤维组织形成而无新骨生成，甚至造成骨不连。在一定的牵引速度下增加牵引频率可促进成骨，高频率牵引或连续牵引是促进牵张成骨的有效方法。动物实验证实1 mm/d牵引，2～4次/d的频率成骨的质量和数量效果最好。本实验的牵张速率和频率合适，实验表明：该牵张成骨装置能满足最适合牵张速率及牵张频率的要求。

从X线结果来看，所有16只兔股骨牵张成骨模型均获得成功，术中操作机安装简单，牵张及固定过程中截骨端稳定无成角表现，牵张器无松脱掉落，术后复查X线表示新生骨骨质良好。实验结果表明，该牵张器能满足实验研究需要。它不仅从材质、设计、结果来看都满足Ilizarov关于牵张成骨技术的基本原理和规则，且具有低价、轻便、实用等优点，在科研实验中有广泛的应用价值，适于在动物实验中大量使用。该牵张器已于2014年申请国家专利并获得审批，专利号：20140418675.3。

展望[9]：牵拉成骨术是一种安全有效的治疗方法，成功治疗了传统骨科技术很难治疗的一些疑难杂症。但还有很多问题需要去探索去解决，如再生血管流体力学的改变、生长因子及干细胞等对新生骨的影响机制，牵拉区域神经传导的变化，有限元法对新生骨数量和质量评估的研究，促进新生骨矿化的方法和药物的研究。

[1]Donegan DJ，Scolaro J，Matuszewski PE，etal.Staged bone grafting following placement of an antibiotic spacer block for the management of segmental long bone defects[J].Orthopedics，2011，34(11)：730-735.

[2]Palcy D.Problems，obstacles，and complications of limb lengthening by the Ilizarov technique[J].Clin Orthop Relat Res，1990(250)：81-104.

[3]孙溪饶.牵引速率及频率对牵张成骨的影响[J].中国组织工程研究与临床康复，2010，14(41)：7727-7730.

[4]李刚，秦泗河.牵拉成骨技术的基础研究进展与带给骨科的启示[J].中华外科杂志，2005，43(8)：540-543.

[5]Ilizarov GA.Basic principle of trasosseous compression and distraction osteogenesis[J].Ortop Travmatol Protez，1971，32(11)：7-15

[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.

[7]De Bastiain G，Aldegheri R，Renzi Briviol，etal.Limb lengthening by distraction of the epiphyseal plate.A comparison of two techniques in the rabbit[J].J Bone Joint Surg，1986，68(4)：545-549.

[8]李朋，杜刚强，张锴.Ilizarov 技术治疗骨不连：对“金标准”应用的解读与思考[J].中国组织工程研究，2013，17(43)：7618-7623.

[9]张姚，王斌.牵拉成骨术在骨科的研究进展[J].实用骨科杂志，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

广东省中医药局建设中医药强省科研项目(20131164)；2014国家自然科学基金青年科学基金项目(81403413)；实用新型专利：动物长骨牵张器(20140418675.3)

R683.42

A

2016-04-20

高怡加(1979- )，男，主治医师，广州中医药大学第一附属医院骨科，510405。