不同固定方式在实验性羊股骨骨折愈合过程的影像及组织学变化

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0118

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (7): 1066-1071.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0118

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不同固定方式在实验性羊股骨骨折愈合过程的影像及组织学变化

冯立平¹，杨卫强¹，丁童¹，张付美²，蒋振刚¹，王培山³

河南省新乡市中心医院，¹创伤骨科，²病理科，³麻醉科，河南省新乡市 453000

出版日期:2018-03-08 发布日期:2018-03-08
通讯作者: 冯立平，河南省新乡市中心医院创伤骨科，河南省新乡市 453000
作者简介:冯立平，男，1985年生，河南省人，汉族，2008年湖北省咸宁医学院毕业，主治医师。
基金资助:
新乡市重点科技攻关计划项目(ZG15034)；河南省重点科技攻关计划项目(152102320210)

Imaging and histological changes of the healing process of experimental sheep femoral fracture using different fixation methods

Feng Li-ping¹, Yang Wei-qiang¹, Ding Tong¹, Zhang Fu-mei², Jiang Zhen-gang¹, Wang Pei-shan³

¹Department of Trauma and Orthopedics, ²Department of Pathology, ³Department of Anesthesiology, Xinxiang Central Hospital, Xinxiang 453000, Henan Province, China

Online:2018-03-08 Published:2018-03-08
Contact: Feng Li-ping, Department of Trauma and Orthopedics, Xinxiang Central Hospital, Xinxiang 453000, Henan Province, China
About author:Feng Li-ping, Attending physician, Department of Trauma and Orthopedics, Xinxiang Central Hospital, Xinxiang 453000, Henan Province, China
Supported by:
the Key Science and Technology Project of Xinxiang City, No. ZG15034; the Key Science and Technology Project of Henan Province, No. 152102320210

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

固定治疗原则：为骨折及相关损伤患者设计、提供可使其早日恢复活动及功能的治疗方案：①通过骨折复位及固定重建解剖关系；②按照骨折的个性及损伤的需要使用固定或夹板重建稳定性；③使用细致操作及轻柔复位方法以保护软组织及骨的血供；④早期和安全的活动训练。

生物学固定理念：①远离骨折部位进行复位，以保护骨折局部软组织的附着；②不以牺牲骨折部的血运来强求粉碎骨折块的解剖复位，对必需复位的较大的骨折块，也应尽力保存其供血的软组织蒂部；③使用低弹性模量、生物相容性好的内固定器材；④减少内固定物与所固定骨之间的接触面(皮质外及髓内)；⑤尽可能减少手术暴露时间。

摘要

背景：普通接骨板内固定后容易出现“应力遮挡”效应，而组合式可变应力接骨板内固定能够减少接骨板的“应力遮挡”效应，促进骨质的正常愈合，降低普通钢板所引起并发症，缩短骨折愈合时间。

目的：观察不同内固定方式对实验性羊股骨骨折愈合过程的影像学及组织学的影响。

方法：选用32只健康成年山羊随机分为实验组和对照组，每组16只，通过股骨截骨方法构建骨折动物模型，实验组和对照组分别采用组合式可变应力接骨板和普通直型钢板进行固定，采用X射线、CT及组织学方法对固定后4，8，12周骨痂进行观察和比较。

结果与结论：①X射线片检查结果显示，两组动物固定后4-12周骨折线从逐渐模糊到完全愈合，且骨折断端间隙明显减小，且取出内固定发现，实验组术中见骨折端周围骨痂量少且坚硬，接骨板本身无骨痂覆盖，对照组接骨板见大量骨痂覆盖，钢板周围骨痂量也较大；②CT检查结果显示，两组动物术后4-12周CT值和骨痂横截面积值逐渐升高，且实验组动物在术后4，8，12周CT值和骨痂横截面积值均显著高于对照组(P < 0.05)，且对照组在术后8，12周骨髓腔直径显著高于实验组(P < 0.05)，而骨皮质厚度值显著低于实验组(P < 0.05)；③组织学检查结果显示，与对照组相比，实验组骨折线愈合，髓腔内纤维骨痂减少，骨痂更稀疏，大部分纤维骨痂被吸收，髓腔再通；④结果说明，组合式可变应力接骨板内固定能够为股骨骨折断端早期愈合提供较稳定的生物力学环境，降低钢板应力遮挡效应，促进骨痂形成，从而有利于骨折愈合。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0003-0670-1417(冯立平)

