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编号:10501914
应力松弛接骨板固定对骨折愈合骨痂及板下骨改建的影响
http://www.100md.com 《中华创伤杂志》 2000年第6期
     张先龙 戴克戎 汤亭亭

    摘 要 目的 探讨应力松弛接骨板固定对骨折愈合骨痂及板下骨改建的影响。 方法 将24只新西兰兔胫骨干横形截骨后,右侧用应力松弛接骨板(stress-relaxation plate, SRP)固定,左侧用坚硬接骨板(rigid plate, RP)固定并作为对照。所有动物分为4组,每组6只。术后4~24周,偏光及透射电镜检查。 结果 早期两组间骨痂及板下骨结构改变相似,表现为骨痂胶原排列紊乱,折光性弱,板下骨吸收腔形成。12周后,SRP组骨痂板层骨化,板下骨吸收腔逐渐变小;而RP组骨痂及板下骨吸收腔逐渐增多、增大,直至松质骨化。透射电镜发现:(1)4~8周时,两组间均出现活跃破骨细胞,SRP组骨表面同时可见较多功能活跃的成骨细胞,而RP组,成骨细胞功能不活跃。(2)24周时,SRP组愈合骨基质内骨细胞形态正常,破骨细胞少见;而RP组破骨细胞活跃,并见骨细胞性骨溶解现象。 结论 应力松弛接骨板固定促进骨痂后期改建,同时减少了板下皮质骨骨质疏松的发生,可望成为一种理想的接骨板。
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    关键词:骨折固定术,内;骨折愈合;接骨板;骨重建

    理想的接骨板在骨折早期应能为骨折端提供有效可靠的固定,在后期又能防止应力遮挡作用诱发的固定段骨质疏松,使骨折部逐渐承受一定的生理应力刺激,以利于骨痂改建,避免再骨折。能较好地满足上述要求的接骨板固定尚未见报道。笔者研究的应力松弛接骨板(stress-relaxation plate, SRP)经动物实验和体外力学测试表明,随固定时间延长,该系统对骨的应力遮挡率、螺孔内聚乙烯垫圈的蠕变和破坏逐渐下降,使骨折部所承担的应力逐渐增加[1,2]。笔者报告该应力松弛接骨板对骨折愈合和骨改建的影响。

    材料与方法

    一、接骨板制作

    以316L不锈钢制成四孔接骨板和螺丝钉。接骨板长40 mm,宽7 mm,厚2 mm,螺孔直径为2.2 mm。 螺丝钉外径为2 mm,长12 mm。另以超高分子量聚乙烯制成空心垫圈,外径为 2.2 mm,内径为2.0 mm,厚1.5 mm。在每一螺孔与螺钉间加一聚乙烯垫圈,即构成应力松弛接骨板。
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    二、动物实验及分组

    健康新西兰兔24只,体重2.5~3.0 kg。以质量浓度为25 g/L 的戊巴比妥钠自耳缘静脉麻醉,手术显露双侧胫骨中段,横形截骨,左侧以坚硬接骨板内固定(RP)作对照组,右侧在4个螺孔内均加放垫圈即应力松弛接骨板(SRP)作内固定组。螺丝钉以统一扭矩拧紧。术后动物分笼饲养,自由活动。所有动物分为4组,每组6只,分别于术后4,8,12和24周处死取材。

    三、偏光观察

    每组4只动物,按期处死,截取内侧两螺孔间骨段约5 mm(含骨痂及板下皮质骨),HE染色,偏光观察。

    四、愈合骨透射电镜观察

    每组另有2只动物按期处死,分别取骨折断端间愈合骨组织块约2 mm×2 mm×2 mm,以质量浓度为50 g/L的戊二醛、40 g/L的多聚甲醛混合固定液前固定24 h,0.1 mol/L二甲砷酸钠漂洗2 h,再以质量浓度为41.3 g/L的EDTA-2Na(pH 7.4)脱钙7~14 d。脱钙液持续搅拌,隔日更换。脱钙后修整标本,以质量浓度为10 g/L的四氧化锇后固定1.5 h,乙醇逐级脱水,环氧树脂618包埋,超薄切片,醋酸双氧铀、柠檬酸铅双重染色,Hitachi-600透射电镜下观察。
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    结 果

    一、偏光观察

    1. SRP组:4周时,骨小梁胶原纤维折光性弱,排列呈环状、漩涡状。8周时,成熟骨小梁逐渐向板层骨结构转化,骨痂胶原排列紊乱,板下骨见小吸收腔形成。12周时,骨痂板层骨化,胶原折光性强,排列趋于整齐,仍有一定程度紊乱,板下骨吸收腔明显。24周时,截骨区骨结构皮质骨化,胶原排列整齐,并与皮质骨纵轴方向一致,板下骨仍可见吸收腔,与12周时比较,明显变小。

    2. RP组:4周时骨痂及板下骨结构与SRP组相似。8周时,骨痂胶原排列松散,局部区域见小吸收腔,板下骨见明显吸收腔形成。12周时,骨痂板层骨化不明显,骨痂与板下骨结构可见较大吸收腔,且数量较多,吸收腔周围胶原排列紊乱。24周时,骨痂与板下骨均呈现松质骨化。

    二、 透射电镜观察

, 百拇医药     4周时,两组均出现活跃破骨细胞,皱折缘明显,小泡内见吞噬的钙盐颗粒。8~12周时,SRP组骨痂内骨基质表面破骨细胞功能活跃,同时,骨表面见较多功能活跃的成骨细胞,细胞形态为长柱形或梭形;24周时,骨基质内骨细胞形态正常,并可见典型胞浆突起及骨小管与骨表面成骨细胞相连,此间,骨表面破骨细胞较少见。而RP组8~12周时,骨表面成骨细胞功能不活跃,粗面内质网少,且少见扩大成池,破骨细胞功能仍十分活跃;24周时,骨痂基质内骨细胞呈溶骨相,陷窝扩大,核溶解,周围见崩解基质,相邻骨表面破骨细胞仍然活跃。

