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首页医源资料库在线期刊中国矫形外科杂志2007年第15卷第16期

持续成骨力值对犬骨盆弓状线部骨折愈合的影响

来源:《中国矫形外科杂志》
摘要:【摘要】探讨持续顺应生理力线的压应力对犬骨盆弓状线部骨折愈合的影响。5cm处横形截骨,分别采用ATMFS(骨盆髋臼三维记忆内固定系统)前柱固定器和5孔重建钢板内固定,于术后2、4、6、8、12周处死动物取材,行HE染色、Masson三色法染色组织学检查,图像分析新骨形成积分光密度值,研究不同应力作用模式下的骨盆骨折......

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【摘要】  探讨持续顺应生理力线的压应力对犬骨盆弓状线部骨折愈合的影响。[方法]选用10只成年杂种家犬,双侧髋臼臼顶上方1.5 cm处横形截骨,分别采用ATMFS(骨盆髋臼三维记忆内固定系统)前柱固定器和5孔重建钢板内固定,于术后2、4、6、8、12周处死动物取材,行HE染色、Masson三色法染色组织学检查,图像分析新骨形成积分光密度值,研究不同应力作用模式下的骨盆骨折愈合情况。[结果]ATMFS侧软骨组织形成,骨皮质、骨小梁及胶原纤维成熟时间明显早于钢板侧,术后6、8、12周,两侧骨折端新骨生成面积之间存在显著性差异(P<0.05)。[结论]ATMFS固定后于骨折端产生的持续顺应生理力线的压应力能够刺激骨折端成骨细胞的形成及骨胶原的合成与分泌,促进骨折早期愈合。

【关键词】  骨盆骨折 压应力 内固定 骨折愈合


    Effect of continuous physiological osteogenic stress on the bone healing of canine iliopectineal crest∥NIU Yunfei,WANG Jialin, ZHANG Chuncai,et al.Department of Orthopaedics,Changhai Hospital, The Second Military Medical University,Shanghai 200433,China

    Abstract:[Objective]To explore the effect of continuous physiological osteogenic stress on the bone healing of canine iliopectineal crest.[Method]Ten adult mixed breed dogs without significant individual difference were made transverse fracture at bilateral iliopectineal crest 1.5 cm above the dome of acetabulum,which were fixed with ATMFS or steel plate respectively. The animals were sacrificed and specimens were procured at 2,4,6,8 and 12 weeks after operation.Samples from the fracture gaps were investigated by histology of HE and Masson staining,image pattern analysis of new bone formation.[Result]The formation of cartilaginous tissue and the maturity of cortical and trabecular bone and collagen fibers of ATMFS sides were earlier than that of steel sides obviously.There was significant difference of the integrated optical density (IOD) of new bone formation between two groups (P<0.05)[Conclusion]Continuous physiological osteogenic stress generated after ATMFS fixation can stimulate synthesis and secretion of bone collagen and promote bone healing.

    Key words:pelvic fracture;  compressive stress;  internal fixation;  bone healing

    作者简介:牛云飞(1976-),男,医学博士,研究方向:创伤骨科,骨盆髋臼骨折,骨不连,(电话)021-25072076,(电子信箱)nyflying126@126.com.cn        骨折愈合过程主要受到力学环境的调控,在成骨细胞的分化、增殖和骨组织的形成过程中,力学环境起着十分重要的作用,不同的应力和应变决定骨折的愈合方式[1]。ATMFS在治疗骨盆髋臼骨折中显示了良好的临床效果,其固定骨盆后能够在骨折块间产生持续顺应生理性压应力,与钢板内固定下产生的应力作用模式不同[2]。此种力学行为对犬骨盆弓状线部骨折愈合的影响与传统内固定有何区别,报道如下。