关键词: 股骨, 骨折愈合, X射线, 接骨板, CT, 骨小梁, 应力遮挡, 骨痂, 骨密度, 羊

Abstract:

BACKGROUND: Ordinary bone plate fixation is prone to have "stress shielding" effect, and combined variable stress plate fixation can reduce the "stress shielding" effect of the plate, and promote the normal bone healing, reduce the complications caused by ordinary steel and shorten the fracture healing time.

OBJECTIVE: To explore the effects of different internal fixation methods on the imaging and histology in the healing process of experimental sheep femoral fracture.

METHODS: Thirty-two healthy adult goats were randomly divided into the experimental group and the control group with 16 cases in each group. The fractured animal model was constructed by femoral osteotomy. The experimental group and the control group were treated with combined variable stress plate and ordinary straight plate respectively for fixation. The X-ray, CT and histological methods were used to observe and compare callus 4, 8 and 12 weeks after fixation.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) X-ray examination results showed that the fracture lines of the two groups were gradually from obscured to complete healing at 4 to 12 weeks after fixation, and the gap between the fracture ends was significantly reduced. When internal fixator was taken out, the callus around fracture end was little and hard and the bone plate was without callus coverage in the experimental group. There were a large number of callus covered in bone plate and large bone callus around the plate in the control group. (2) CT examination results showed that CT value and callus cross-sectional area value were gradually increased in two groups at 4 to 12 weeks after treatment. The values in the experimental group at 4, 8 and 12 weeks after treatment were significantly higher than those in the control group (P < 0.05), and the diameter of medullary cavity in the control group at 8 and 12 weeks after treatment was significantly higher than that in the experimental group (P < 0.05). The cortical bone thickness was significantly lower in the control group than that in the experimental group (P < 0.05). (3) Histological examination showed that compared with the control group, the fracture line was healed and the intramedullary fibrous callus was reduced and was sparse, and most of callus was absorbed and marrow cavity recanalization appeared in the experimental group. (4) The results show that combined variable stress plate fixation can provide a stable biomechanical environment for early healing of femoral fractures, reduce the stress shielding effect of steel plate and promote the callus formation, thereby helping fracture healing.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Tissue Engineering, Bony Callus, Bone Density

中图分类号:

R318

冯立平，杨卫强，丁童，张付美，蒋振刚，王培山. 不同固定方式在实验性羊股骨骨折愈合过程的影像及组织学变化[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(7): 1066-1071.

Feng Li-ping, Yang Wei-qiang, Ding Tong, Zhang Fu-mei, Jiang Zhen-gang, Wang Pei-shan. Imaging and histological changes of the healing process of experimental sheep femoral fracture using different fixation methods [J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(7): 1066-1071.

图/表（结果） 5

2.1 实验动物数量分析 纳入山羊32只，均进入结果分析32只，各组山羊存活良好，伤口无红肿及脓液渗出，无坏死组织出现。

2.2 股骨形态学观察 32只山羊均成功构建股骨骨折模型，所有山羊麻醉清醒能够正常饮食，无伤口感染、液体渗漏，愈合良好，未出现明显排斥反应，所有动物均未出现股骨畸形及反常活动。

2.3 各组骨折处X射线形态 术后4周实验组骨折断端骨折线清晰，断端连接紧密，少量骨痂出现，对照组骨折断端骨折线清晰，断端无骨痂形成；术后8周两组动物骨折线逐渐模糊，实验组骨折端由板层骨代替，对照组骨折断端骨附少许骨痂形成；术后12周两组骨折基本愈合，骨折线消失，两组无明显区别。取出内固定物后发现，实验组术中见骨折端周围骨痂形成，接骨板有少量或无骨痂覆盖，对照组接骨板见大量骨痂覆盖，见图1。

