不同材质内植物混合使用对骨折愈合的影响

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.1726

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

内固定材料混合应用：通常在骨科手术中，针对同一患者，骨科医生会尽可能使用同一个厂家、同一种材质的内固定材料，但在一些特殊情况下，比如使用不锈钢丝捆扎蝶形骨片、髌骨骨折微创复位使用空心钉加钢丝进行内固定等情况，就无法避免不锈钢与钛合金的直接接触，目前对于这种不同材质的直接接触是否会影响骨愈合及加快内固定物本身的锈蚀尚无定论。

弹性模量：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系(即符合胡克定律)，其比例系数称为弹性模量。在骨科常用的内固定材料中，钛的弹性模量最接近骨，可在形同受力情况下产生与骨基本相同的形变，这一点使得骨折完成内固定后避免局部应力过于集中有积极作用。

背景：不锈钢和钛合金作为在骨科手术中应用最多的2种内植物材料，在临床应用中常不可避免的相互混搭接触，但有关内固定联合应用对周围组织干扰情及骨折愈合影响的研究较少。

目的：观察评价不同材质内植物(不锈钢、钛合金)单纯及混合使用对骨折周围组织炎性反应及骨愈合的影响。

方法：取24只新西兰大白兔(包头医学院第一附属医院骨科动物实验室提供)，截骨制作胫骨骨折模型，随机分4组干预，每组6只：A组以不锈钢接骨板及不锈钢螺钉内固定，B组以不锈钢接骨板及钛钉内固定，C组以钛接骨板及钛钉内固定，D组以钛接骨板及不锈钢螺钉内固定。术后6，12周，取出实验胫骨标本，进行X射线和组织学检查。

结果与结论：①苏木精-伊红染色：术后6周，各组内植物周围标本均有中等量的炎性细胞浸润，以淋巴细胞为主，伴有少量中性粒细胞，可见毛细血管及纤维细胞；术后12周，各组标本淋巴细胞数量减少，偶可见巨噬细胞和中性粒细胞，接骨板表面纤维膜厚度较术后6周时明显减小；术后不同时间点各组间差异不明显；②X射线检查：术后6周，各组骨折复位良好，内固定物在位，仍可见骨折线，但已模糊，骨折线及内植物周围未见明显骨痂形成，各组间差异不明显；术后12周，各组骨折线已不可见，内固定在位，因内固定遮挡，骨痂未能满意显示；去除内固定后，沿内固定边缘可见骨痂形成，原骨折断端亦有明显骨痂形成，各组间差异不明显；③结果表明：在动物实验中，混合使用不同材质(不锈钢及钛)内植物进行骨折内固定，不会引起严重炎性反应，不影响骨折愈合速度。

ORCID: 0000-0002-1095-0021(吕国栋)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 内固定, 不锈钢, 钛合金, 螺钉, 接骨板, 内植物, 混合使用, 骨愈合, 骨折愈合

Abstract:

BACKGROUND: As the two most commonly used implant materials in orthopedic surgery, stainless steel and titanium alloy, are inevitably to contact with each other in clinical application. But the effect of the combined application of internal fixation on peripheral tissue disturbance and fracture healing is rarely reported.

OBJECTIVE: To observe and evaluate the effects of simple and mixed use of different materials of implants (stainless steel and titanium alloy) on inflammatory response and bone healing in the surrounding tissues of fractures.

METHODS: Twenty-four New Zealand white rabbits (provided by the Animal Lab of the First Affiliated Hospital of aotou Medical College of Inner Mongolia University of Science & Technology) were selected to establish the model of tibial fracture. The rabbit models were randomly divided into four groups, and underwent internal fixation with stainless steel plate and screw (group A), stainless steel plate and titanium screw (group B), titanium plate and screw (group C), or titanium plate and stainless screw (group D). The tibia specimens were removed at 6 and 12 weeks after surgery for X-ray and histological examinations.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Hematoxylin-eosin staining: at 6 weeks after surgery, all the specimens around the plants in each group had medium amount of inflammatory cell infiltration, with abundant lymphocytes, few neutrophils, and visible capillaries and fibrous cells. At 12 weeks after surgery, the number of lymphocytes in each group was decreased, with occasional macrophages and neutrophils. The thickness of the fibrous membrane on the surface of the bone plate was decreased significantly compared with that at 6 weeks after surgery. There was no significant difference between groups at different time points after surgery. (2) X-ray results: at 6 weeks after surgery, the fracture reduction was good in each group, the position of internal fixators was good, and the fracture line was blurred. No obvious callus formation was observed on the fracture line and around the implant, and no significant difference was found among groups. At 12 weeks after surgery, the fracture lines in each group disappeared. The internal fixators were in good position, and the callus could not be revealed well due to internal fixator covering. After removal of internal fixators, callus formation was observed along the edge of fixed part, and obvious callus formation was observed at the fracture end of the original fracture. There was no significant difference among groups. (3) These results indicate that in animal experiments, the internal fixation of fracture with different materials (stainless steel and titanium) implants cannot cause severe inflammatory reaction and makes no effect on the speed of fracture healing.

