CN109452986A - 一种刚度可变的大鼠股骨外固定器促进骨折ⅱ期愈合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医学工程领域，特别涉及一种刚度可变的大鼠股骨外固定器促进骨折Ⅱ期愈合的方法。本发明所采取的技术方案为：（1）大鼠骨折模型制作后的0天~7天，为干细胞募集期，将刚度可变的大鼠股骨外固定器刚度调至12.7N/mm~15N/mm；（2）大鼠骨折模型制作后的8天~21天，为干细胞分化期，此期将固定器刚度增加至25N/mm~30N/mm；（3）大鼠骨折模型制作后的22天~35天，为成骨期，将固定器刚度调至50N/mm~56.2N/mm。该方法为提升骨折治疗水平，实现骨折治疗目标，提供了科学的理论依据和安全有效的治疗措施。

Description

一种刚度可变的大鼠股骨外固定器促进骨折Ⅱ期愈合的方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，特别涉及一种刚度可变的大鼠股骨外固定器促进骨折Ⅱ期愈合的方法。

背景技术

骨折愈合形式有Ⅰ期愈合和Ⅱ期愈合两种。其中Ⅱ期愈合有大量骨痂形成，是骨折理想的愈合形式，也是临床向往的治疗结果。长期以来，大量研究结果证明，应力是调节骨折Ⅱ期愈合最重要的因素之一，并探讨了应力调节骨折愈合的机制与方法。由于研究方法多选择单一应力形式，并不符合临床患者骨折断端承受综合应力的情况，很多研究结果很难应用于临床指导骨折的治疗。骨折在愈合过程中，实际上骨折断端大都同时承受侧方位移、轴向挤压、弯曲、旋转等多种应力作用，而且这些应力处于动态变化过程中。在骨折完成复位与固定以后，肢体康复应力成为影响骨折断端应力的最大可变因素。康复应力具有两个重要的作用。一是调节骨折断端应力影响骨折愈合，二是恢复关节和肢体功能。这两个作用直接决定着骨折治疗的最终效果。由于康复过程的随意主观性、骨折固定的复杂性，以及固定稳定性的不确定性，至今骨折康复依然被业内认为是骨折治疗最难掌握的治疗技术。如何针对不同骨折个体进行适度康复，既能促进骨折愈合又能恢复肢体功能，一直是骨科临床亟待解决的难点问题。

发明内容

本发明的目的是通过组织学与分子生物学相结合的研究，提出了促进骨折二期愈合的“三个调节”方法，该方法为提升骨折治疗水平，实现骨折治疗目标，提供了科学的理论依据和安全有效的治疗措施。

为实现上述发明目的，本发明所采取的技术方案为：

一种刚度可变的大鼠股骨外固定器促进骨折Ⅱ期愈合的方法，采用以下步骤：

（1）大鼠骨折模型制作后的0天~7天，为干细胞募集期，将刚度可变的大鼠股骨外固定器的刚度调至12.7N/mm~15N/mm固定骨折断端；

（2）大鼠骨折模型制作后的8天~21天，为干细胞分化期，将刚度可变的大鼠股骨外固定器的刚度增加至25N/mm~30N/mm；

（3）大鼠骨折模型制作后的22天~35天，为成骨期，将刚度可变的大鼠股骨外固定器的刚度增加至50N/mm -56.2N/mm。

所述刚度可变的大鼠股骨外固定器包括刚度调节杆、横梁和钢针；所述刚度调节杆包括左支杆和右支杆，所述右支杆外部配合有可沿右支杆旋动的螺母，所述左支杆和右支杆之间连接有柔性杆，所述柔性杆外部套装有弹簧，所述弹簧的其中一端与左支杆的右端接触，所述弹簧的另一端与螺母的左端接触；所述左支杆与左横梁固定连接，所述右支杆与右横梁固定连接，所述左横梁和右横梁分别连接有钢针，所述钢针凸出于左横梁和右横梁的下端。

