可降解聚左旋丙交酯用于犬下頜骨骨折的有效性及生物力學(xué)研究

王 祥，邵小夕，周功耀，譚建華，劉 斌，劉彥普

(1.南部戰(zhàn)區(qū)海軍第一醫(yī)院口腔科，廣東 湛江 524009；2軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點實驗室，國家口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，陜西省口腔疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院 a.頜面外科；b.實驗動物中心，陜西 西安 710032；3.湖南華耀百奧醫(yī)療科技有限公司，湖南 長沙 410600；4.廣東省湛江海濱醫(yī)院，廣東 湛江 524005)

下頜骨骨折是頜面部最常見的骨折類型之一，目前，鈦合金是最常用的內(nèi)固定材料，但是由于鈦合金彈性模量遠高于皮質(zhì)骨[1]，故在骨折愈合及改建的過程中存在應(yīng)力遮擋效應(yīng)[2]。往往需要術(shù)后取出內(nèi)固定，這既增加了患者的痛苦也增加了醫(yī)療費用。近年來，生物可降解的高分子材料越來越受到關(guān)注，因為其可降解性及良好的生物相容性[3]，在臨床中的應(yīng)用越來越多[4]。但是由于其強度不足，故臨床上將其應(yīng)用在下頜骨的情況較少[5，6]，而較多的將其使用在面中上部等應(yīng)力較低的部位[7，8]。本實驗將可降解PLLA與鈦合金進行比較，觀察高分子PLLA應(yīng)用在下頜骨骨折的有效性及生物力學(xué)特點。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及動物2017年2月至2019年3月，選取健康成年比格犬10只，骨齡10～12個月，體重10～12 kg，雌雄各半，發(fā)育成熟，頭頸部無外傷。實驗動物由空軍軍醫(yī)大學(xué)動物實驗中心提供，動物實驗方案經(jīng)空軍軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院動物倫理委員會批準，實驗過程中對動物的處理符合動物倫理學(xué)要求，在空軍軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院動物實驗中心進行(許可證號SYXK(軍)2015-0001)。將比格犬按照體重從輕到重進行編號，將體重相近的2只比格犬配成一個區(qū)組，共產(chǎn)生5個區(qū)組。利用SPSS 22.0生成隨機數(shù)分配給每只比格犬。在每個區(qū)組中將隨機數(shù)按照大小排序分成A組和B組。A組內(nèi)再按照隨機數(shù)的方法，將5只比格犬按照隨機的原則分到3個月(2只)，6個月(2只)和空白對照組(1只)中。B組方法同上。結(jié)果是4只為PLLA實驗組，4只為鈦合金對照組，2只為空白對照組。PLLA生物可吸收接骨板和接骨螺釘(Fixsorb-MX日本他喜龍株式會社)，四孔直連鈦合金接骨板(西安中邦鈦生物材料有限公司)，板厚δ1.0mm、接骨螺釘Φ 2.0 mm×7 mm。產(chǎn)品均經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌消毒，無菌袋封裝備用。

1.2 方法

1.2.1實驗?zāi)Ｐ徒?除空白對照組外，每只比格犬建立雙側(cè)下頜骨骨折模型：取頜下常規(guī)切口入路，切口長約3 cm。切開皮膚、皮下組織，鈍性分離口底肌肉至下頜骨骨膜，切開骨膜，將骨膜從下頜骨骨面掀起，暴露下頜骨。在第四前臼齒和第一臼齒之間，用來復(fù)鋸切割下頜骨頰側(cè)及舌側(cè)皮質(zhì)骨。切開皮質(zhì)骨后，取一塊四孔內(nèi)固定板塑形后，以內(nèi)固定的方式置于截骨線的兩側(cè)。取直徑1.7mm的鉆頭于四孔板內(nèi)鉆孔，攻絲后擰入直徑為2.0mm，長度為7mm的螺釘。隨后取下內(nèi)固定板、釘，用骨鑿鑿斷松質(zhì)骨，造成下頜骨線性骨折(圖1)。手法復(fù)位后，實驗組取已經(jīng)定位的PLLA四孔板及4顆螺釘行內(nèi)固定(圖2a)，鈦合金對照組取已經(jīng)定位的鈦合金四孔板及4顆螺釘行內(nèi)固定(圖2b)。完成一側(cè)下頜骨骨折模型后，按照同樣的方法行另一側(cè)下頜骨骨折模型的建立。生理鹽水沖洗傷口，分層縫合。術(shù)后動物肌肉注射青霉素3日，流食3日，半流食2周。