2.4 两组动物CT检查结果比较 随着治疗时间延长，两组动物术后4-12周CT值和骨痂横截面积值逐渐升高，且与对照组比较，实验组动物在术后4，8，12周CT值和骨痂横截面积值均显著升高(P < 0.05)，实验组动物在术后4，8，12周骨髓腔直径和骨皮质厚度值无明显变化，对照组动物在术后4，8，12周骨髓腔直径逐渐增加，而骨皮质厚度值逐渐降低，且对照组在术后8，12周骨髓腔直径显著高于实验组，而骨皮质厚度值显著低于实验组(P < 0.05)，见表1-4。

2.5 各组病理组织学检查结果 术后4周对照组以成纤维细胞和成软骨细胞为主，未见明显骨小梁形成，实验组以成骨细胞数量多，软骨细胞活跃，初级骨小梁形成，同时有少量纤维骨痂形成，术后8周对照组骨折线仍较明显，髓腔内有纤维骨痂形成，出现新生骨组织，新生骨小梁分布无规则，稀疏，髓腔内可见破骨细胞和成骨细胞，实验组髓腔内出现骨小梁和骨性骨痂形成，越接近皮质骨，骨痂密度增加，哈弗氏管系统逐渐形成。术后12周，对照组骨折线吻合，骨痂密度不均，排列错乱，髓腔内纤维骨痂致密，少部分稀疏，实验组骨折线吻合，主要以成熟骨小梁为主，骨密度增高，大部分纤维骨痂被吸收，髓腔再通，形成成熟哈弗氏管系统，见图2。

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引言

骨折是骨结构因内力或外界暴力作用引起的连续性完全或部分断裂，常见于儿童及老年人，中青年人也时有发生^[1]。而骨折愈合是骨组织原始连续性重建的过程，是极其复杂的细胞组织学修复过程，局部力学环境、生物学环境等因素在骨折愈合过程中具有重要作用，会导致不同的骨折愈合方式^[2-3]。

Muller等^[4]在20世纪60年代瑞士内固定研究学会(The Association for the Study of Internal Fixation，AO/ASIF)中提出骨折固定的AO治疗原则为“骨折断端解剖复位，坚强内固定，应用无创外科操作技术、早期主动无痛功能锻炼”很好的促进了骨折内固定技术的发展。但有学者指出，AO技术仅仅强调骨折解剖复位、加强内固定，常对骨生物学特性关注不够，容易破坏骨的血液循环，患者术后容易出现骨不连、伤口感染、固定段骨折疏松和再骨折等并发症^[5]。而随着Gerber等生物学固定(BO)理念的提出，强调骨折治疗应当重视骨的生物学特性，不破坏骨生长发育的外界环境，主张间接复位法，不强求骨折解剖复位，但关节内骨折需要解剖复位，BO理论的提出对骨折处软组织保护气道保护作用，缩短了骨折愈合时间，减少骨折不愈合、再骨折和感染的发生率^[6]。

目前主要采用金属内固定接骨板对骨折断端进行固定，其中生物学内固定器械主要有：①微创接骨板，锁定加压接骨板、点接触钢板和有限接触钢板等^[7]；②带锁髓内钉，不仅能够起到坚强固定的作用还可以控制纵向切线和旋转移位，主要用于长骨干骨折^[8]；③外固定架，能够保护骨折端血供，广泛用于软组织条件较差或开放性骨折^[9]。其中金属板内固定材料具有强度大、手术固定简单、具有一定可塑性和易保存等特点，在治疗骨折方面受到广泛应用^[10]。