Key words: internal fixation, stainless steel, titanium alloy, screw, plate, implants, mixed use, bone healing, fracture healing

中图分类号:

吕国栋. 不同材质内植物混合使用对骨折愈合的影响[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(18): 2812-2816.

Lü Guodong. Effects of mixed use of different materials of implants on fracture healing[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2019, 23(18): 2812-2816.

图/表（结果） 3

2.1 实验动物一般情况所有实验动物存活良好，饲养期间未发生意外死亡及实验肢体感染等情况，进食及活动正常，患肢于术后10 d拆除缝线，仍以石膏外固定维持保护至术后21 d，拆除石膏后可见患肢表现有轻度肌肉萎缩，正常活动4周后均后逐渐恢复正常。

2.2 大体观察结果处死动物后，解剖取得胫骨模型，大体观察见各组骨折端附近均有骨膜反应，并于12周时有明显钙沉积，内固定物周围有纤维膜形成包裹，4组中几乎所有内植物钉板接触处周围软组织内均有少量灰色斑片，类似人类手术后表现，考虑为钉板摩擦破坏氧化保护膜所致。在同组动物中，术后6周时薄膜相对较厚，12周时包裹薄膜明显较前变薄，而同一时期不同组之间的差异不明显。4组各个时期所取出内固定物均完整，表面光洁，未发现明显锈蚀，未发生断钉、断板现象，各组之间无明显差异。

2.3 组织学观察结果光镜高倍视野显示，在各组组内，术后6周与12周时炎性细胞浸润情况及包膜厚度存在差异：术后6周时，内植物周围有中等量的炎性细胞浸润，以淋巴细胞为主，伴有少量中性粒细胞，可见毛细血管及纤维细胞；12周时，淋巴细胞数量减少，偶可见巨噬细胞和中性粒细胞；同一时期，各组间差异不明显，见图2，表2。术后6周时，内固定接骨板表面纤维薄膜厚度为350 μm，12周时内固定接骨板表面纤维薄膜厚度变薄，降为260 μm，见表3。

2.4 X射线观察结果在骨折内固定后6，12周分别拍摄胫骨模型X射线片，其中12周时 X射线片已确认骨折线消失、骨折周围有骨膜反应及钙化，骨痂形成。结果显示，各组组内不同时期的影像学表现不同，但不同组同一时期之间的表现无明显差异。以C组(钛板+钛钉)及D组(钛板+不锈钢钉)为例说明：骨折内固定术后6周，C、D组骨折复位良好，内固定物在位，仍可见骨折线，但已模糊，骨折线及内植物周围未见明显骨痂形成，2组间差别不明显；骨折内固定术后12周，C、D组骨折线已不可见，内固定在位，因内固定遮挡，骨痂未能满意显示；骨折内固定术后12周，取出内植物后X射线片显示2组骨折复位满意，愈合好，骨折线不可见，内固定下方骨干表现为骨量减少，与人类术后表现同，考虑为钢板(钛板)压迫其下方骨质及应力遮挡所致，沿内固定边缘可见骨痂形成，原骨折断端亦有明显骨痂形成，见图3，2组之间无明显差异。

