脛骨骨折內固定治療大鼠股骨骨生物力學性能改變

骨組織對機械環境適應性好。當骨的正常負荷減弱或消失時,與外力負荷相對應的骨重建隨之發生,引起骨質萎縮、機械強度下降。長時間局部制動,缺乏應力刺激,如脊髓損傷、偏癱等,可以造成局部廢用性骨質疏松,骨密度(bonemineraldensity,BMD)和生物力學性能降低,骨折的危險性增加。脛骨骨折后,如果得不到有效固定,或制動時間過長,由于缺乏力學刺激傳導,股骨可能發生廢用性骨質疏松,機械性能下降;加之機體平衡能力下降易摔倒,容易發生二次骨折。然而脛骨骨折在有效固定后,對股骨力學刺激的缺乏是暫時的,脛骨骨折愈合、充分活動后將恢復力學刺激的傳導。因此,在脛骨骨折愈合之前的這個短暫時期內,股骨是否已經發生了骨質疏松?股骨BMD和力學性能變化與脛骨骨折愈合情況關系如何?有關脛骨骨折后股骨BMD和生物力學性能變化還沒有見報道。本文實驗通過制作大鼠脛骨骨折內固定模型,探討脛骨骨折后股骨BMD及生物力學性能的變化,以及其與脛骨骨折愈合情況的關系。1材料和方法1.1材料表面選用40只雌性四川大學華西實驗動物中心引進的3月齡清潔級SD大鼠,體質量(200±20)g,適應性喂養1周。1.2方法1.2.1大鼠骨髓內固定組將大鼠隨機分為手術組和對照組,每組20只。手術組大鼠在10%水合氯醛腹腔麻醉下,備皮消毒鋪巾,暴露右側膝關節及脛骨中段,用金剛砂盤(厚度0.2mm)導致右側脛骨中段開放性骨折,于脛骨斜坡處開口,插入直徑為1.0mm克氏針進行髓腔內固定,縫合創口。術畢置于大鼠專用飼養籠,連續3d以10萬U/d青霉素肌注預防感染。對照組大鼠未做任何處理。實驗期間給予充足的清潔飲水、攝食(飼料為華西醫科大學提供的標準鼠飼料)。室溫保持在(22±2)℃,人工控制室內照明,保持12h光照(8:00～20:00),12h黑暗(20:00～次日8:00)交替循環。1.2.3bmd的測定手術前和實行手術后第2、4、6、8、10和12周,用10%水合氯醛麻醉,用Lunar-iDXA型雙能X線骨密度儀(美國GE公司生產,由四川大學附屬華西第一醫院骨密度科提供)進行BMD測定,同時測量對照組。1.2.4小鼠骨髓和股骨干力學性能測試手術后第6和第12周分別處死10只手術組和10只對照組大鼠,取右側脛骨和股骨,剔除肌肉和筋膜,取出髓內針,用生理鹽水紗布、塑料封口袋包裹,放入-20℃冰箱保存,1個月內完成力學測試。測試時,將-20℃保存的脛骨和股骨常溫解凍,用AG-IS-20型萬能試驗機(日本,島津制作所)對脛骨和股骨干進行3點彎曲試驗(由四川大學建筑與環境學院生物力學實驗室完成)。將大鼠右側脛骨或股骨置于試驗機支座上,加載速度為1.0mm/s,跨距(L)為18mm。在脛骨骨痂或股骨正中間施加壓力載荷至斷裂,測試系統自動記錄載荷變形曲線,根據曲線即可得到股骨和脛骨在受彎情況下的彈性模量、最大載荷、彎曲剛度等生物力學指標。1.2.5小鼠股骨愈合過程中數據分析數據用百分率(%)和均數、標準差(x±s)表示,數據統計使用SPSS16.0軟件。用重復測量的方差分析檢驗脛骨骨折對股骨BMD是否有影響;用單因素方差分析分別比較實驗組和對照組內不同時間點股骨BMD的差異;用t檢驗比較同一時間點實驗組和對照組股骨BMD是否存在差異,以及比較6周和12周脛骨和股骨的力學性能差異;用相關分析對脛骨愈合情況(放射學愈合情況:不愈合=0,部分愈合=1,完全愈合=2;機械愈合情況不愈合=0,愈合=1)與脛骨力學性能之間、脛骨力學性能與股骨BMD及力學性能之間的相關性進行分析。