随着影像学技术不断发展，对骨折生物力学认识更加深入，金属接骨板固定存在一定遮挡效应，不利于骨折愈合过程过程中生物力学传递和骨改建，部分患者可能出现骨折不愈合、骨缺损或再次手术植骨等风险，增加了患者痛苦和医疗费用^[11]。研究显示，组合式应力活动接骨板在固定骨折部位具有良好稳定性，同时能够克服金属板应力遮挡作用，有效促进骨折愈合^[12]。

实验通过构建山羊股骨骨折活体模型，利用不重叠组合式可变力接骨板进行动物实验，探讨其治疗山羊股骨骨折的可行性和效果，旨在为后期临床应用提供实验依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 随机对照动物实验。

1.2 时间及地点 于2016年12月至2017年9月在新乡市中心医院动物中心实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 实验动物健康成年山羊32只，雌雄不限，羊龄11-15个月，体质量(16.2±2.1)kg，动物许可证号：SYXK(豫) 2016-0001。羊适应性喂养1周后进行实验，饲养期间饲料及饮水自由，实验过程动物处置符合伦理学要求。

1.3.2 实验药品和器材盐酸氯胺酮注射液(福建古田药业有限公司，国药准字H35020148，规格：2 mL∶0.1 g)，盐酸异丙肾上腺素注射液(上海禾丰制药有限公司，国药准字H31021344，规格：2 mL∶1 mg)，地塞米松磷酸钠注射液(福建省泉州海峡制药有限公司，国药准字H35021358，规格：1 mL∶5 mg)，盐酸多巴胺注射液(上海禾丰制药有限公司，国药准字H31021174，规格：2 mL∶20 mg)，硫酸阿托品注射液(上海禾丰制药有限公司，国药准字H31021057，规格：2 mL∶10 mg)，呋塞米注射液(河南润弘制药股份有限公司，国药准字H41020310，规格： 2 mL∶20 mg)。

1.3.3 植入物采用IrCr18NiaT不锈钢制成组合式可变应力接骨板和普通直型钢板。

组合式可变应力接骨板：由太原钢厂生产的IrCr18NiaTi用于长骨干的不锈钢板；其结构由固定板和稳定板组成，固定板套在稳定板内并可在其中滑动，且两者相对应有6个螺孔，产品标准：材料为Ti6Al4V钛合金，非灭菌包装。

普通直型钢板：直型钢板的尺寸与接骨板相同，材料具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械性能。

1.4 实验方法

1.4.1 动物模型建立和分组干预所有实验动物在速眠新注射液进行麻醉，麻醉成功后侧卧固定于手术操作台，备皮，消毒铺巾，于呼吸机辅助呼吸，与无菌条件下进行手术操作，取骨外侧纵行切口，逐层切开皮肤，皮下组织，小心剥离周围软组织，从肌间隙进入显露羊股骨，用骨锯将右侧股骨中断截骨，术后动物存活，且截骨完全，提示成功构建山羊横行股骨骨折动物模型。32只山羊按照不同修复方式按随机数字表法分为组合式可变应力接骨板组(实验组)和普通直型钢板组(对照组)，每组16只，置入组合式可变应力接骨板或普通直型钢板固定后，依次缝合伤口，术后每天给予常规抗炎抗感染治疗，术后1周后下地活动，术后2周拆除伤口缝线。

1.4.2 一般情况观察两组动物骨折固定后观察动物肢体活动情况、进食和伤口愈合及术后拆除外固定后动物行走情况。

1.4.3 X射线检查修复后分别于第4，8，12周分批处死动物，取出股骨、剔除软组织，对骨折愈合部分进行X射线摄片检查，采用SFSO-IBY医用X射线诊断机(岛津X射线机，日本)，条件固定在90 cm，50 kV，45 mA，0.155(侧位)和0.25(正位)，观察内固定位置及骨折愈合情况。

1.4.4 炫速CT检查通过分析第4，8，12周两组动物股骨组织中髓内骨痂的密度CT值，髓内骨痂横截面积值，评估骨折愈合情况，同时通过测量钢板下面骨皮质厚度及髓腔直径的变化，评估本钢板的应力遮挡效应。

