应力调节对延长区骨愈合影响的实验研究

【摘要】  ［目的］探讨轴向应力调节在延长区骨愈合中的作用。［方法］采用微型环式外固定延长器，对40只兔分两组进行胫骨延长，并对其骨延长区行X线片，骨密度及组织学检测。［结果］操作结束后，两组延长区骨痂X线片表现不同：对照组延长区中央部可见骨痂连续但皮质未形成，实验组除可见骨痂连续外，还有连续的皮质及髓腔贯通。［结论］骨延长结束后采用轴向应力调节及周期性持续微动短缩加压可促进骨愈合。

【关键词】  牵张成骨； 轴向应力； 微动； 骨延长； 兔

    Influence of stress regulation on bone healing of lengthened zone:an experimental study∥YANG Huaqing, WANG Kunzheng, ZHANG MingYu, et al.Department of Orthopedics, the Second Hospital, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710004, China

    Abstract：［Objective］To explore the effects of axial stress regulation on healing of lengthened callus.［Method］Tibiaes of 40 rabbits divided into 2 groups were lengthened with circular external fixator.Xray bone density and histology tests were performed.［Result］The X-ray showed lengthened callus was different after operation.In the control group,lengthened center had a serial callus and cortex had not formed,in the experimental group lengthened center had serial cortex and ttransfixial medullary cavity expects serial callus.［Conclusion］Axial stress regulation and periodicity continue to shortened micromovement stress may promote healing after bone lengthening.

    Key words：distraction osteogenesis；  axial stress；micromovement；  bone lengthening；  rabbits

      牵张成骨(distraction osteogenesis, DO)是由Ilizarov在1989年提出张应力原理［1］。缓慢牵伸活组织产生一种应力，可刺激某些组织的再生和活跃生长，能够调动和促进机体自身修复和再生的潜能，有效地治疗肢体不等长等多种骨科疑难疾病。但是肢体大幅度延长后延长区的骨愈合需要很长时间，往往会给患者带来如针道感染、骨的延迟愈合及长期佩带外固定器导致的不舒适感等问题甚至导致治疗的失败［2，3］，因此，如何促进延长区骨愈合是临床上迫切需要解决的问题。骨延长区的骨愈合是一种特殊类型的骨愈合，外界施加的牵张应力改变了延长区的微环境，影响愈合的进度和成骨方式，应力负荷对骨骼的结构和骨量有着极其重要的影响［4］。作者对应力调节在兔胫骨延长区骨愈合中的作用进行了实验研究，以观察其对于延长区骨愈合的作用。

    本实验以兔胫骨截骨延长为实验模型，采用微型环式外固定延长器,对兔胫骨实行应力调节,运用X线检查、光镜观察等手段研究延长区骨愈合的过程，观察其骨生长情况。

    1  材料和方法

    1.1  动物

    纯种新西兰大耳白兔40只，体重2～3 kg，雌雄不限，购于西安交通大学医学实验动物中心。实验组对照组各20只

    1.2  实验步骤

    1.2.1  用3%戊巴比妥钠(1 mL/kg,iv)麻醉,左下肢去毛,碘消毒，铺巾。

    1.2.2  暴露胫骨上段,骨膜下剥离,胫骨平台下20 mm截骨。用直径1.2 mm克氏针(nailing fixation)在胫骨截骨处上下各10 mm处各钻1组相互平行交叉针,克氏针垂直胫骨干，同组中2枚克氏针相交角度(40°±50°),距第2组针30mm处再钻1组相互交叉的1 mm平行针。安装微型环式外固定器,以线锯在前两组克氏针中点截骨,缝合骨膜皮肤。术中静脉注射青霉素4×105 u及庆大霉素16万u冲洗。

    1.2.3  术后观察  所有动物术后分笼饲养,术后3 d每日青霉素4×105U静注。术后8 d开始延长,每天1 mm(分早晚2次完成,每次0.5 mm)对照组在延长达20 mm后停止，实验组在延长至20 mm后继续延长4 d达24 mm ，此后每日行牵拉压缩调节各2次,幅度为0.5 mm,第10 d开始短缩加压0.5 mm(每周2次,共8次)所有操作结束后,即第56 d将动物处死,并对延长区肢体行以下检测：

    （1）X线片  在延长结束时及处死动物后分别做X线片检查。

    （2）骨密度测定  处死动物后,用双能X线骨密度测量仪(型号XR-36,美国)对2组延长区骨痂行骨密度测量。

    （3）组织学检查 处死动物后立即截取延长区骨痂,纵行截成5 mm厚的薄片, 10%甲醛固定,脱钙处理,石蜡包埋后切片,HE染色。

    1.3  统计学处理

    应用SPSS8.0统计软件进行统计学处理。数据以均数±标准差表示，两组样本均数差异显著性用t检验判定。

    2  结  果

    2.1  动物术后延长情况

    术后所有动物恢复正常生理活动,少数动物发生针道轻微感染,经无菌换药后痊愈,最后延长长度：对照组为(20±0.2) mm,实验组为(24±0.2) mm。

    2.2  轴向应力后两组骨延长区X线片比较

    在延长结束时行X线片检查,两组动物骨延长区可见有骨痂生长,靠近截骨处骨痂生长较好,中央部较差,组间无明显差异。处死动物后X线片检查示：对照组延长区骨痂中央段可见骨痂连续，但皮质未形成(图1)，实验组除可见骨痂连续外,还有连续的皮质及髓腔贯通(图2)。

