组合式可变应力接骨板对山羊股骨骨折愈合骨组织病理及功能的影响*

杨卫强， 丁童， 冯立平， 张付美， 蒋振刚， 王培山

新乡市中心医院 1骨科, 2病理科, 3麻醉科(河南新乡 453003)

随着当代社会高速发展，高能量损伤发生率的增加，骨折患者的发病率呈现逐年上升趋势。虽然骨折治疗的理念不断更新，方法多元化，内固定材料的研发力度日益加大，但是骨折不愈合率仍然高达8%～10%[1-3]。目前多数学者一致认为在骨折愈合过程中接骨板的“应力遮挡”效应，是骨折不愈合和的一个重要因素[4-5]。最近国内有学者设计出一种桥接组合式接骨板，并在研究中发现该接骨板能够有效克服应力遮挡效应，提高对骨折的治疗效果[6]。但国内外关于不重叠的组合式可变应力接骨板的实验研究及临床应用鲜为少见。2015年1月至2017年6月，本研究以普通直型接骨板为对照组，通过应用本课题研究组设计的组合式可变应力接骨板治疗山羊股骨骨折，研究其在骨愈合中对骨组织病理及功能变化的作用，探讨其对骨折愈合的作用机制,为其下一步的临床应用提供理论及实验依据。

1 材料与方法

1.1 实验动物 健康成年山羊30只,雌雄不限,年龄12～16个月,体重(16.2±2.0)kg，实验前适应性喂养1周,饲养期间给颗粒饲料及自由饮水。

1.2 实验用钢板 用IrCr18NiaT不锈钢制成的组合式可变应力接骨板(自行研究设计) 和普通型直型接骨板，MIAS医学图像分析系统(中国北航公司)。

1.3 动物分组与造模 随机分成两组，每组15只。实验组(采用组合式可变应力接骨板)：适应性喂养1周后，在静脉麻醉及无菌操作条件下行山羊右股骨中段截骨，形成山羊股骨骨折动物模型，同时置入组合式可变应力接骨板(术中图片见图1)，术后制动1周后下地活动，术后2周拆除伤口缝线；对照组(采用普通直型接骨板)：适应性喂养1周后，在静脉麻醉及无菌操作条件下行山羊右股骨中段截骨，形成山羊股骨骨折动物模型，同时置入普通直型接骨板，术后制动1周后下地活动，术后2周拆除伤口缝线。上述两组动物分别于4、8、12周后各处死5只后行相关检查，两组均术后喂服头孢呋辛2 d，每次30 mg/kg，2次/d，预防感染。

图1 实验组术中

1.4 观察指标 两组动物分别于第4、8、12周分批处死动物，处死动物后剥离股骨后取下钢板切取2 cm长股骨一段 (截骨线上下各1 cm)。常规进行10%中性甲醛缓冲液固定24 h，5%硝酸液脱钙，流水冲洗后,以钢板面为前行正中矢状纵行切开标本，用游标卡尺测量截骨线上0.5 cm 处板下皮质厚度 (不含外骨痴) 和骨髓腔直径后，自动脱水机脱水12 h，石蜡包埋切片，5 μm切片后行HE染色，光学显微镜下观察并拍照。MIAS医学图像分析系统进行图像分析，计算单位面积内新生骨小梁密度(即新生骨小梁面积占视野总面积的百分比)，每张切片在10×40倍视野下随机选取5个视野，计数视野内破骨细胞数。

2 结果

2.1 一般指标的观察 两组动物造模成功后，制动1周，后逐步下地活动，体重无下降，进食良好；部分山羊，患侧肢体不敢完全负重，皮毛光泽、反应可，活动可。两组动物无明显差别。