优选地，所述刚度可变的大鼠股骨外固定器刚度为12.7N/mm-56.2N/mm。

优选地，所述刚度可变的大鼠股骨外固定器是由4枚钢针、固定钢针的四块横梁和连接横梁的刚度调节杆组成；所述钢针直径1mm；所述横梁的材料为高分子聚乙烯医用材料，不遮挡x光线；由2枚钛合金微型螺钉固定。

优选地，所述横梁的长、宽、高分别为10mm、5.5mm、6mm；所述钛合金微型螺钉的直径为2.6mm。

优选地，所述大鼠骨折模型的建立方法，其特征在于，步骤为：

（1）建模前动物处理

大鼠称重后戊巴比妥钠40mg/kg腹腔注射麻醉，手术侧股骨去毛备皮。消毒铺巾，手术在严格无菌条件下进行；

（2）使用刚度可变的大鼠股骨外固定器建立模型

从股骨外侧切口，自外侧肌间隙暴露股骨，首先放置刚度可变的大鼠股骨外固定器，自股骨小粗隆至股骨髁上跨越股骨全长，固定完成后，可变刚度组和不变刚度组大鼠均在内侧2个固定钢针之间用厚度1mm的微锯横行切断股骨；冲洗刀口，用可吸收线缝合肌肉组织，用不可吸收线缝合皮肤；手术后3天将大鼠的饮用水中加入12mg/500ml的盐酸曲马多，手术前30min及手术后3天皮下注射45mg/kg的克林霉素；手术完成后，即可让大鼠自由活动，每天钢钉处皮肤常规消毒。

优选地，模型评价方法为：

（1）大体观察：观察大鼠术后存活情况，刀口及针道是否存在感染，术后六周，观察骨折愈合情况；

（2）组织学观察：以大鼠股骨骨折端为中心截取10mm骨折标本，用10%甲醛药液固定，脱钙液脱钙至松软，标本酒精脱水，二甲苯透明，Leica RM2245型切片机顺骨痂处股骨纵轴切片，制成5微米厚切片，HE染色，中性树胶封片，在光镜下行组织学观察；

（3）健侧与模型侧骨质CT数：采用东芝Aquilcom ONE 320排CT,KV80，mAs17,转速0.3s，测量健侧股骨与造模侧股骨皮质和髓腔对应部位的CT数；

（4）股骨干标本直径测量：用游标卡尺分别测量两组大鼠造模侧股骨干直径，每个股骨干测量3处，分别在中间骨痂最粗处和股骨干上、下四分之一处；

（5）统计学分析：采用SPSS17.0统计软件进行分析。实验数据均以均值±标准差表示，计量资料采用t检验。以P＜0.05为差异有显著性意义，P＜0.01差异有非常显著性意义。

本发明通过组织学与分子生物学相结合的研究方法，探讨了定量应力影响骨折愈合的分子机制，根据研究结果提出了促进骨折二期愈合的“三个调节”：（1）发现了干细胞募集、分化与成骨三期核心变化与变化的时点——定时（适时调节）；（2）发现了诱导干细胞三期变化的适宜应力存在差异的特点——定量（精准调节）；（3）明确了应力调节软骨细胞分化的时间和软骨成骨与周围膜内成骨的关系——定向（定向调节）。

“三个调节”为建立量化量变的骨折康复模式提供了重要的理论依据与康复量化数据。为探讨一种刚度分期量变的大鼠股骨外固定支架促进骨折Ⅱ期愈合的方法的作用，我们根据“三个调节”的应力特点与技术要求，设计制作了刚度可变的大鼠股骨外固定器进行了刚度分期量变促进骨折Ⅱ期愈合的实验研究。刚度可变的大鼠股骨外固定器可以实现从低刚度到高刚度的量变调节，分别在干细胞募集、分化、成骨三个变化时点进行定时、定量、定向调节，通过刚度可变的大鼠股骨外固定器刚度变化先后建立适应骨折愈合三期生物学反应要求的生物学环境。我们应用刚度可变的大鼠股骨外固定器建立大鼠股骨骨折模型，探讨“三个调节”促进大鼠股骨骨折Ⅱ期愈合的疗效。研究结果表明，这种定时、定量、定向的调节措施，对促进骨折Ⅱ期愈合有了突破性进展。

