體外軸向應(yīng)力促進(jìn)山羊脛骨骨折愈合相關(guān)力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、背景:眾所周知在骨折端施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)力刺激可以促進(jìn)骨折愈合，但最佳的應(yīng)力參數(shù)及促進(jìn)骨愈合機(jī)理尚不明確，骨折愈合仍缺乏科學(xué)的應(yīng)力干預(yù)措施。我們在前期研究中利用自行研制的非侵入性體外應(yīng)力刺激儀（叩擊式骨應(yīng)力刺激儀），叩擊人體或動(dòng)物足跟部（模擬負(fù)重），證實(shí)能使不同固定方式下的骨折端產(chǎn)生可調(diào)可控的軸向應(yīng)力刺激，動(dòng)物預(yù)實(shí)驗(yàn)及初步臨床應(yīng)用結(jié)果顯示其對骨折愈合具有促進(jìn)作用。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不可能獲取任意條件下骨折愈合所需要的應(yīng)力大小，因此，臨床實(shí)踐中還不能針對

2、某一骨折預(yù)測或選擇最佳力學(xué)參數(shù)，依靠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)得出的資料來指導(dǎo)臨床工作帶有一定的盲目性。近年來隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)大量用于生物醫(yī)學(xué)、骨科學(xué)領(lǐng)域，為了揭示骨折愈合規(guī)律和各種因素對骨折愈合的影響，可以根據(jù)醫(yī)學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立仿真模型，進(jìn)行研究，反映骨折的愈合過程、預(yù)測不同條件下骨折的愈合趨勢，甚至可能為不同患者的骨折愈合制定更加個(gè)性化的治療方案?？梢源蟠鬁p少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的工作量，縮短“實(shí)驗(yàn)臺(tái)至臨床”的距離，符合現(xiàn)代轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)模式所提倡的思想。

3、>　　目的:本研究前期已利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，對體外軸向應(yīng)力促進(jìn)不同固定方式下的骨折愈合過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，通過運(yùn)算分析初步優(yōu)化軸向應(yīng)力參數(shù)為200N、1Hz。本實(shí)驗(yàn)研究擬建立山羊脛骨骨折不同固定方式的動(dòng)物模型，根據(jù)優(yōu)化后的相關(guān)參數(shù)，施加不同強(qiáng)度和頻率的軸向應(yīng)力，從影像學(xué)、生物力學(xué)及組織學(xué)等方面綜合評價(jià)體其對骨折愈合的影響，驗(yàn)證仿真模擬分析的結(jié)果，并分析其促進(jìn)骨折愈合的可能機(jī)制，為軸向應(yīng)力促進(jìn)骨愈合的臨床應(yīng)用及深入研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及理

4、論依據(jù)。
　　方法:取同一品種清潔級健康成熟山羊72只，建立山羊脛骨骨折鋼板螺絲釘內(nèi)固定的動(dòng)物模型，術(shù)后采用免負(fù)重支具固定術(shù)肢，隨機(jī)分為4組，實(shí)驗(yàn)組使用叩擊式骨應(yīng)力刺激儀進(jìn)行叩擊刺激，其中根據(jù)不同的應(yīng)力參數(shù)分為實(shí)驗(yàn)1組(350N、1.5Hz)、實(shí)驗(yàn)2組(200N、1Hz)、實(shí)驗(yàn)3組(50N、0.5Hz)，并設(shè)立空白對照組為不行叩擊刺激處理。術(shù)后第1周實(shí)驗(yàn)組即開始行叩擊式骨應(yīng)力刺激儀進(jìn)行體外軸向應(yīng)力刺激，將動(dòng)物一側(cè)患肢置于特制的固定

5、裝置上用骨應(yīng)力刺激儀叩擊術(shù)肢足底部，每天2次，每次30分鐘，持續(xù)6周。術(shù)后第1日、第3、6及9周拍攝X線片，術(shù)后第3、6、9周每個(gè)時(shí)間點(diǎn)各組各處死6只動(dòng)物獲取標(biāo)本行生物力學(xué)檢測、大體觀察及組織學(xué)染色以獲得各項(xiàng)觀察指標(biāo)，通過X線片上的骨痂量、標(biāo)本抗彎曲和抗扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能以及骨痂的成熟度評估骨折愈合情況。
　　結(jié)果:所有動(dòng)物截骨部位、截骨間隙及鋼板螺釘內(nèi)固定位置基本一致，固定可靠，骨折對線、對位良好。實(shí)驗(yàn)1組1只山羊在術(shù)后第3周因免負(fù)

6、重支具穿戴松脫后負(fù)重受力不均致內(nèi)固定失敗。術(shù)后X線片顯示實(shí)驗(yàn)組的各期骨痂量及鈣化程度均較空白對照組好，其順序依次為實(shí)驗(yàn)2組＞實(shí)驗(yàn)3組＞實(shí)驗(yàn)1組＞空白對照組。生物力學(xué)測試結(jié)果表明，標(biāo)本的三點(diǎn)彎曲最大載荷及最大扭矩術(shù)后3、6、9周實(shí)驗(yàn)組2組與其余各組間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)，實(shí)驗(yàn)1、3組與空白對照組之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。術(shù)后3周實(shí)驗(yàn)1組與實(shí)驗(yàn)3組之間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，而術(shù)后6、9周有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義

7、(P＜0.05)。術(shù)后3、6、9周各組所能承受的三點(diǎn)彎曲最大載荷及最大扭矩均呈上升趨勢，組織的生物力學(xué)強(qiáng)度增強(qiáng)。大體觀察見術(shù)后3周獲得的標(biāo)本可見軟骨痂包繞骨折端，切面可見外層外骨痂生長，髓腔內(nèi)見肉芽組織生長，實(shí)驗(yàn)2組骨痂較其余各組大。術(shù)后6周獲得的標(biāo)本可見較硬骨痂包繞骨折端，切面見外層外骨痂生長較多，髓腔內(nèi)可見少量內(nèi)骨痂及纖維組織生長，實(shí)驗(yàn)2組骨痂仍較其余各組大。術(shù)后9周獲得的標(biāo)本見硬骨痂包繞骨折端，切面見外層外骨痂生長較多，髓腔內(nèi)可見

8、較多內(nèi)骨痂及纖維組織生長，實(shí)驗(yàn)2組骨痂數(shù)量最多，對照組骨痂質(zhì)數(shù)量最少。組織學(xué)HE及Masson染色均顯示實(shí)驗(yàn)2組骨折處的骨痂量及修復(fù)重建速度較其他組好。
　　結(jié)論:在山羊脛骨骨折鋼板螺絲釘內(nèi)固定模型中，體外軸向叩擊應(yīng)力刺激能夠促進(jìn)出羊脛骨骨折的愈合，體外軸向應(yīng)力參數(shù)為200N、1Hz能明顯促進(jìn)骨折愈合，與計(jì)算機(jī)仿真模擬分析結(jié)果一致。三維有限元模擬仿真可以有效模擬骨折后體外軸向應(yīng)力刺激促進(jìn)骨折愈合的過程，該技術(shù)能夠?yàn)樗闹钦壑贫▊€(gè)體