圖1 實驗組截骨造成下頜骨線形骨折

圖2 內(nèi)固定系統(tǒng)固定后效果 a.實驗組；b.鈦合金對照組

1.2.2大體觀察及X射線檢查 術(shù)后對動物進行飼養(yǎng)，觀察動物的進食、水情況。于術(shù)后1、3、6月麻醉后行X射線檢查，觀察下頜骨愈合情況。于術(shù)后6、9月分批次將動物采用過量麻藥安樂死，解剖下頜骨骨折部位，肉眼觀察骨折愈合情況及PLLA降解后的表面形態(tài)。

1.2.3Micro-CT檢查 術(shù)后6月動物安樂死后，取下頜骨骨塊行Micro-CT檢查(德國Y.Cheetah微米X射線三維成像系統(tǒng))，VG Studio2.2軟件分析骨折斷端處的骨體積分數(shù)(BV/TV)，骨小梁數(shù)目(Th.N)，骨小梁厚度(Tb.Th)和骨小梁分離度(Tb.Sp)。

1.2.4生物力學(xué)分析 取術(shù)后6、9月的犬下頜骨標本，去除內(nèi)固定螺釘和鈦板。連同空白對照組的下頜骨骨塊，修整成高度為15 mm，長度為40 mm的骨塊。將骨塊固定在三點彎曲測試機夾具中心，跨距30mm。設(shè)計加載5 mm/min，用軟件記錄載荷-位移曲線，并記錄數(shù)值。

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。兩組間計量資料比較采用t檢驗，多組間計量資料的比較采用單因素方差分析。P< 0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 大體觀察術(shù)后動物進食基本正常，兩周后改為進食普食，動物咀嚼順暢，未見進食困難。實驗組及鈦合金對照組動物傷口均一期愈合，未見紅腫、溢膿、露板等情況。按設(shè)計的時間節(jié)點，到期后將動物安樂死后，解剖大體觀察，見實驗組及鈦合金對照組骨折均愈合良好，術(shù)后6月時，實驗組的PLLA的形狀變化不明顯，可見部分螺釘斷裂吸收(圖3a，白色箭頭處)。術(shù)后9月可見PLLA仍維持大體形狀，但內(nèi)固定板釘?shù)馁|(zhì)地明顯變軟，觸碰即斷裂(圖3b白色箭頭)或受壓變形(圖3b黑色箭頭)。

圖3 實驗組術(shù)后6、9個月的PLLA大體觀察形態(tài)a.術(shù)后6月；b.術(shù)后9月

2.2 X射線檢查術(shù)后1月，PLLA實驗組和鈦合金對照組仍可見骨折低密度透射影像。3個月時，PLLA實驗組和鈦合金對照組骨折線進一步模糊，愈合情況相當。術(shù)后6月時，兩組骨折線基本不可見，從X射線觀察無明顯差異(圖4)。

圖4 PLLA實驗組與鈦合金對照組內(nèi)固定X射線情況

2.3 Micro-CT檢查術(shù)后6月時，PLLA實驗組的骨體積分數(shù)(BV/TV)高于鈦合金對照組，骨小梁分離度(Tb.Sp)顯著低于鈦合金對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P< 0.05)。實驗組骨小梁數(shù)目(Th.N)和骨小梁厚度(Tb.Th)與鈦合金對照組比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P> 0.05)。見表1。

表1 術(shù)后6月兩組Micro-CT結(jié)果比較

2.4 生物力學(xué)檢查實驗組和對照組的下頜骨骨折塊均出現(xiàn)穩(wěn)定的載荷-位移曲線，到最大載荷后出現(xiàn)中斷臺階，此時出現(xiàn)下頜骨斷裂。術(shù)后6、9月時，實驗組的力學(xué)強度與鈦合金對照組及空白對照組比較，三組差異無統(tǒng)計學(xué)意義。實驗組的術(shù)后9個月時的力學(xué)強度較6個月時提升了340.1 N，鈦合金對照組術(shù)后9個月時的力學(xué)強度較6月時提升99.01 N，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P< 0.05)。見表2。

表2 術(shù)后6月、9月兩組骨折愈合生物力學(xué)變化 (N)