有益效果

（1）本发明通过研究应力募集干细胞方法，形成了“三个调节”促进骨折愈合的方法，该方法通过募集更多数量的干细胞、调节软骨细胞分化促进周围膜内成骨，以及软骨成骨与膜内成骨协同促进作用，从而骨痂生长速度更快、骨折愈合质量更高。

（2）本发明的刚度可变组大鼠股骨直径较刚度不变组和健侧均存在非常显著性差异，本发明采用的方法新生骨痂中膜内成骨与软骨成骨均高质量完成，没有软组织与软骨的存在。

（3）本发明的方法可以通过量化量变康复应力，控制调节骨折断端的应力变化，既能促进骨折愈合，同时恢复关节功能，为提升骨折治疗水平，实现骨折治疗目标，提供了科学的理论依据和安全有效的治疗措施。

附图说明

图1为刚度可变的大鼠股骨外固定器；图中：1、左连接块，2、左支杆，3、弹簧，4、螺母，5、右支杆，6、右连接块，7、连接螺钉，8、右横梁，9、钢针，10、骨管，11、螺钉，12、左横梁；

图2刚度可变组和刚度不变组大鼠股骨直径和健侧；图中A为 刚度可变患侧，B为刚度可变健侧，C为刚度不变患侧；

图3中A为刚度不变组周围膜内成骨情况；B为刚度不变组骨折断端软骨成骨情况；

图4中A为刚度可变组周围膜内成骨情况；B为刚度不变组骨折膜内成骨情况断端成骨情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法进行具体说明。

1 材料与方法

1.1 刚度可变的大鼠股骨外固定器 由4枚钢针（选用意大利Orphfix产品）、固定钢针的四块横梁和连接横梁的刚度调节杆组成。钢针直径1mm。大鼠量变支架横梁材料为高分子聚乙烯医用材料，其刚度、弹性、韧性均符合生物力学要求，且具有不遮挡x光线的独特优势。大鼠量变支架四块横梁长、宽、高分别为10mm、5.5mm、6mm，由2枚直径2.6mm钛合金微型螺钉固定（钛合金螺钉购自强生公司）。经测试刚度可变的大鼠股骨外固定器的刚度可以在12.7N/mm至56.2N/mm的范围内调节。

1.2 动物模型与分组 实验用健康雄性SD大鼠18只，体重280-300g，由山东省医学科学院提供。随机分为2组。A组：刚度可变组；B组：刚度不变组，每组9只。

1.3 动物模型制作 大鼠称重后戊巴比妥钠40mg/kg腹腔注射麻醉，手术侧股骨去毛备皮。消毒铺巾，手术在严格无菌条件下进行。从股骨外侧切口，自外侧肌间隙暴露股骨，首先放置外固定器，外固定器自股骨小粗隆至股骨髁上跨越股骨全长。固定完成后，刚度可变组和刚度不变组大鼠均在内侧2个固定钢针之间用厚度1mm的微锯横行切断股骨。冲洗刀口，用可吸收线缝合肌肉组织，用不可吸收线缝合皮肤。手术后3天将大鼠的饮用水中加入镇痛药盐酸曲马多（12mg/500ml），手术前30min及手术后3天皮下注射克林霉素（45mg/kg），防止细菌感染。手术完成后，即可让大鼠自由活动。每天钢钉处皮肤常规消毒。

1.4“三个调节”促进骨折愈合的方法

1.4.1 大鼠骨折模型制作后的0天~7天，为干细胞募集期，此期选择柔性固定，刚度为12.7N/mm固定骨折断端微动增大，由于微动的刺激更有利于干细胞的募集。干细胞数量越多越有利于骨折愈合。

1.4.2大鼠骨折模型制作后的8天~21天，为干细胞分化期，将刚度可变的大鼠股骨外固定器的刚度增加至25N/mm，以减少骨折断端的微动范围，有利于干细胞向成骨细胞和软骨细胞分化，而且，适当延长微动的时间会促进周围膜内成骨，更有利于骨折Ⅱ期愈合。