1.4.5 病理组织学检查取第4，8，12周双侧股骨标本，沿冠状面正中锯开，体积分数10%中性甲醛缓冲液固定 24 h，体积分数5%硝酸液脱钙两三天后再放入稀释氨水 1 h，流水冲洗24 h，直至大头针容易刺入。采用浓度梯度乙醇进行脱水处理，二甲苯透明，石蜡包埋，于病理切片机上切片制作成脱钙组织切片，二甲苯浸片脱蜡，水洗，采用常规苏木精-伊红染色，光学显微镜观察。每张切片在10×40倍视野下随机选取5个视野，计数视野内成骨细胞和破骨细胞数目，取平均数作为股骨骨折断端病理改变评价指标。

1.5 主要观察指标 ①两组动物股骨内固定4，8，12周X射线检查结果；②两组动物股骨内固定4，8，12周髓内骨痂的密度CT值、髓内骨痂横截面积值、髓腔直径、骨皮质厚度；③病理组织学检查结果。

1.6 统计学分析 采用SPSS 19.0统计学软件进行数据分析，对于符合正态分布数据采用x(_)±s进行表示，组间比较采用独立样本t 检验，组内多组时间点检验采用方差分析，计数资料采用百分数表示，组间比较采用卡方检验，以P < 0.05表示差异有显著性意义。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

骨折愈合是一个复杂生物学修复过程，容易受到各种因素(生物学、生物力学及骨折块间)影响，会导致骨折愈合时间和方式出现差异。生物学因素和机械力使影响骨折愈合成骨能力重要因素，其中生物学因素主要为骨折断端血供、细胞因子和与骨代谢相关激素等，机械学因素为骨折断端稳定性及骨折断端间隙大小，这些因素在骨折愈合过程中发挥着重要作用^[13-15]。研究显示，骨折断端未进行解剖复位或加压固定，容易发生骨折断端骨质吸收，骨折部位稳定性降低，从而出现接骨板松动，使骨折愈合延迟^[16-19]。林梁等^[20]研究表明，维持骨折断端充足血供能够促进骨折断愈合生物学过程，而骨折断端坚强固定能够减少骨痂形成过程中的机械刺激，徐可林等^[21]研究发现，在骨折断端实行弹性固定能够增加骨痂的形成，从而加速骨折愈合过程，缩短骨折愈合时间。接骨板内固定是目前临床上治疗长骨骨折的治疗手段之一，特别是对于关节内骨折、尺骨、桡骨等骨干骨折、长骨干骺端骨折及某些特殊条件下长骨干骨折，接骨板作为首选治疗方式得到广泛认可^[22]。

目前已有相关文献进行报道，组合式应力活动接骨板作为一种新型骨折内固定方式，在保护骨折局部血供及增强骨折愈合速度及提高愈合质量方面均优于传统接骨板^[23-25]。刘月驹等^[26]设计了一种组合式应力活动接骨板，发现该接骨板能够有效地克服应力遮挡作用，提高对骨折的治疗效果。范志航等^[27]研制的新型点式接触锁定加压接骨板在治疗四肢长骨骨折中取得满意临床疗效。实验通过汲取刚性接骨板中优点，在传统接骨板基础上进行改良，研制锁定、加压、生物性为一体的不重叠的组合式可变应力接骨板，主要由主副钢板、安装螺钉、紧固螺钉和加压螺钉构成，主副钢板通过紧固螺钉固定连接，能够使接骨板在骨折愈合不同阶段始终保持着闭锁状态，使骨折端始终保持紧密接触，促进骨折愈合^[28]。

