成人脛骨近端骨缺損的生物力學(xué)特征*

李繼鋒，劉　濤，張　迪，李志磊，于　磊,鎬英杰#

1)河南大學(xué)淮河醫(yī)院骨科 開封 475000　2)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科 鄭州 450052

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成人脛骨近端骨缺損的生物力學(xué)特征*

李繼鋒1)，劉濤2)，張迪2)，李志磊2)，于磊2),鎬英杰2)#

1)河南大學(xué)淮河醫(yī)院骨科 開封 4750002)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科 鄭州 450052

脛骨近端；骨腫瘤；骨缺損；生物力學(xué)

目的：研究成人脛骨近端骨缺損的生物力學(xué)特征，為臨床是否選用內(nèi)固定提供依據(jù)。方法：選擇21具新鮮成年人下肢標(biāo)本，其中男性12具，女性9具。將42只脛骨標(biāo)本制成脛骨平臺(tái)負(fù)重區(qū)骨缺損模型，隨機(jī)分為7組，分別為A1、A2、A3、B1、B2、B3和C組，每組6只。A1、A2、A3組制成脛骨近端內(nèi)側(cè)圓形骨缺損，直徑分別為10、15、20 mm。B1、B2、B3組制成脛骨近端外側(cè)圓形骨缺損，直徑分別為10、15、20 mm。C組脛骨標(biāo)本不作處理，為正常對(duì)照組。分別對(duì)其進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試，行軸向壓縮、三點(diǎn)彎曲及扭轉(zhuǎn)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果：A1、A2、B1、B2、C組脛骨平臺(tái)均無塌陷，A3、B3組分別出現(xiàn)1例脛骨平臺(tái)塌陷。各組中脛骨標(biāo)本物理特性的比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。A2、A3和B3組的軸向壓縮剛度、三點(diǎn)彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度較C組降低(P<0.05)，A3組的軸向壓縮剛度、三點(diǎn)彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度較A2組降低(P<0.05)。結(jié)論：成人脛骨近端內(nèi)側(cè)骨皮質(zhì)缺損≥15 mm或外側(cè)骨皮質(zhì)缺損≥20 mm時(shí)生物力學(xué)性能降低，臨床治療其骨缺損時(shí)需要輔助固定材料。

脛骨近端為骨腫瘤的好發(fā)區(qū)域，對(duì)于良性骨腫瘤，多采用囊內(nèi)切除、邊緣切除等手術(shù)治療，腫瘤切除后存在骨質(zhì)缺損。當(dāng)手術(shù)區(qū)域在應(yīng)力較集中處，例如脛骨近端，會(huì)造成該區(qū)域的力學(xué)性能下降，必須輔以適當(dāng)?shù)膬?nèi)固定，多采用接骨板或髓內(nèi)釘?shù)萚1-3]。而在治療骨缺損時(shí)是否選用內(nèi)固定具有重要的臨床意義，但骨質(zhì)缺損達(dá)到多大范圍時(shí)需要輔助內(nèi)固定，常常只能依靠臨床醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)判斷。目前尚未有明確的報(bào)道。作者制作脛骨近端不同范圍骨缺損模型標(biāo)本，并對(duì)其進(jìn)行生物力學(xué)性能測(cè)試，為臨床治療脛骨近端骨缺損是否需要輔助固定提供實(shí)驗(yàn)研究依據(jù)。

1　材料與方法

1.1標(biāo)本的制作標(biāo)本采用新鮮成年人脛骨標(biāo)本21具(鄭州大學(xué)人體解剖學(xué)教研室提供)，男12具，女9具。去除脛骨表面皮膚、肌肉等軟組織，只保留脛骨，脛骨長(zhǎng)度35(32～49) cm。拍攝X線片，排除畸形、骨質(zhì)疏松、陳舊骨折、骨腫瘤等骨骼系統(tǒng)的疾病。密封后置于-20 ℃冰箱內(nèi)保存[4]。測(cè)試時(shí)取出，逐層解凍，兩端用牙托粉包埋固定。

