一種用于矯治兒童肢體成角畸形的、新型臨時(shí)半骺板阻滯裝置的研制及相關(guān)研究.pdf

1、第一部分傳統(tǒng)半骺板阻滯裝置三維有限元和生物力學(xué)模型建立及內(nèi)固定失敗原因分析
　　目的:半骺板阻滯術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于治療骺板未閉合的兒童肢體成角畸形。阻滯裝置包括:U型骨骺釘、跨骺板加壓螺釘、張力帶鋼板三類;其中張力帶鋼板技術(shù)由于其手術(shù)操作便捷，創(chuàng)傷小，固定牢靠的特點(diǎn)目前被最廣泛的使用于臨床。臨床研究發(fā)現(xiàn)該類裝置術(shù)后內(nèi)固定發(fā)生失敗的情況并不少見(jiàn)，而關(guān)于內(nèi)固定失敗原因的研究卻鮮有報(bào)道。本研究旨在通過(guò)建立三維有限元和生物力學(xué)模型，分析可

2、能造成內(nèi)固定裝置局部應(yīng)力增高、內(nèi)固定失敗的因素，為改進(jìn)內(nèi)固定裝置的設(shè)計(jì)提供新思路。
　　方法:建立生物力學(xué)模型，利用超高分子聚乙烯材料模擬皮質(zhì)骨，將傳統(tǒng)的張力帶鋼板和螺釘（鈦合金）固定其上。樣本根據(jù)螺釘長(zhǎng)度(20mm，30mm)，置釘方式（內(nèi)聚30°，平行，外展30°）分為5組。采用靜態(tài)加載張力(500N)和循環(huán)加載張力(500N，2HZ)兩種方式，將力作用于樣本。應(yīng)力解除采用顯微鏡觀察螺釘壓痕部位，采用X線衍射技術(shù)測(cè)量螺釘壓痕部

3、位表面的殘余應(yīng)力，并比較不同組之間的大小關(guān)系。建立三維有限元模型，采用和生物力學(xué)模型一樣的分組方式，加載靜態(tài)張力，觀察螺釘表面的應(yīng)力分布情況，比較不同組之間應(yīng)力分布的異同。
　　結(jié)果:在生物力學(xué)模型中，靜態(tài)加載張力的作用下，螺釘表面并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的壓痕，殘余應(yīng)力接近于零，而在循環(huán)加載的張力的作用下，螺釘表面壓痕明顯，測(cè)量獲得的殘余應(yīng)力遠(yuǎn)超過(guò)鈦合金的屈服應(yīng)力。其中20mm螺釘組和30mm螺釘組殘余應(yīng)力差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。而內(nèi)聚、平行

4、兩種置釘方式下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力明顯小于外展組。三維有限元分析的結(jié)果提示不同長(zhǎng)度螺釘?shù)谋砻鎽?yīng)力分布并沒(méi)有明顯改變，但是內(nèi)置和平行置釘兩種方式產(chǎn)生的應(yīng)力明顯小于外展的置釘方式。兩種模型都提示，應(yīng)力集中的部位在螺釘進(jìn)入皮質(zhì)骨的部位。
　　結(jié)論:循環(huán)加載應(yīng)力是內(nèi)固定失敗的主要原因。螺釘容易發(fā)生斷裂的部位在其進(jìn)入皮質(zhì)骨的部位。螺釘長(zhǎng)度并不影響螺釘表面的應(yīng)力分布。平行和內(nèi)聚置釘?shù)姆绞娇梢詼p小螺釘表面的最大應(yīng)力，最終減少內(nèi)固定失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

5、　　第二部分動(dòng)物試驗(yàn)研究比較新型鉸鏈鋼板與傳統(tǒng)張力帶鋼板在阻滯效果、應(yīng)力分布上的差異
　　目的:前述試驗(yàn)已經(jīng)證明，在循環(huán)張力負(fù)荷加載下，螺釘表面產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，這可能是螺釘斷裂，內(nèi)固定失敗的原因。傳統(tǒng)的張力帶鋼板和骨表面無(wú)法合適匹配，暴露在鋼板和皮質(zhì)骨之間的螺釘在阻滯的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的剪切力，這也是是螺釘松動(dòng)、斷裂的另一重要原因。此外鋼板跨骺板固定會(huì)壓迫骺板周圍骨膜骨軟骨膜導(dǎo)致?lián)p傷。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的鉸鏈?zhǔn)戒摪澹瑑?nèi)建鉸