2.2 骨皮质厚度和骨髓腔直径测量 术后4周两组的骨皮质厚度及髓腔直径相比，差异无统计学意义(P>0.05)；实验组4、8、12周骨皮质及髓腔直径无明显变化，差异无统计学意义(P>0.05)。对照组8周和4周相比，骨皮质厚度减少，髓腔直径增大，差异有统计学意义(P<0.05)，并4、8、12周骨皮质厚度逐渐减少，髓腔直径逐渐增大。对照组在治疗8、12周骨髓腔直径显著高于实验组(P<0.05)，而骨皮质厚度值显著低于实验组(P<0.05)。见表1～2。

组别第4周第8周第12周实验组11.60±0.6511.60±0.78∗11.64±0.88∗对照组11.68±0.41△12.30±0.1612.66±0.24△

*与对照组同时点比较P<0.05；△与术后8周比较P<0.05

组别第4周第8周第12周实验组2.12±0.162.16±0.21∗2.08±0.19∗对照组2.02±0.11△1.56±0.051.38±0.08△

*与对照组比较P<0.05；△与第8周比较P<0.05

2.3 骨组织形态学观察及检测 HE染色图片分析骨小梁密度，实验组4、8周骨小梁密度明显高于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。两组骨小梁密度8周明显高于4周(P<0.05),对照组12周骨小梁密度明显高于8周(P<0.05)。破骨细胞计数，实验组8周破骨细胞明显高于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)；12周时实验组破骨细胞计数明显低于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)，见表3～4。组织学观察显示，8周实验组骨小梁交错成网状，骨小梁表面可见较多破骨细胞(图2-A)，而对照组骨小梁生长稀疏，厚度较窄，排列紊乱，破骨细胞少见(图2-B)；12周时实验组骨小梁排列有序，形成哈夫斯管，破骨细胞少见(图2-C)，对照组骨小梁排列错乱，骨痂密度不均，破骨细胞多见(图2-D)。

组别第4周第8周第12周实验组6.52±1.5821.40±3.94∗9.76±1.48∗对照组6.12±1.489.96±2.3419.20±2.31

*与对照组同时点比较P<0.05

组别第4周第8周第12周实验组51.13±3.78∗71.94±3.66∗△66.83±4.65对照组40.01±4.2851.68±5.24△70.28±2.03▲

*与对照组比较P<0.05；△与第4周比较P<0.05；▲与第8周比较P<0.05

3 讨论

骨折愈合是骨组织原始连续性重建的过程，是一个非常复杂的细胞组织学修复过程，与局部力学环境、生物学环境等因素具有重要联系[7]。骨折愈合是骨痂形成反应不断重复和叠加的结果，骨痂的形成是由刺激信号引发的相关细胞再生的过程。超负荷应力-血管生成-骨再生的偶联效应是骨痂形成的基本病理基础。骨再生具有放大的骨生成效应，不同的固定方式可以影响骨再生的效率,适当的超负荷可以导致放大的骨再生，应力遮挡妨碍骨痂的形成，而不稳定的固定可以导致磨损性骨吸收[8]。因此我们认为维持骨折断端力学环境的合理性,采取适当的措施进行固定，能有效促进骨折的愈合。目前对骨折的固定治疗主要有AO理论(强调解剖复位加压坚强内固定)、BO理论(强调保护骨折断端生物力学环境，间接复位，相对稳定固定)二大学术派别。坚强内固定，在骨折愈合治疗起了积极的作用，仍是目前骨折治疗的重要规则之一。但近年来研究发现，临床患者在骨折时行坚强内固定，出现骨折愈合前出现断板断钉的现象，钢板取出后，发现骨折断端未愈合或部分愈合现象[9]。多数学者研究发现，钢板取出后骨干发生再骨折率近年来显著增加，随着对骨骼生物力学原理的深入研究，患者发生再骨折是由于由金属接骨板产生的应力遮挡效应造成骨皮质萎缩，与骨质力学变化有关[10-11]。近年来，骨折固定治疗发生了极大的改变，主要体现在从力学固定向生物学固定，即从绝对固定向相对固定的转变[12]。BO固定理论被更多数人接受，如髓内钉技术、mippo技术。但也出现了一些问题，如髓内固定术后骨折断端骨痂假性肥大，骨不愈合。最近有学者研究通过辅助钢板联合髓内钉治疗骨折的生物力学，提出此种联合固定有助于治疗骨折不愈合[13]。无论采取哪种理论，骨折固定有效、牢靠仍是骨折固定的重要标准，根据“Frost力学调控理论”[14]，外力作用下骨折局部运动较大不利于新生骨痂生成，骨折间隙运动较小不利于骨量保持，容易造成局部“废用性骨质疏松”[15]。因此，骨折固定方式和稳定程度对骨折愈合具有重要意义。本实验研究设计的组合式可变应力接骨板由骨折连接固定板和稳定板两部分组成，骨折连接固定板末端通过滑槽套在稳定板上, 固定骨折后骨折断端无间隙，组合式钢板之间有微小间隙，通过稳定板上的锁定孔将组合板锁定，从而维持稳定板和连接固定板间的间隙(图1)，其在骨的愈合过程中，负重后使超负荷直接作用于骨折间隙，减少接骨板的“应力遮挡”效应，促使骨折间隙的压应力根据负重力量的改变而改变，完全符合生物力学刺激，促进了骨折的愈合。