2結果2.1骨骨折術后6周放射學愈合率圖1顯示了大鼠脛骨骨折術后6周和12周的X線觀察情況。10只大鼠脛骨骨折術后6周放射學愈合率為50%,2例為不完全愈合(20%),3例不愈合(30%);機械愈合率為70%,3例不愈合(30%);手術后12周,10只大鼠脛骨骨折的放射學愈合率和機械愈合率均為100%。2.2兩組大鼠bmd的比較大鼠脛骨骨折后股骨BMD的變化趨勢如圖2所示。經重復測量的方差分析發現,脛骨是否骨折對股骨BMD的變化有顯著影響(P<0.01),且不同測量時間的BMD值存在顯著差異(P<0.01)。用單因素方差分析進行組內比較,對照組內大鼠的股骨BMD隨時間變化有所增加,12周時高于0、2、4、6周(P<0.01);手術組內各個時間之間BMD存在差異,術后2、4、6周低于0、8、10、12周(P<0.05)。經t檢驗分析,手術組BMD與同時間對照組相比,0周時沒有統計學差異(P>0.05);2、4、6周時明顯低于對照組(P<0.01),8周時仍低于對照組(P<0.05),10、12周時與對照組相比無統計學差異(P<0.05)。術后2周和4周時BMD較對照組降低2.5個標準差以上。2.3術后12周各組大鼠術后12周時療效由圖3可見,術后6周右側脛骨和股骨的彈性模量、最大載荷和彎曲剛度均低于術后12周時(P<0.01,P<0.05)。由圖4可見,術后6周右側股骨彈性模量、最大載荷和彎曲剛度與對照組相比降低(P<0.05),術后12周與對照組相比無統計學差異(P>0.05)。2.4鞋被小鼠bmd和股骨bmd的相關分析結果術后6周脛骨骨折愈合情況與脛骨力學性能的相關分析結果見表1。脛骨的放射學愈合情況與脛骨的各項力學性能高度正相關(P<0.05),機械性愈合情況與脛骨的各項力學性能高度正相關(P<0.01)。脛骨力學性能與股骨BMD和股骨力學性能的相關分析結果見表2。脛骨的各項力學性能與股骨BMD高度正相關(P<0.001);脛骨的各項力學性能與股骨的股骨各項力學性能高度正相關(P<0.001)。3骨髓炎與股骨bmd本研究根據廢用性骨質疏松的發病機制,提出脛骨骨折后,股骨可能發生廢用性骨質疏松的假設。廢用性骨質疏松是由于運動能力受限或功能障礙而引起骨礦含量減少所致的骨質疏松。局部的骨質疏松與肢體的負荷有直接的關系,骨骼生長發育遵循Wolff定律:生長對機械應力總是以對他最有利的結構性反應產生形態改來適應。由于患肢長期制動,其受到的有效應力刺激減少,使成骨活動減弱,骨吸收活動增強;久之會表現為明顯的廢用性骨質疏松,身體平衡及協調和對外界的保護性反應降低,骨折危險性增加。脛骨骨折后,股骨由于缺乏脛骨傳導的力學刺激,有可能發生廢用性骨質疏松。期間若保護不當,可能造成二次骨折,延長愈合時間,增加患者痛苦。因此有必要研究脛骨骨折后股骨是否發生了骨質疏松。本實驗采用的大鼠骨折模型是開放性骨折模型,與閉合性骨折模型相比,實驗條件容易控制,直視下截骨具有定位準確、切斷方法方便、內固定方法牢固、可靠的優點,樣本的一致性和可比性較高。大鼠開放性骨折的機械性愈合時間一般在5～6周左右,此時已有骨痂形成,可以做力學測試,但是力學傳導功能沒有完全恢復。