体外轴向应力促进山羊胫骨骨折愈合相关力学参数的实验研究

摘要

背景:众所周知在骨折端施加适当的应力刺激可以促进骨折愈合，但最佳的应力参数及促进骨愈合机理尚不明确，骨折愈合仍缺乏科学的应力干预措施。我们在前期研究中利用自行研制的非侵入性体外应力刺激仪（叩击式骨应力刺激仪），叩击人体或动物足跟部（模拟负重），证实能使不同固定方式下的骨折端产生可调可控的轴向应力刺激，动物预实验及初步临床应用结果显示其对骨折愈合具有促进作用。动物实验不可能获取任意条件下骨折愈合所需要的应力大小，因此，临床实践中还不能针对某一骨折预测或选择最佳力学参数，依靠动物实验得出的资料来指导临床工作带有一定的盲目性。近年来随着计算机仿真技术大量用于生物医学、骨科学领域，为了揭示骨折愈合规律和各种因素对骨折愈合的影响，可以根据医学理论和实验数据建立仿真模型，进行研究，反映骨折的愈合过程、预测不同条件下骨折的愈合趋势，甚至可能为不同患者的骨折愈合制定更加个性化的治疗方案。可以大大减少动物实验的工作量，缩短“实验台至临床”的距离，符合现代转化医学模式所提倡的思想。
　　目的:本研究前期已利用计算机仿真技术，对体外轴向应力促进不同固定方式下的骨折愈合过程进行计算机仿真模拟，通过运算分析初步优化轴向应力参数为200N、1Hz。本实验研究拟建立山羊胫骨骨折不同固定方式的动物模型，根据优化后的相关参数，施加不同强度和频率的轴向应力，从影像学、生物力学及组织学等方面综合评价体其对骨折愈合的影响，验证仿真模拟分析的结果，并分析其促进骨折愈合的可能机制，为轴向应力促进骨愈合的临床应用及深入研究提供基础数据及理论依据。
　　方法:取同一品种清洁级健康成熟山羊72只，建立山羊胫骨骨折钢板螺丝钉内固定的动物模型，术后采用免负重支具固定术肢，随机分为4组，实验组使用叩击式骨应力刺激仪进行叩击刺激，其中根据不同的应力参数分为实验1组(350N、1.5Hz)、实验2组(200N、1Hz)、实验3组(50N、0.5Hz)，并设立空白对照组为不行叩击刺激处理。术后第1周实验组即开始行叩击式骨应力刺激仪进行体外轴向应力刺激，将动物一侧患肢置于特制的固定装置上用骨应力刺激仪叩击术肢足底部，每天2次，每次30分钟，持续6周。术后第1日、第3、6及9周拍摄X线片，术后第3、6、9周每个时间点各组各处死6只动物获取标本行生物力学检测、大体观察及组织学染色以获得各项观察指标，通过X线片上的骨痂量、标本抗弯曲和抗扭转的力学性能以及骨痂的成熟度评估骨折愈合情况。
　　结果:所有动物截骨部位、截骨间隙及钢板螺钉内固定位置基本一致，固定可靠，骨折对线、对位良好。实验1组1只山羊在术后第3周因免负重支具穿戴松脱后负重受力不均致内固定失败。术后X线片显示实验组的各期骨痂量及钙化程度均较空白对照组好，其顺序依次为实验2组＞实验3组＞实验1组＞空白对照组。生物力学测试结果表明，标本的三点弯曲最大载荷及最大扭矩术后3、6、9周实验组2组与其余各组间的差异有统计学意义(P＜0.05)，实验1、3组与空白对照组之间的差异有统计学意义(P＜0.05)。术后3周实验1组与实验3组之间的差异无统计学意义(P＞0.05)，而术后6、9周有统计学意义(P＜0.05)。术后3、6、9周各组所能承受的三点弯曲最大载荷及最大扭矩均呈上升趋势，组织的生物力学强度增强。大体观察见术后3周获得的标本可见软骨痂包绕骨折端，切面可见外层外骨痂生长，髓腔内见肉芽组织生长，实验2组骨痂较其余各组大。术后6周获得的标本可见较硬骨痂包绕骨折端，切面见外层外骨痂生长较多，髓腔内可见少量内骨痂及纤维组织生长，实验2组骨痂仍较其余各组大。术后9周获得的标本见硬骨痂包绕骨折端，切面见外层外骨痂生长较多，髓腔内可见较多内骨痂及纤维组织生长，实验2组骨痂数量最多，对照组骨痂质数量最少。组织学HE及Masson染色均显示实验2组骨折处的骨痂量及修复重建速度较其他组好。
　　结论:在山羊胫骨骨折钢板螺丝钉内固定模型中，体外轴向叩击应力刺激能够促进出羊胫骨骨折的愈合，体外轴向应力参数为200N、1Hz能明显促进骨折愈合，与计算机仿真模拟分析结果一致。三维有限元模拟仿真可以有效模拟骨折后体外轴向应力刺激促进骨折愈合的过程，该技术能够为四肢骨折制定个体化应力刺激治疗方案提供有效指导。自行设计制作的羊术肢免负重支具可起到保护术肢及避免术肢负重影响实验结果的作用。

目录

声明

摘要

缩略语表

前言

研究意义

国内外研究现状及发展情况

研究目的

1 材料

1．1 实验动物

1．2 实验仪器和材料

1．2．1 叩击式骨应力刺激仪

1．2．2 手术相关器材

1．2．3 羊术肢免负重支具

1．2．4 羊限制固定装置

1．2．5 主要药品和试剂

1．2．6 实验设备

2 方法

2．1 实验动物分组

2．2 实验动物造模

2．3 放射学观察

2．4 生物力学测定

2．5 大体形态学观察及组织学染色

2．6 统计分析

3 结果

3．1 一般结果

3．2 X线观察

3．3 生物力学测试

3．3．1 三点弯曲测试

3．3．2 扭转测试

3．4 组织学观察

3．4．1 大体观察

3．4．2 组织学观察

4 讨论

4．1 动物模型的选择及制作

4．2 消除动物自身应力干扰的方法

4．3 计算机仿真模拟优化应力参数

4．4 骨折愈合评价指标

4．5 体外轴向叩击不同应力对骨折愈合不同时期的影响

4．6 存在问题及展望

全文结论

参考文献

附图

综述 应力在骨折愈合中的作用

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文