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引言

在骨科临床上尤其是在治疗骨折的手术中，经常会使用到内植物，其中最常使用的内植物材质是钛和不锈钢，这2种材料因其各自的弹性模量及组织相容性等方面的特点^[1]，在具体应用中有所偏重^[2-3]，其中钛的应用更为广泛^[4]。不锈钢在强度方面有明显优势，化学稳定性优良^[5]，同时在螺钉旋入时，可在手感上对术者进行提示，避免出现螺丝过度扭转^[6]。而钛的弹性模量更接近骨，但硬度弱于不锈钢，便出现了较少的应力遮挡和内植物相关的骨质疏松^[7]。在易于塑形方面的优势，使得钛板更容易在立体构型上与骨紧密帖覆，降低疲劳负载的残余应力，进而减少接骨板断裂失效风险^[8]。在手术过程中也经常会遇到不得已联合使用2种不同金属材质的内固定物的情况，例如粉碎性骨折钢板内固定后，偶尔需要捆扎部分蝶形骨片，如果没有钛缆，就面临不锈钢丝与钛板直接接触的情况。在髌骨横行骨折治疗中，常会采用闭合复位空心钉张力带内固定术，这时就不可避免地要同时使用钛钉和不锈钢丝^[9-11]，同样的情况发生在金属对金属的人工髋关节置换术上^[12]。通常临床所谈到的组合使用，或者称之为不同材质的内固定材料接触，是指发生在不锈钢和钛之间，目前比较广泛被接受的观点是，应尽可能避免2种不同的材质的内固定物同时使用及相互接触，认为不同活动性的金属接触后，在人体微酸环境下会出现电池效应^[13]，加速活性靠前的金属的蚀损^[14]。但也有人认为钛与不锈钢混和使用并不会出现严重蚀损。Rüedi等^[15]使用不锈钢和钛进行3种组合，得出的结果认为，不锈钢与钛联合用于骨折内固定时，可获得弹性更好的接骨板而不加大断钉的风险，并且动物实验形态学证据显示，单纯使用不锈钢与联合使用2种金属材料所得到的结果相似，均为“佳”，他们认为如果想利用钛板的优势(弹性模量、组织相容性等)，同时又想利用不锈钢螺钉的强度，选择联合使用2种内固定材料也许是可行和不增加风险的。Wächter等^[16]认为相对于使用钛钉，在钛板上使用不锈钢钉具有稳定性更强和更易于取出等优势。正是这种争论给骨科医生在实际操作造成了困扰。为明确这2种常用的内固定材料混合使用时的安全性，作者将钛与不锈钢不同的组合搭配分别用于骨折内固定，进行动物实验，观察其周围组织反应及对骨折愈合的影响，以期得出能够指导临床应用的结论。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

材料方法

1.1 设计对比观察动物实验。

1.2 时间及地点实验于2015年5至10月在包头医学院第一附属医院骨科动物实验室完成。

1.3 材料接骨板及螺钉均使用山东威高公司产品，规格为6孔接骨钢板、钛板(规格为：长42 mm，宽7 mm，厚 2 mm，螺孔直径2.2 mm)，钛螺钉及不锈钢接骨螺钉螺径2.0 mm，长度10-20 mm，见图1，经双层包裹，内置灭菌合格检验标签，送内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院供应室高温高压灭菌消毒后备用，进行手术建模时检查消毒标签合格。内植物材料介绍，见表1。

实验动物：7月龄健康新西兰大白兔24只，由包头医学院第一附属医院骨科动物实验室提供，体质量(2.0± 0.3) kg，雌雄不拘。将24只兔随机分为4组：A组以不锈钢接骨板及不锈钢螺钉内固定，B组以不锈钢接骨板及钛钉内固定，C组以钛接骨板及钛钉内固定，D组以钛接骨板及不锈钢螺钉内固定。动物实验经包头医学院医学伦理审查委员会批准，批准号：包医伦审2017第(029)号。

1.4 实验方法取24只兔，用3%水合氯醛按照3 mL/kg腹腔注射进行麻醉，15 min后手术。备皮后，常规消毒手术野、铺无菌巾，不使用止血带，每只兔在无菌操作下进行随机一侧胫骨微型摆锯截骨后，分别按照分组，以不同的接骨板、螺钉组合进行模拟骨折内固定手术，完成内固定后，于创腔内注射青霉素20×10⁴ U，逐层关闭切口。术后8 h内禁食水，石膏夹板外固定21 d保护患肢^[17]，分笼饲养，限制活动。术后每隔2 d换药1次并检视伤口，第10天拆除切口缝线^[18]。