1.4.3大鼠骨折模型制作后的22天~35天，为成骨期，主要是骨折断端软骨成骨过程。软骨成骨较软骨细胞分化需要更稳定的力学环境。此期适宜刚性固定，将刚度可变的大鼠股骨外固定器的刚度增加至56.2N/mm。

1.5观察指标

1.5.1 大体观察大鼠术后存活情况，刀口及针道是否存在感染，外固定架固定是否可靠。

1.5.2 组织学观察以大鼠股骨骨折端为中心截取10mm骨折标本，用10%甲醛药液固定，脱钙液脱钙至松软，标本酒精脱水，二甲苯透明，Leica RM2245型切片机（德国Leica公司生产）顺骨痂处股骨纵轴切片，制成5微米厚切片，HE染色，中性树胶封片，在光镜下行组织学观察。

1.5.3 健侧与模型侧骨质CT数测量采用东芝Aquilcom ONE 320排CT,KV80，mAs17,转速0.3s。测量健侧股骨与造模侧股骨皮质和髓腔对应部位的CT数。

1.5.4 股骨干标本直径测量用游标卡尺分别测量两组大鼠造模侧股骨干直径，每个股骨干测量3处，分别在中间骨痂最粗处和股骨干上、下四分之一处。

1.6 统计学处理文件数据采用SPSS17.0统计软件进行分析。实验数据均以均值±标准差表示，计量资料采用t检验。以P＜0.05为差异有显著性意义，P＜0.01差异有非常显著性意义。

2.结果讨论

2.1 大体观察

观察两组大鼠术后无死亡、无感染，一周后均能正常行走，活动自如。刚度不变组大鼠股骨干均骨性链接，但骨痂较少，较健侧股骨干直径无明显增粗，股骨干未见成角及其它移位。刚度可变组大鼠股骨干均显著增粗，而且增粗的范围较大，约占股骨干长度的三分之二。

2.2 组织学观察

术后5周，刚度不变组骨折愈合，周围新生骨痂链接骨折断端，骨痂中可见沿轴向排列的骨痂和大量活跃的骨细胞，骨折断端完成成骨，但骨痂结构较刚度可变组紊乱，其面积也小（图3）。术后5周，刚度可变组大鼠组织学表现较为丰富，大鼠股骨干均增粗骨性愈合，组织切片具有以下特点：①在股骨干增粗处均是新生骨，骨细胞较多且活跃，表现膜内成骨，新生骨痂按骨干纵轴排列整齐、均匀，骨痂面积较刚度不变组大；②骨折断端完成软骨成骨过程，骨痂结构均匀连续。（图4）。

2.3 健侧与模型侧骨质CT数比较

表1

与高刚度组比较*p＞0.05；**p＞0.05

2.4 股骨干标本直径测量

两组大鼠骨痂最大直径及其同侧股骨干直径平均值比较（见下表）

两组大鼠股骨干骨痂最大直径与股骨干直径平均值比较（x±s）

表2

组别	骨痂最大直径（mm）	股骨干直径平均值（mm）
			不变刚度组	4．3±0.1	4．5±0.1
可变刚度组	6．6±0.2*	5．7±0.2Δ

注*与刚度不变组比较，p＜0.01；Δ与刚度不变组比较，p＜0.05

3.讨论

在骨折完成复位固定以后，骨折断端的应力调节是影响骨折愈合的最重要因素之一。在康复应力作用下，骨折断端承受多方向的综合应力的作用。研究单方向应力对骨折愈合的影响并不符合骨折应力的实际情况。只有建立与临床患者骨折断端承受应力一致的动物骨折模型，研究结果才能指导临床确定适度的应力提供数据。我们在实验研究中发现了应力募集干细胞的方法，注意到了干细胞分化与成骨的应力差异，由此形成了“三个调节”促进骨折愈合的方法。并研制了可以实现“三个调节”的刚度可变的大鼠股骨外固定器。实验研究结果是刚度可变组较刚度不变组大鼠股骨直径和健侧均存在非常显著性差异（图2）。另外，组织学观察和CT数检测进一步表明新生骨痂中膜内成骨与软骨成骨均高质量完成，没有软组织与软骨的存在。这些研究结果表明“三个调节”通过募集更多数量的干细胞、调节软骨细胞分化促进周围膜内成骨，以及软骨成骨与膜内成骨协同促进作用，从而骨痂生长速度更快、骨折愈合质量更高。按照“三个调节”促进骨折愈合的方法，在临床骨折治疗中，可以通过两种方式达到“三个调节”促进骨折愈合的作用：①设计适宜人体不同骨折部位的刚度可变的骨折外固定器；②在外固定器刚度不变的情况下，可以通过分期量化量变康复应力，如同分期量变固定器刚度一样，调节骨折断端的应力变化。我们对分期量化量变康复应力的方法进行了临床研究，研究结果表明，这种分期量变康复应力的调节方法，既能促进骨折愈合，又能恢复关节功能。因此，“三个调节”为提升骨折治疗水平，实现骨折治疗目标，提供了科学的理论依据和安全有效的治疗措施。