*與鈦合金對照組比較，P< 0.05

3 討論

目前臨床上常用的內(nèi)固定材料為鈦合金，其有效性安全性均毋容置疑。但是其彈性模量大導(dǎo)致應(yīng)力遮擋，影響骨改建，術(shù)后二次手術(shù)取出率較高?？晌盏母叻肿硬牧系某霈F(xiàn)彌補了前者的一些不足，其可降解的特性，避免了二次的手術(shù)取出[4，9]。但是其存在強度不足、不能在骨折塊之間加壓、不能在X射線下顯影、局部酸性產(chǎn)物、產(chǎn)生無菌性炎癥等問題[6]，讓臨床醫(yī)生產(chǎn)生顧慮[5]。以頜面部骨折為例，可降解高分子材料多應(yīng)用在應(yīng)力較低的面中上部骨折[10]，而下頜骨除兒童外應(yīng)用較少[11]。所以有必要通過研究PLLA用于下頜骨骨折的大動物模型，觀察其有效性，特別是隨著PLLA降解后，其應(yīng)力會逐漸減小[12]，從而對下頜骨改建的影響及生物力學(xué)變化。本實驗設(shè)計了比格犬的下頜骨骨折模型，采用高分子PLLA材料和鈦合金內(nèi)固定材料進行對比，觀察骨折愈合早期直至術(shù)后9個月的骨折愈合情況。我們發(fā)現(xiàn)PLLA能有效的固定犬下頜骨骨折，骨折固定的效果良好。且隨著PLLA的降解，其力學(xué)性能明顯降低，可以避免應(yīng)力遮擋，有利于下頜骨的骨改建。

我們測試一種材料應(yīng)用在下頜骨的力學(xué)性能，需要一種模擬人體下頜骨的動物模型。鼠不含哈弗系統(tǒng)[13]。本實驗選擇的比格犬體積適中，抵抗力強，下頜骨體積長度合適，具有良好的一致性。從模型制作上看，暴力擊斷等方法導(dǎo)致模型不能一致[14]。我們采用的骨動力系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的截骨線形成的線性骨折，此方法較容易控制骨折模型的一致。而且由于截骨產(chǎn)生的骨縫隙(寬約1mm)，可用于進一步Micro-CT等檢查。我們設(shè)計截骨線在第四前臼齒和第一臼齒之間，目的一是為了盡可能的避開頦神經(jīng)血管束，減少對骨折愈合血運的損傷，另外一方面考慮靠后放置可以增加力矩，可以更好的測定接骨的效果。切開皮質(zhì)骨后，用薄骨鑿鑿開撬斷下頜骨，避免下牙槽動脈的損傷。鑿斷下頜骨前先把內(nèi)固定板定位，可以盡量的減少骨折后的錯位移位，保持咬合關(guān)系的一致。此方法制作器材、方法相對簡單，具有一致性、重復(fù)性。

我們需要綜合多種方法來綜合評定接骨有效性。術(shù)后1、3月，X射線片可以發(fā)現(xiàn)實驗組和對照組的下頜骨骨折均已愈合。術(shù)后6月時，從X射線和Micro-CT形態(tài)上觀察，兩組均已出現(xiàn)了良好的骨愈合，皮質(zhì)骨形成良好，骨小梁分布均勻。在VG-Studio2.2軟件中，進一步對興趣區(qū)進行分析，取下頜骨骨折處為中心設(shè)置一高7 mm、寬3 mm興趣區(qū)。分析骨體積分數(shù)(BV/TV)，骨小梁數(shù)目(Th.N)，骨小梁厚度(Tb.Th)和骨小梁分離度(Tb.Sp)。術(shù)后6月時，PLLA組的骨體積分數(shù)(BV/TV)，骨小梁分離度(Tb.Sp)均顯著優(yōu)于對照組。骨小梁數(shù)目(Th.N)，骨小梁厚度(Tb.Th)也高于對照組。三點彎曲負載強度PLLA組較鈦合金對照組略優(yōu)。在術(shù)后9月時，三點彎曲力學(xué)檢測的結(jié)果表明，不具有降解的鈦合金內(nèi)固定組的力學(xué)負載強度提升有限，這印證了應(yīng)力遮擋對骨折愈合后的骨成熟的不良效應(yīng)。而具有降解性的PLLA組的負載強度較術(shù)后6月時提升明顯，達到了空白對照的下頜骨的強度。說明隨著PLLA的降解，PLLA的力學(xué)降低，減少了下頜骨應(yīng)力遮擋，愈合后下頜骨的負載強度較對照組高。PLLA的這種降解性對于骨折初步愈合后的改建成熟具有積極的意義。但是由于本實驗的局限，樣本量不足，未能得出同一時間節(jié)點PLLA實驗組和鈦合金對照組力學(xué)強度的統(tǒng)計學(xué)差異，有待后續(xù)實驗繼續(xù)研究。另外，本實驗只是關(guān)注了有效性的變化，對于植入物體內(nèi)的安全性和PLLA的降解性未能涉及，本課題組會在后續(xù)的實驗中進一步完善。鑒于可降解材料的降解特性，在保持可降解性的基礎(chǔ)上，增加其強度，從而可以應(yīng)用到更多更復(fù)雜的骨折類型，將成為本課題組的方向。

總之，PLLA可以為犬下頜骨骨折提供穩(wěn)定的固定，具有明顯的可降解性，且隨著PLLA的降解，其力學(xué)性能明顯降低，可以避免應(yīng)力遮擋，有利于下頜骨的骨改建。