1.5 主要观察指标术后6，12周时，分别以静脉空气注射方式处死各组兔3只，解剖出实验用胫骨，观察骨折愈合情况大体观，比较各组内植物周围包膜形成情况，切取紧贴钢板背侧(钉板结合处)的软组织样本，取样大小：3 mm× 3 mm×3 mm，用体积分数10%甲醛溶液固定后送病理教研室，由病理教研室进行蜡块包埋、切片，苏木精-伊红染色，切片交研究者进行观察、计数、统计。取样原则：每个样本的每个钉孔附近软组织取一张切片，随机观察4个视野，每个样本共24个视野，在高倍视野(400倍)下进行包括淋巴细胞、中性粒细胞、巨噬细胞在内的炎性细胞计数，取平均值。测量钢板表面纤维薄膜厚度。标本组织细胞学检查由包头医学院第一附属医院病理科协助完成。同时对模型胫骨拍摄X射线片并评价。

1.6 统计学分析使用SPSS 15.0进行统计学分析，数据以x(_)±s表示，组间比较采用方差分析和q 检验。

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讨论

不锈钢和钛合金作为在骨科手术中应用最多的2种内植物材料，在临床应用中常不可避免的相互混搭接触，比如钢板加捆绑钢丝。目前比较广泛接受的观点是，应尽量避免2种材料的互相混搭，理由是可能会因为在人体的微酸环境里，2种不同的金属接触会导致电池反应，导致一种金属材料被加速电解，出现锈蚀，进一步可能会影响骨愈合。AO组织就曾建议避免纯钛、钛合金、钴合金和不锈钢等材质的内植物之间的互相接触，认为在体液环境下不同材质金属接触后，电池效应会导致最不惰性(原文为“最不贵重”)的金属被电解、腐蚀，内植物可靠性降低^[19]，并可能会伴有钛、铬、镍、钼等金属的析出。但目前尚无可靠证据支持该论点，曾有研究认为，大多数金属材料作为内植物与不锈钢接触在临床上是不安全的^[20-21]；但同样的，也有一些研究未能证明不同材质金属内植物接触后增加了其锈蚀程度^[22-24]。近年来，有学者将钛与不锈钢的各种组合置于体外模拟体液环境伴微动，得出的结论是：钛与不锈钢联合应用所出现的离子析出情况，并不比使用一种材质进行内固定时更明显^[25]。而内固定联合应用的其他方面，比如：对周围组织的干扰情况、组合后对骨折愈合速度的影响、对骨折愈合质量的影响、在生存动物体内作为内植物的力学稳定性等，目前研究尚少。

作为评价内植物材料组织相容性的一种重要方法，将不同材质内固定物分别植入实验动物体内，模拟出在真实环境下各种内固定组合所引起的周围炎症反应及对骨折愈合的影响。内植物作为异物，最先引起的反应为早期内植物周围组织的急性炎症反应，之后炎症反应逐渐消退并因增生反应出现纤维囊壁包裹，后期急性、亚急性炎症反应消退，纤维包膜逐渐变薄，此过程需要两三个月的时间。在正常情况下，术后6周时软组织修复基本完成，3个月基本完成骨愈合，所以在此次研究中选择了6周和12周作为观察时机，在这2个时间点，各种内植物组合均表现出了良好的组织相容性，且在相同时期彼此间无明显差异，这与Acevedo等^[26]所做的回顾性研究的结论相符。

在手术实际操作中，有时很难避免同时使用2种材质的内固定物^[27]，但不同材质的内固定相互接触后是否会产生锈蚀、电解、离子析出、内固定稳定性下降等临床安全问题，目前尚无明确定论，说明内固定材料安全性的评价仍是一个长期的问题。此次研究发现不同材质的内固定材料组合使用，并未对骨折的愈合造成影响，甚至未能影响内固定物的外观或本身出现锈蚀，这其中的原因可能与内固定材料已经过预处理，本身有氧化层^[28]，使其实际接触有限有关^[29-30]。另外，未出现锈蚀的可能原因是：不锈钢和钛合金化学性质本就不活泼，属惰性，均很难被电解，即使有很确切的接触，例如加压拧紧螺钉后会同时破坏螺钉和接骨板的氧化层，造成2种金属的直接接触，仍然未出现电池反应。在钉板接触处附近软组织内出现的灰色斑块，与人类内植物取出后表现一致，有研究认为是钉板摩擦破坏氧化保护层引起，为临床常见^[31-32]。

综上所述，在实验周期(12周)内，不锈钢与钛合金组合应用未能引起或加重明显的周围组织炎症反应，骨折愈合进程未受到影响。

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