骨折放射學愈合時間一般在8～12周,也就是骨折愈合晚期,此時為骨痂改建階段。12周左右骨性骨痂已形成,基本完全恢復力學傳導功能。因此,選擇術后6周和12周作為力學性能的觀察時間點。雙能X線檢測法允許在麻醉的生活狀態下進行BMD檢測,選用密集的時間點(術前,術后2、4、6、8、10、12周)動態觀察股骨BMD的變化,可以實現同一個體的重復測量,減少個體差異。大鼠股骨的BMD和力學性能隨鼠齡變化,成年大鼠股骨的BMD和力學性能高于未成年大鼠,6個月時處于較穩定狀態,12個月以后發生增齡性骨質疏松,BMD和力學性能下降。本實驗所選大鼠為12周大的剛剛成年的年輕大鼠,其BMD和力學性能仍然處于增加狀態。為消除年齡因素對股骨BMD和力學性能的影響,在每個時間點都設了正常對照組。另外,試驗設計中沒有用左側股骨作為對照組,是考慮到左側股骨有可能發生代償性的BMD和力學強度增加,因此用空白組作為對照,才能說明右側股骨相對于正常股骨確實發生了骨質疏松,而不是相對于對側而言。本實驗使用的雙能X線骨密度儀檢測是目前臨床上最常用的檢測BMD的方法,靈敏度與精確度較高,測定值已被世界衛生組織(WHO)定為骨質疏松診斷的金標準。本實驗3點彎曲生物力學實驗檢測了股骨的彈性模量、最大載荷、彎曲剛度等生物力學性能的變化,他們能反映出骨的材料性能、結構力學性能等骨質量的變化。本實驗發現,脛骨是否骨折對股骨BMD的變化有顯著影響,而且不同測量時間的股骨BMD有顯著差異。脛骨骨折早期(2、4、6周),股骨BMD明顯低于其他測量時間;術后2周和4周時較對照組降低了2.5個標準差以上,發生了骨質疏松。骨質疏松的癥狀之一是力學性能下降,易發生骨折。實驗中發現手術后6周時右側股骨生物力學性能指標均較對照組降低(P<0.05),符合骨質疏松的表現?？梢哉J為大鼠脛骨骨折早期,同側股骨發生了廢用性骨質疏松。相關分析結果表明,骨折后6周脛骨愈合情況與脛骨力學性能密切相關;脛骨力學性能與股骨BMD、股骨力學性能密切相關,其因果關系可表示為:脛骨愈合情況→脛骨力學性能→股骨BMD和股骨力學性能。脛骨愈合情況決定了脛骨力學性能;脛骨的力學性能代表其傳導力學刺激的能力,脛骨的力學傳導功能與股骨的骨質量相關,失去力學刺激,股骨發生適應性骨小梁微結構和密度的變化,BMD下降;而BMD與骨的力學性能相關,可以作為預測骨質疏松骨的力學性能的指標之一。因此,脛骨愈合情況與股骨BMD和力學性能密切相關。從實驗的檢測時間來看,術后6周時,脛骨的愈合情況較差,力學性能低,同時股骨的BMD和力學性能下降,發生了骨質疏松;術后12周時,脛骨已完全愈合,力學性能提高,此時股骨的BMD和力學性能恢復正常,骨質疏松狀態消失。這說明脛骨的愈合情況與股骨的骨質疏松狀態密切相關。本實驗結果得出兩個主要結論:脛骨骨折早期,同側股骨發生了廢用性骨質疏松;股骨的BMD和力學性能恢復與脛骨的愈合情況密切相關。實驗結果提示,在臨床上,不應只注重骨折的手術、固定等治療,還要注重骨折恢復期的康復過程。預防和治療局部的廢用性骨質疏松,是骨折整個治療過程中的一個重要環節。要預防骨質疏松的發生,必須正確處理骨折部位固定與功能鍛煉的關系,使患肢能早期活動。堅強的骨折內固定,可免除石膏外固定或縮短外固定的時間;通過早期進行功能鍛煉,減少廢用性骨質疏松的發生和程度。1.2.2放射學愈合率測定手術后第