    讨 论

    一、应力松弛接骨板对骨痂改建的影响

    本研究中所用黏弹性垫圈的材料学特征之一是在载荷恒定情况下,其形变量可随时间延长而增加(蠕变)。这是SRP概念及设想的前提与基础。8周时,对动物螺孔内垫圈的扫描电镜观察发现,垫圈已出现明显的变形、撕裂和破坏,导致整个接骨板螺钉系统应力松弛(relaxation),对骨的应力遮挡作用逐渐下降。这一过程称之为应力松弛过程[1]。偏光镜观察发现,不同接骨板固定对骨痂改建有着明显不同的影响,SRP组应力松弛过程中,应力逐渐向骨折部转移,促进骨痂组织能逐步承受一定的应力刺激,促进和引导骨痂改建顺利进行。而RP组持续强大的应力遮挡作用,使骨折部始终处于一种低应力环境。因此,骨痂改建呈现异常,以骨吸收为主,直至松质骨化。
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    涉及骨痂改建的主要细胞有破骨细胞、成骨细胞和骨细胞。透射电镜观察发现,4周时,两组均出现功能活跃的破骨细胞,标志着此时骨痂改建已开始,8~12周,SRP组骨痂骨表面可见合成较多分泌功能旺盛的成骨细胞,与活跃的破骨细胞相呼应,表明SRP固定骨痂改建进入正常的良性循环。此时的成骨细胞逐渐被自身分泌且逐渐钙化的骨基质包埋,转变为骨细胞。骨细胞在形态上仍具有其母细胞成骨细胞的特征,如细胞器较发达等。新形成的骨细胞仍可见正常的胞浆突起及小管样结构与骨表面成骨细胞保持密切的结构联系,为骨细胞感受力学信号、细胞间信号的传递提供了结构学基础[3]。相反,8~12周,RP组破骨细胞活跃,同时,很少见到相应功能状态的成骨细胞。愈合骨基质内骨细胞呈溶骨相,笔者认为,这种骨细胞性骨溶解(osteocytic osteolysis)现象加剧了RP组骨痂改建中的骨吸收过程。

    二、 应力松弛接骨板对板下皮质骨改建的影响

    接骨板源性骨质疏松是接骨板取出后再骨折的潜在原因。迄今为止,对其发生机制仍存争议。近年来,一些学者认为,这种骨质疏松与接骨板引起的板下血供紊乱密切相关,即接骨板置入区的血运障碍导致了板下骨的坏死和吸收,是接骨板源性骨质疏松的主要原因。不可否认,早期的局部骨质疏松可能与板下皮质骨血运障碍有关,但多数研究显示,接骨板引起的板下血供紊乱是暂时的,大多数可以在术后3个月内达到完全恢复。然而,板下皮质骨的结构紊乱却并未能随着血供的恢复而修复。术后20周,甚至更长时间仍可见固定骨段严重骨质疏松,甚至松质骨化[4,5]。而此时惟一存在的生物干扰因素只有接骨板对骨的应力遮挡保护作用。因此,很难用血运障碍来解释持续存在的板下骨质疏松。Uhthoff等[4]对36只成年犬股骨采用两种不同接触面钢板固定,观察8~24周。术后不同时期X线、组织学及力学测试检查发现,接骨板置入后板下骨改建分为2个过程:第1个过程较为短暂,可能由于钢板损伤板下皮质血供引起骨坏死、骨孔隙率增加;第2个过程主要由于钢板与骨组织刚度上的巨大差异引起的应力遮挡保护作用所致。这种骨改建最初发生在哈氏管和骨外、内膜面,两者均影响骨的力学性能,区别在于前者是短暂的,而应力遮挡引起的骨质疏松持续时间最长。笔者的研究也证明,SRP确实减轻了板下皮质骨骨质疏松的发生,并在后期呈现修复迹象,这一现象发生在术后24周,难以用接骨板与板下骨分离而使局部血供改善来解释,SRP应力遮挡率的逐渐下降可能是造成这一现象的主要原因。
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    与传统的坚硬接骨板相比,应力松弛接骨板具有促进骨痂后期改建,同时减轻板下皮质骨骨质疏松发生的双重效果,可望成为一种理想的接骨板装置。如何从实验过渡到临床应用,尚需进一步的系统研究。

    基金项目:国家自然科学基金资助项目(39470698)

    张先龙(200011 上海第二医科大学附属第九人民医院骨科)

    戴克戎(200011 上海第二医科大学附属第九人民医院骨科)

    汤亭亭(200011 上海第二医科大学附属第九人民医院骨科)

    张先龙(现在上海市第六人民医院骨科,200233)

    参考文献

    1,戴克戎,戴闽,王开友,等.应力松弛接骨板对骨几何形态和力学性能影响的实验观察.中华医学杂志, 1995, 75:414-416.
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    2,汤亭亭,戴克戎,薛文东.可变刚度接骨板系统对循环压缩载荷的力学反应.医用生物力学,1996, 11:42-45.

    3,Aarden EM, Burger EH, Nijweide PJ. Function of osteocytes in bone. J Cellular Biomechem,1994, 55:287-292.

    4,Uhthoff HK, Foux A, Yeadon A, et al. Two process of bone remodeling in plated intact femera: an experimental study in dogs. J Orthop Res, 1993, 11:78-89.

    5,徐莘香.骨折内固定的生物力学与生物学.中华骨科杂志, 1989,9:219-222., 百拇医药