    2.3  轴向应力后两组骨延长区骨密度比较

    实验结束后,延长区骨密度测量显示：正常兔胫骨骨密度为(0.26±0.01)g/cm3 ，对照组骨密度(0.171±0.004)g/cm3，实验组骨密度为(0.212±0.004)g/cm3，实验组骨密度显著大于对照组(约20%)(P<0.05)。

    2.4  轴向应力后两组骨延长区组织学检查比较

    实验结束后,显微镜下观察见：对照组延长区骨痂中段有大量团聚的软骨细胞，骨小梁排列紊乱，无皮质髓腔形成(图3)。实验组可见延长区骨皮质形成，上下连续，部分髓腔已贯通，未见有团聚的软骨细胞(图4)。

    图1  对照组延长段骨痂X线片  图2  实验组延长段骨痂X线片  图3  对照组延长段骨痂组织(2.5×4)  图4  实验组延长段骨痂组织(2.5×4)

    3  讨  论

    牵张成骨(distraction osteogenesis,DO)是刺激骨形成的一种独特方法，它使肢体延长技术有了很大的突破性进展［5～7］。一般认为在截骨后的8 d开始延长，这样有利于原始骨痂的形成。骨痂经过1 mm /d，分成2～4次的缓慢延长，最终达到理想的长度。骨痂成熟期一般是骨痂延长期的2～3倍，有时甚至还需要更长的时间，肢体大幅度延长后新生骨的骨痂成熟需要很长时间［8～10］。骨骼朝着周期性的动态应力方向适应，应力分布的变化对维持骨量与骨的适应性方面具有重要影响。延长区的牵张成骨(DO)作用按照Ilizarov的张力-应力原理的法则，在骨痂成熟过程中,骨骼通过骨塑形和骨重建调节骨骼的结构和强度,使骨骼与最大主动负荷应力相匹配。一系列的基础研究和临床观察已证明,应用持续的在生理限度内的牵张应力刺激,能激活和保持组织细胞的再生能力,促进组织的再生，能提高骨的强度和骨量［11,12］。在大量的动物实验研究中作者观察到在骨延长区再生区的中部有一生长带,延长过程中活跃的成骨均源于此带。延长后的固定阶段生长带逐渐骨化,凡固定坚固的,牵开区受张力-应力影响,表现为成骨作用活跃,成骨快,短时间内跨过软骨阶段直接化骨。动物实验还表明,横向牵开区骨小梁在全过程中均与牵开方向平行。据报道［13,14］，兔骨延长1 cm后,3 d内压缩2 mm,观察到延长区中央区间质细胞层成骨细胞增加4倍,并有大量的原始纤维骨形成,而软骨组织似乎不受短缩加压的影响。Cope［15］等的实验也发现延长区的矿化过程由截骨两端以平行柱状结构的形式，逐渐向中心生长区延伸，并伴随小梁骨的递增和纤维组织的增多,到延长后6周左右,即出现相对成熟的再生骨。在骨延长过程中,张力-应力作用可使新生骨小梁和纤维组织均沿牵引方向排列,并表现为成熟骨组织的形成从骨端向中央区逐渐过渡。一些学者通过动物实验证实在牵张成骨的早期，软骨内化骨起主要作用，而膜内化骨在骨痂成熟期起主要作用。骨骼根据所受应力的大小,调节骨塑形和骨重建的启动和关闭［16］。本实验结果进一步证实，在骨痂成熟过程中,骨骼通过骨塑形和骨重建调节骨骼的结构和强度,使骨骼与最大主动负荷应力相匹配。由此可见,延长区骨痂无论受到牵拉或加压应力都会促进骨的生长。

    张蒲等［17］研究发现，和内固定一样,骨外固定器也使骨折断端产生应力遮挡作用,使骨发生废用性萎缩和外固定松动。在骨延长后骨痂成熟期外固定器的应力遮挡作用是十分明显的。延长结束后,由于外固定器的应力遮挡作用使应力刺激难以奏效，延长区骨痂处于无应力状态而影响新骨生长［18～20］。如何克服或减低这种影响,临床上以往通过功能锻炼,利用功能活动时产生的动力性轴向应力,以促进骨愈合和骨结构重建，但这种情况可能因疼痛，患者的恐惧心理而不能很好地配合而受到影响。为了减少应力遮挡作用,应实施弹性固定即动力化固定。Chiaki Hamanishi［21］报道延长后立即轴向加压有利于骨再生。Kassis等［22］观察到延长后立即轴向微动刺激能增加骨痂体积、骨痂矿物质含量及密度,有利于骨再生。临床也有报道骨延长时采用短暂加压方法［23］，但他们所用方法均为一次性加压。由于延长长度储备有限(一般3～5 mm左右),作用持续时间不长，如何使短缩加压发挥更大的作用，作者在本实验中采用轴向应力调节及周期性持续微动短缩加压。实验组在达到20 mm后继续延长4 mm作为储备, 此后10 d每日行牵拉，压缩调节各2次, 调节幅度0.5 mm, 10 d后每周短缩加压2次，每次0.5 mm，共8次；而对照组延长20 mm后停止牵张。作者在实验中发现，骨延长结束后采用轴向应力调节及周期性持续微动短缩加压，不但可降低应力遮挡的影响且更有利于骨皮质的形成和髓腔的贯通，可促进骨愈合。此技术操作上方便，易于掌握，为有效地应用于临床打下了实验基础。

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作者单位：(1.西安交通大学第二医院骨科，陕西 西安 710004;2.北京骨外固定技术研究所，北京 100039，3.清华大学第二附属医院骨科，北京市 100049)