1.2標(biāo)本分組 42只脛骨標(biāo)本隨機(jī)分為A1、A2、A3、B1、B2、B3和C組，每組6只標(biāo)本。以平臺(tái)正中所在垂線為界分為內(nèi)側(cè)區(qū)、外側(cè)區(qū)。A1、A2、A3組制成脛骨近端內(nèi)側(cè)圓形骨缺損，直徑分別為10、15、20 mm。B1、B2、B3組制成脛骨近端外側(cè)圓形骨缺損，直徑分別為10、15、20 mm。C組脛骨標(biāo)本不作處理，為正常對(duì)照組。

1.3實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備標(biāo)本逐級(jí)解凍，測(cè)量各組標(biāo)本脛骨全長(zhǎng)、平臺(tái)橫徑、平臺(tái)失狀徑，稱得標(biāo)本重量，根據(jù)阿基米德定理測(cè)出標(biāo)本體積，求出其密度值。標(biāo)本兩端牙托粉包埋固定[5]，使標(biāo)本上下兩端平行，用動(dòng)力磨鉆制作所需大小骨缺損，實(shí)驗(yàn)所需萬能力學(xué)機(jī)、材料扭轉(zhuǎn)機(jī)由鄭州大學(xué)國(guó)家材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.4軸向壓縮實(shí)驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)及扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)加載非破壞實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)各組標(biāo)本分別進(jìn)行軸向壓縮、三點(diǎn)彎曲及扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)加載，消除系統(tǒng)蠕變所造成的誤差。計(jì)算機(jī)記錄載荷-位移曲線[6]，計(jì)算軸向壓縮剛度、三點(diǎn)彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度。

1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)處理應(yīng)用SPSS 17.0進(jìn)行分析，各組脛骨標(biāo)本的物理特性和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果的比較采用單因素方差分析和LSD-t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05。

2　結(jié)果

2.1脛骨標(biāo)本的物理特性測(cè)量結(jié)果見表1。各組脛骨全長(zhǎng)、平臺(tái)橫徑、平臺(tái)矢狀徑和密度值之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1　各組中脛骨全長(zhǎng)、平臺(tái)橫徑、矢狀徑和密度比較

2.2力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果 見表2。在軸向壓縮實(shí)驗(yàn)中，各組壓縮剛度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，A2、A3、B3組較C組降低。在三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)中，各組三點(diǎn)彎曲剛度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，A2、A3、B3組較C組降低。在扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中，各組扭轉(zhuǎn)剛度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，A2、A3、B3組較C組降低。

表2　各組剛度數(shù)值的比較

*：與C組比較，P<0.05；#：與A2組比較，P<0.05。

3　討論

骨質(zhì)缺損是臨床上經(jīng)常遇到的情況,如創(chuàng)傷、慢性骨髓炎的病灶清除及骨腫瘤局部切除術(shù)后等。骨質(zhì)缺損造成的骨力學(xué)不穩(wěn)定，與正常骨相比可降低所能承受的負(fù)荷[7]。骨缺損最主要的一個(gè)并發(fā)癥是骨折，骨缺損越大，骨折的風(fēng)險(xiǎn)越大。內(nèi)固定指征的把握也涉及骨折風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估[8]，包括缺損大小、缺損部位等。但目前未見相關(guān)骨質(zhì)缺損造成結(jié)構(gòu)破壞的程度及力學(xué)的不穩(wěn)定關(guān)系的研究。內(nèi)固定適應(yīng)癥過窄將增加術(shù)后骨折風(fēng)險(xiǎn)，過寬將導(dǎo)致過度醫(yī)療的出現(xiàn)，這都會(huì)對(duì)患者的生活質(zhì)量帶來非常嚴(yán)重的影響。作者研究了骨缺損對(duì)脛骨生物力學(xué)的影響，從而為臨床選擇合適的預(yù)防性輔助固定和正確指導(dǎo)患者的康復(fù)提供一個(gè)定量標(biāo)準(zhǔn)。