实验通过采用骨锯构建山羊股骨骨折模型，是比较成熟骨折愈合固定系统的造模方式，首次通过设计组合式可变应力接骨板，根据其结构设计特点，并利用本接骨板的结构特点，将组合式可变应力接骨板置入山羊骨折模型活体中，并与通传统接骨板对股骨骨折模型进行固定进行对比，结果显示，术后4周X射线片显示实验组动物股骨骨折断端间隙均明显可见，而实验组动物断端间隙小于对照组，术后8周X射线片结果显示，两组动物股骨骨折断端间隙逐渐模糊，且实验组动物断端愈合程度要优于对照组，术后12周，两组动物股骨骨折断端基本愈合，且两组骨折断端间隙无明显区别，提示组合式应力活动接骨板组在骨折愈合早期其力学特性及组织学特性均优于对照组，组合式应力活动接骨板在骨折愈合过程中不仅仅起支撑作用，更能对骨折断端起持续加压作用，从而使骨折愈合愈合时间缩短。同时实验通过分析实验组和对照组的术后4-12周髓内骨痂的密度CT值、髓内骨痂横截面积值来评估骨折愈合情况，同时通过测量钢板下面骨皮质厚度及髓腔直径的变化，评估本钢板的应力遮挡效应，结果显示，两组动物术后4-12周CT值和骨痂横截面积值逐渐升高，且与对照组比较，实验组动物在术后4，8，12周CT值和骨痂横截面积值均显著升高，提示实验组的骨痂密度和骨痂量较对照组高，成骨形成较对照组快，而实验组动物在术后4-12周内骨髓腔直径和骨皮质厚度值无明显变化，对照组动物在术后4-12周内骨髓腔直径逐渐增加，而骨皮质厚度值逐渐降低，且两组在术后8-12周骨髓腔直径和骨皮质厚度差异显著，提示普通直型钢板存在应力遮挡效应，实验组钢板与对照组相比较未见明显的应力遮挡效应造成的骨质疏松，实验组的骨愈合过程优于对照组，这与前面X射线结果相一致。有研究表明，初始骨痂反应是骨折愈合的基本事件，而传统加压接骨板产生的强大应力遮挡效应抑制了骨痂生成反应^[29]。而实验中组合式应力活动接骨板克服了骨折愈合过程中所产生的应力遮挡效应，组合式应力活动接骨板很好继承了BO有限接触及锁定理念，其在促进骨生物学及机械力学上进行了改进，充分保护骨折断端血供上有明显优势，保证了骨折断端稳定的方式上与传统接骨板的绝对坚强固定方式不同，因而对骨折愈合的机械刺激也产生了变化，最终导致骨折愈合时间的加快，与近年来许多学者研究的结果一致，并力求达到“无干扰骨折愈合”的理想境界^[30]。而通过对病理学检查结果显示，术后4周对照组以成纤维细胞和成软骨细胞为主，未见明显骨小梁形成，实验组以成骨细胞数量多，软骨细胞活跃，初级骨小梁形成，同时有少量纤维骨痂形成，术后8周对照组髓腔内有纤维骨痂形成，出现新生骨组织，新生骨小梁分布无规则，稀疏，髓腔内可见破骨细胞和成骨细胞，实验组髓腔内出现骨小梁和骨性骨痂形成，哈弗氏管系统逐渐形成。术后

12周，对照组骨折线吻合，骨痂密度不均，排列错乱，髓腔内纤维骨痂致密，少部分稀疏，实验组骨折线吻合，主要以成熟骨小梁为主，骨密度增高，大部分纤维骨痂被吸收，髓腔再通，形成成熟哈弗氏管系统，实验组骨折断端愈合程度显著优于对照组，这可能与组合式可变应力接骨板能够对骨折愈合机械刺激产生变化有关，从而促进骨痂生成和哈弗氏管系统的形成，最终加速骨折愈合时间，这与刘磊等^[28]研究报道相一致。

综上所述，组合式可变应力接骨板为骨折断端早期愈合提供较稳定的力学环境，降低钢板应力遮挡效应，促进骨痂形成，从而有利于骨折愈合，考虑到受实验条件、研究对象和研究时间所限制，实验尚缺乏对骨折愈合后钢板取出后研究探讨，因此未来还需要进行进一步探讨研究。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

不同固定方式在实验性羊股骨骨折愈合过程的影像及组织学变化

Imaging and histological changes of the healing process of experimental sheep femoral fracture using different fixation methods

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