    1  材料与方法

    1.1  实验动物

    10只雄性成年杂种家犬,体重15±3.0 kg(购自第二军医大学动物中心)。

    1.2  犬弓状线部骨折动物模型的建立

    杂种家犬捕获后,称重,3%戊巴比妥钠腹腔内麻醉(30~45 mg/kg体重),仰卧位,四肢外展位固定于动物手术台边缘,双侧髂腹股沟区备皮,1%安尔碘消毒双侧腹股沟区,铺无菌单,做髂前上棘至耻骨嵴直切口,切开皮肤皮下组织,钝性分离腹外斜肌筋膜,腹内斜肌及腹横筋膜,显露神经血管鞘,用手探查耻骨弓状线的走行及髋臼前柱壁,将神经血管鞘向下牵拉,显露弓状线臼顶部,以快骨刀于臼顶上缘约1.5 cm处垂直于骨面截骨,造成臼顶上方的横形骨折,将ATMFS前柱固定器(含镍50%~53%,余为钛,厚1.5 mm,形状回复温度为33±2℃,兰州西脉记忆合金有限公司)置入冰水中,展开加压支,测量长度后分别与骨折端上下等距钻孔,骨折端解剖复位后,打入固定器,注射40~50℃生理盐水,可见骨折间隙进一步减少,活动术侧髋关节,骨折端固定牢固,双氧水,生理盐水冲洗后,伤口滴入8万u庆大霉素,逐层缝合。对侧作为对照,同法截骨后,在相应位置,用不锈钢5孔重建钢板(医用316L不锈钢,规格40 mm×5 mm×1.5 mm,螺钉直径1.5 mm,上海浦卫医疗器械公司)固定,上下各拧入2枚螺丝钉,活动术侧髋关节,骨折端固定牢固,确认螺钉未进入关节,伤口冲洗后,滴入8万u庆大霉素,逐层缝合。术前、术中分别静点先锋六号2 g预防感染,5%葡萄糖氯化钠液、平衡液、低分子右旋糖酐维持静滴(4~5 ml/min)至手术结束[晶胶比约(1.5~2)∶1]。术后再次静点先锋六号2 g,羟乙基淀粉250 ml,葡萄糖氯化钠液维持静滴(4~5 ml/min)至动物清醒。分笼饲养,自由活动,常规进食,每日经口喂先锋六号2 g,共5 d,逐日观察动物行走步态及伤口愈合情况。

    1.3  组织学检查

    术后2、4、6、8、12周放血处死动物,切取骨折端骨痂组织,10%中性福尔马林液固定,4%EDTA2Na溶液中脱钙48 h,石蜡包埋切片,厚度为5 μm。分别行HE染色及Masson三色法染色。Masson三色法染色步骤如下:(1)切片脱蜡至水;(2)苏木素染5~10 min;(3)盐酸酒精分化;(4)流水蓝化,蒸馏水洗;(5)丽春红酸性品红液中染5~8 min,蒸馏水洗;(6)1%磷钼酸中染2 min;⑦苯胺蓝液或亮绿液5 min;(8)水速洗,置60℃温箱中烘干,二甲苯透明,封固。

    1.4  新生骨定量分析

    术后2、4、6、8、12周的切片中各时间点随机抽取4张,每一切片选取5个视野,每一实验组每个时间点共计20个观察样本,用尼康E600显微镜对切片进行观察,SPOT Cool CCD摄像头采集图像进入计算机,采用ImageProplus 4.10版本专业图像分析软件对数码图像进行分析。从Masson三色法染色切片采集图像,放大倍数4×100,将骨折端新骨形成(骨吸收陷窝边缘染成红色组织)面积和强度作为分析因素,检测骨折端新骨形成积分光密度值。