該研究通過尸體模型模擬了臨床中常見的脛骨近端骨缺損，根據(jù)其好發(fā)部位分為內(nèi)側(cè)骨缺損組和外側(cè)骨缺損組。實(shí)驗(yàn)前先對(duì)所有標(biāo)本進(jìn)行物理性能檢測(cè)，各組間物理性能比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，具有可比性。根據(jù)中國(guó)人脛骨近端解剖學(xué)特點(diǎn)[9]，將骨缺損模型大小分別設(shè)計(jì)為內(nèi)、外側(cè)骨缺損直徑10、15、20 mm的圓形骨缺損，分別對(duì)其進(jìn)行生物力學(xué)檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組比較，內(nèi)側(cè)骨缺損≥15 mm、外側(cè)骨缺損≥20 mm時(shí)脛骨軸向壓縮剛度、三點(diǎn)彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度降低，此時(shí)骨折的風(fēng)險(xiǎn)將增大，建議臨床選用內(nèi)固定輔助骨缺損的治療，以降低術(shù)后骨折的發(fā)生率。

總之，該研究為臨床處理脛骨近端骨質(zhì)缺損提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，對(duì)指導(dǎo)骨缺損康復(fù)及治療具有重要的臨床意義。但由于采用的標(biāo)本為離體脛骨標(biāo)本，由于在體內(nèi)生理狀態(tài)下，脛骨近端的受力受脛骨近端肌肉、韌帶等共同影響，又由于關(guān)節(jié)腔內(nèi)關(guān)節(jié)液及關(guān)節(jié)軟骨的緩存作用[10-11]，受力狀況較為復(fù)雜，仍需要進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)來驗(yàn)證結(jié)果的可靠性。

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(2016-01-02收稿責(zé)任編輯李沛寰)

Biomechanical characteristics of adult proximal tibia bone defect model

LIJifeng1)，LIUTao2),ZHANGDi2),LIZhilei2),YULei2),HAOYingjie2)

1)DepartmentofOrthopaedics,KaifengHuaiheHospital，HenanUniversity,Kaifeng4750002)DepartmentofOrthopaedics,theFirstAffiliatedHospital,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450052

proximal tibia; bone tumor; bone defect;biomechanics

Aim: To study the biomechanical characteristics of different part and size of the adult proximal tibia bone defect，and to provide the basis for clinical practice. Methods: A total of 21 fresh adult cadaver tibial specimens were selected,including 12 males and 9 females. Forty-two tibial specimens made from tibia platform weight-bearing area bone defect model were randomly divided into 7 groups：group A1,A2,A3,B1,B2,B3 and group C.6 specimens in each group. group A1, A2, and A3 were made of proximal medial tibial bone defect with diameter of 10, 15, and 20 mm. Group B1, B2, and B3 were made of proximal lateral tibial bone defect with diameter of 10, 15, 20 mm. Tibial specimens from group C were not treated as normal control group.Axial compression test, three point bending test and torsion test were performed. Results: The tibial plateau of group A1, A2, B1, B2, and C were not collapsed, and the tibial plateau in one specimen of group A3, and B3 was collapsed,respectively. There were no significant differences in the physical characteristics of the tibial specimens among the groups(P>0.05). Compared with group C,the axial compression stiffness, three point bending stiffness and torsion stiffness of group A2 ,A3 and B3 decreased(P<0.05).Compared with group A2,the axial compression stiffness, three point bending stiffness and torsion stiffness of group A3 decreased(P<0.05).Conclusion: Clinical treatment of bone defects need auxiliary fixed materials,when proximal tibia of adult medial cortical defect is ≥15 mm or lateral cortical bone defect is ≥20 mm.

10.13705/j.issn.1671-6825.2016.05.029

*河南省衛(wèi)生科技中青年創(chuàng)新人才項(xiàng)目2011年

，男，1977年9月生，博士，副主任醫(yī)師，副教授，研究方向：脊柱微創(chuàng)與骨腫瘤，E-mail:haojack77@126.com

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