A:8周实验组骨小梁交错成网状，骨小梁表面可见较多破骨细胞;B:8周对照组骨小梁生长稀疏，厚度较窄，排列紊乱，破骨细胞少见;C:12周实验组骨小梁排列有序，形成哈夫斯管，破骨细胞少见;D:12周对照组骨小梁排列错乱，骨痂密度不均，破骨细胞多见

图2两组骨组织形态观察(HE,×400)

本实验研究结果显示，实验组4、8周骨小梁密度明显高于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)。8周时实验组骨小梁交错成网状而对照组骨小梁生长稀疏，厚度较窄，排列紊乱，说明8周及4周时，实验组有效骨痂量明显高于对照组，骨折愈合较快，到12周实验组骨小梁排列有序排列，形成哈夫斯管，而对照组骨小梁排列错乱，骨痂密度不均，仍是初级骨小梁。同时我们通过破骨细胞计数，评估两组骨痂改建情况，实验组8周的骨小梁周边的破骨细胞明显高于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)，说明8周时，实验组骨痂已处于改建期。12周时实验组破骨细胞计数明显低于对照组，差异有统计学意义(P<0.05)，提示实验组的骨痂改建出现较早，12周时实验组骨痂改建基本结束。此结果与两组骨小梁密度的变化一致。与对照组相比，4周两组的骨皮质厚度与髓腔直径差异无统计学意义(P>0.05)；实验组4、8、12周骨皮质及髓腔直径无明显变化，差异无统计学意义(P>0.05)。对照组8周和4周相比，骨皮质厚度减少，髓腔直径增大，差异有统计学意义(P<0.05)，并且4、8、12周骨皮质厚度逐渐减少，髓腔直径逐渐增大提示对照组钢板存在应力遮挡效应，实验组钢板未见明显的应力遮挡效应造成的骨质厚度丢失及骨质萎缩。

总之，本实验研究初步探讨了组合式可变应力接骨板固定对骨折愈合的机制，组合式可变应力接骨板通过骨折断端组合钢板间的间隙产生的微动，给骨折间隙提供了合理的生物力学环境，通过自身的超负荷，使骨折断端产生正向压应力，从而减少钢板对骨的应力遮档效应，促进骨痂的生成，加快骨痂的改建，促进骨折愈合。但本实验研究也存在一定缺陷，钢板制作标准与动物(羊)骨的匹配标准，及其与人体的对比要求无数字资料支持，工作中实验组和对照组均未出现螺钉松动、钢板断裂等现象。骨愈合取出钢板后，没有再继续饲养，没有像我们临床上长期定时随访，即无骨愈合后期的实验观察等。