    1.5  统计学分析

    数据结果以均数±标准差(±s)表示,采用SPSS11.0统计软件进行数据处理,统计方法采用随机化配对设计资料的t检验,显著性水平为P<0.05。

    2  结  果

    2.1  动物模型术后一般情况

    所有动物术后3~5 h内清醒,均存活,术后12~24 h开始站立,动物术后1周内活动稍有跛行,切口Ⅰ期愈合。动物体重在同时段实验组与对照组之间没有明显差异。

    2.2  骨折端组织HE染色结果

    术后2周,ATMFS侧骨折端可见骨小梁边缘有大量新生的软骨细胞;钢板组可见血肿机化的纤维组织,软骨组织发育不成熟。术后4周,ATMFS侧可见大量成熟的软骨组织,细胞间有大量胶原纤维;钢板侧软骨组织细胞成分较多,胶原含量少。骨折后6周,ATMFS侧可见胶原含量进一步增多,软骨组织向成熟的骨小梁转变;钢板侧骨折端可见软骨中含胶原量少,部分软骨组织向骨小梁转变。骨折后8周,ATMFS侧可见软骨组织向成熟的骨小梁转变进一步增多,骨小梁周围可见规则排列的成骨细胞,功能活跃;钢板侧也可见软骨组织向成熟的骨小梁转变,骨小梁周围可见排列不规则的成骨细胞。术后12周,ATMFS侧皮质骨区可见成熟的骨组织,中间散在骨细胞和骨陷窝,大小、形状均匀,骨细胞的排列与胶原方向和应力方向一致,松质骨区可见成熟的骨小梁,骨小梁排列与应力方向一致,小梁内骨细胞及骨陷窝排列方向与小梁方向一致,小梁周围可见成骨细胞;钢板侧皮质骨区可见骨组织接近成熟,骨小梁周围可见成骨细胞,但排列欠规则。

    2.3  骨断端组织Masson三色法染色结果

    骨折后2周,ATMFS侧骨折端可见较多染成绿色的胶原纤维,含极少量染成红色的类骨质;钢板侧软骨细胞周围主要为呈绿色的胶原纤维。骨折后4周,ATMFS侧可见软骨细胞周围绿染的胶原之间含有少量红染的纤维条带,表明软骨向新生的骨组织转化;钢板侧可见大量绿染的胶原纤维,软骨间可见极少量红染的纤维。术后6周,ATMFS侧可见胶原纤维红绿相间,排列有序,胶原纤维的排列与骨皮质的方向平行,与应力线一致(图1);钢板侧可见软骨组织内红染的胶原纤维增多,但排列欠规则(图2)。术后8周,ATMFS侧骨折端可见骨组织基本成熟,主要为红染的胶原,胶原纤维的排列与骨皮质的方向平行(图3);钢板侧可见胶原纤维红绿相间,红染的胶原纤维明显增多(图4)。术后12周,ATMFS侧骨折端皮质骨区骨组织成熟,呈鲜艳的红色反应,骨组织中可见完整的哈佛氏系统组成的骨单位,骨陷窝大小、形状均匀,陷窝内骨细胞较小,功能不活跃,陷窝内和边缘可见大量红染类骨质(图5);钢板侧骨折端皮质骨区骨组织基本成熟,呈红色反应,但染色深浅不均匀,部分区域染色较浅,陷窝中的骨细胞大小、形状不均匀,胶原排列方向欠规则(图6)。

    2.4  骨折端组织新骨形成积分光密度值

    随着术后内固定时间的延长,骨折端组织新骨形成积分光密度值呈增长趋势。术后2、4周,双侧比较无明显差异,第6、8、12周,ATMFS组骨折端新骨生成面积大于钢板组,两组间具有显著性差异(P<0.05),其中第8周时差异最为明显(P<0.01)(表1)。图1  ATMFS内固定术后6周(Masson×400)  图2  钢板内固定术后6周(Masson×400)  图3  ATMFS内固定术后8周(Masson×400)表1  骨折端组织新骨形成积分光密度值

    3  讨  论

    正常生理应力的刺激有利于骨折愈合过程中新骨的形成、骨痂的生长和塑形。在正常应力刺激下,骨折端周围的骨痂顺着应力方向塑形。剪切应力将严重影响骨折的愈合,在骨折修复过程中,高水平剪切应变刺激祖细胞分化为纤维结缔组织,中等水平剪切应变刺激祖细胞分化为软骨组织,而低水平剪切应变使祖细胞朝成骨细胞方向分化[3]。合理的应力/应变刺激有助于骨折愈合,应力/应变太低会减弱组织分化的力学诱导,而超过临界上限的应力/应变也将使分化及愈合停滞[4],所以骨折愈合的力学环境必须保证稳定,尽可能减少剪切、折弯及扭转等应力的干扰。

    本实验中采用ATMFS和钢板2种内固定方法,在家犬骨盆弓状线部骨折端创造了不同的应力环境。ATMFS在保证骨折端稳定的同时,其加压支能在骨折端产生主动的纵向压应力,这种压应力不随骨折端的吸收而消失;功能锻炼形成的生理性应力持续通过骨折端,从骨块传向骨块,而非钢板固定后所形成的“骨折端-钢板-骨折端”应力传导方式,因而骨折端无明显应力遮挡性骨质疏松;记忆压应力和生理性应力结合形成骨折端的持续性成骨力值。因镍钛合金的弹性模量只有不锈钢1/4,ATMFS对固定段无明显应力遮挡效应。钢板固定后由于存在应力遮挡,骨折端不受到主动的轴向压应力,被固定的骨段成为废用段。