Claims (4)

1.一种刚度可变的大鼠股骨外固定器促进骨折Ⅱ期愈合的方法，其特征在于，采用以下步骤：

（1）大鼠骨折模型制作后的0天~7天，将固定器刚度调至12.7N/mm~15N/mm固定骨折断端；

（2）大鼠骨折模型制作后的8天~21天，将固定器刚度增加至25N/mm~30N/mm；

（3）大鼠骨折模型制作后的22天~35天，将固定器刚度调至50N/mm ~56.2N/mm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刚度可变的大鼠股骨外固定器包括刚度调节杆、横梁和钢针；所述刚度调节杆包括左支杆和右支杆，所述右支杆外部配合有可沿右支杆旋动的螺母，所述左支杆和右支杆之间连接有柔性杆，所述柔性杆外部套装有弹簧，所述弹簧的其中一端与左支杆的右端接触，所述弹簧的另一端与螺母的左端接触；所述左支杆与左横梁固定连接，所述右支杆与右横梁固定连接，所述左横梁和右横梁分别连接有钢针，所述钢针凸出于左横梁和右横梁的下端。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大鼠骨折模型的建立方法，其特征在于，步骤为：

（1）建模前动物处理

大鼠称重后戊巴比妥钠40mg/kg腹腔注射麻醉，手术侧股骨去毛备皮，消毒铺巾，手术在严格无菌条件下进行；

（2）使用刚度可变的大鼠股骨外固器建立模型

从股骨外侧切口，自外侧肌间隙暴露股骨，首先放置外固定支架，外固定支架自股骨小粗隆至股骨髁上跨越股骨全长，固定完成后，刚度可变组和刚度不变组大鼠均在内侧2个固定钢针之间用厚度1mm的微锯横行切断股骨；冲洗刀口，用可吸收线缝合肌肉组织，用不可吸收线缝合皮肤；手术后3天将大鼠的饮用水中加入12mg/500ml的盐酸曲马多，手术前30min及手术后3天皮下注射45mg/kg的克林霉素；手术完成后，即可让大鼠自由活动，每天钢钉处皮肤常规消毒。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大鼠骨折模型评价方法为：

（1）大体观察：观察大鼠术后存活情况，刀口及针道是否存在感染，术后六周，观察骨折愈合情况；

（2）组织学观察：以大鼠股骨骨折端为中心截取10mm骨折标本，用10%甲醛药液固定，脱钙液脱钙至松软，标本酒精脱水，二甲苯透明，Leica RM2245型切片机顺骨痂处股骨纵轴切片，制成5微米厚切片，HE染色，中性树胶封片，在光镜下行组织学观察；

（3）健侧与模型侧骨质CT数：采用东芝Aquilcom ONE 320排CT,KV80，mAs17,转速0.3s，测量健侧股骨与造模侧股骨皮质和髓腔对应部位的CT数；

（4）股骨干标本直径测量：用游标卡尺分别测量两组大鼠造模侧股骨干直径，每个股骨干测量3处，分别在中间骨痂最粗处和股骨干上、下四分之一处；

（5）统计学分析：采用SPSS17.0统计软件进行分析，实验数据均以均值±标准差表示，计量资料采用t检验，以P＜0.05为差异有显著性意义，P＜0.01差异有非常显著性意义。