    组织学检测结果显示,双侧骨折间隙内都经历了软骨内成骨的愈合过程,但ATMFS侧骨折端软骨组织形成,皮质骨、骨小梁成熟速度明显比对照侧快,骨细胞的排列与胶原方向和应力方向一致,骨小梁方向也与应力方向一致。Masson三色法染色显示:术后早期,双侧骨折端主要为染成绿色的胶原纤维,红染纤维条带较少,术后6~8周,ATMFS侧胶原纤维由绿向红转变明显早于对照侧,且胶原纤维的排列与骨皮质的方向平行,与应力方向一致,术后12周,ATMFS侧骨折端胶原组织主要呈鲜红色的成熟骨组织,钢板侧骨折端皮质骨区骨组织呈红色反应,但染色深浅不均匀。

    研究发现[5]:Ⅱ型胶原对Masson三色染色呈绿色反应,而Ⅰ型胶原呈红色反应,软骨胶原是Ⅱ型胶原,Masson三色染色着绿色,骨中胶原主要是Ⅰ型胶原,钙化软骨中可以呈现较多红染,成熟骨Masson染色胶原着鲜红色。在新生骨走向成熟过程中Masson三色染色表现为红-绿相间,因此可以用Masson染色来评价骨质的成熟程度,骨质越成熟,红染越多。本研究中切片经图像分析发现:随着术后内固定时间的延长,骨折端组织新骨形成积分光密度值呈增长趋势。术后2、4周,双侧比较无明显差异,第6、8、12周,ATMFS侧骨折端新骨生成面积大于钢板侧。

    纵向载荷产生的压应力对于骨折愈合尤为重要,它可以驱动软骨基质的矿化和间充质细胞向成软骨和成骨细胞方向的发展分化[6],刺激成骨细胞的功能活性,并有助于编织骨向板层骨的改建[7]。ATMFS固定后产生的持续纵向压应力与生理性应力刺激形成了骨折端的持续性成骨力值,此力值加速了骨断端内部间充质干细胞向成骨细胞分化,成骨细胞功能增强,新骨形成替代和骨断端再塑形改建明显加速,表现为骨断端吸收隙窝边缘大量新骨形成和新骨形成积分光密度值的增加。骨折愈合涉及复杂的分子生物学过程,合适的生物力学环境是骨折愈合的必需条件,关于成骨力值刺激骨愈合的分子生物学证据,目前仍有待于进一步研究。

 

【参考文献】
  [1] Claes LE,Heigele CA. Magnitudes of local stress and strain along bony surfaces predict the course and type of fracture healing[J].J Biomech, 1999,32: 255-266.

[2] 张春才,许硕贵,禹宝庆,等.应用髋臼三维记忆内固定系统(ATMFS)治疗复杂性髋臼骨折及其临床意义[J].中华创伤骨科杂志,2004,6(4):364-368.

[3] Lacroix D,Prendergast PJ.A mechanoregulation model for tissue differentiation during fracture healing: analysis of gap size and loading[J].J Biomech, 2002,35:1163-1171.

[4] Isaksson H,Wilson W,Van Donkelaar CC,et al.Comparison of biophysical stimuli for mechanoregulation of tissue differentiation during fracture healing[J].J Biomech, 2006, 39(8):1507-1516.

[5] 郭建刚,赵然,侯桂英,等.骨组织成分与Masson三色染色反应的关系分析[J].中医正骨,2001,13(11):5-6.

[6] Brighton CT,Fisher JRS Jr, Levine SE,et al.The biochemical pathway mediating the proliferative response of bone cells to a mechanical stimulus[J].J Bone Joint Surg(Am),1996,78:1337-1347.

[7] Athanasiou KA,Zhu C,Lanctot DR,et al.Fundamentals of biomechanics in tissue engineering of bone[J].Tissue Eng,2000,6:361-381.


作者单位:第二军医大学长海医院骨科,上海 200433

作者: 王家林 2008-5-30
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