6、鏈和免壓角結(jié)構(gòu)。本研究的目的是檢測(cè)新型鉸鏈鋼板的阻滯效果以及相對(duì)于傳統(tǒng)鋼板的優(yōu)點(diǎn)。
　　方法:我們選取9只3月齡的雄性巴馬小型豬作為試驗(yàn)動(dòng)物，手術(shù)的部位在豬后肢脛骨近端內(nèi)側(cè)。我們將傳統(tǒng)的張力帶鋼板和新型鉸鏈鋼板通過(guò)隨機(jī)分配的方式置于豬的左右后肢。手術(shù)完全遵循半骺板阻滯術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行。分別于術(shù)后即刻，6，12，18周攝片，比較各組畸形成角變化情況。然后處死后將內(nèi)固定裝置取出分析內(nèi)固定表面殘余應(yīng)力情況，病理切片觀察分析骺板表面骨膜和

7、軟骨膜的形態(tài)和厚度變化，比較兩組之間的差別。
　　結(jié)果:總共有8只動(dòng)物完成了該試驗(yàn)。攝片測(cè)量提示術(shù)前和術(shù)后18周兩組脛骨內(nèi)側(cè)平臺(tái)角(MSA)、脛骨近端內(nèi)側(cè)角(MPTA)、遠(yuǎn)近端螺釘成角(DPA)沒(méi)有顯著差別。在鉸鏈鋼板組，MSA、MPTA、DPA的月矯正度數(shù)分別為2.18°，0.85°，0.71°，而傳統(tǒng)鋼板組分別為2.13°，0.89°，0.84°。統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果提示兩組內(nèi)固定裝置的阻滯效率沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。鉸鏈組鋼板表面的殘余應(yīng)力明

8、顯低于傳統(tǒng)鋼板(P=0.001)，而鉸鏈鋼板組骺板周圍骨膜和軟骨膜的厚度明顯厚于傳統(tǒng)鋼板組(P=0.0001)。
　　結(jié)論:鉸鏈鋼板和傳統(tǒng)鋼板有相似的矯正效果。鉸鏈鋼板較傳統(tǒng)的鋼板的優(yōu)點(diǎn)包括:(1)通過(guò)鉸鏈裝置改善了整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)力分布以減少內(nèi)固定失敗的風(fēng)險(xiǎn);(2)通過(guò)內(nèi)建的免壓角設(shè)計(jì)降低了鋼板壓迫骺板周圍骨膜和軟骨膜造成損傷。
　　第三部分:半骺板阻滯術(shù)中組織病理學(xué)變化和內(nèi)固定裝置取出后畸形復(fù)發(fā)機(jī)制的初步研究
　　目的

9、:盡管半骺板阻滯術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于臨床，但是其組織病理學(xué)機(jī)制，以及內(nèi)固定裝置取出后畸形復(fù)發(fā)的機(jī)制仍不清楚。我們前期三維有限元試驗(yàn)已證實(shí)半骺板阻滯術(shù)作用于骺板的是不對(duì)稱的壓應(yīng)力。這種不對(duì)稱的壓應(yīng)力作用于骺板，調(diào)節(jié)骺板軟骨內(nèi)生骨化。既往已有研究表明在阻滯過(guò)程中產(chǎn)生壓力作用于骺板導(dǎo)致其厚度變薄，組織形態(tài)發(fā)生改變，內(nèi)固定取出后骺板增厚，出現(xiàn)加速生長(zhǎng)的情況。我們推測(cè)這個(gè)過(guò)程和應(yīng)力作用下細(xì)胞的凋亡有關(guān)。本研究的目的是通過(guò)組織病理學(xué)切片及免疫組化的

10、方法對(duì)半骺板阻滯術(shù)后以及內(nèi)固定裝置取出后骺板形態(tài)、厚度、組成變化以及骺板軟骨凋亡率及蛋白的表達(dá)進(jìn)行觀察，初步探索骺板阻滯和畸形復(fù)發(fā)可能的機(jī)制。
　　方法:選取8只3月齡的雄性巴馬小型豬作為試驗(yàn)動(dòng)物，手術(shù)的部位在豬后肢脛骨近端內(nèi)側(cè)。我們將半骺板阻滯鋼板通過(guò)隨機(jī)分配的方式置于豬的左或者右后肢，對(duì)側(cè)肢體作為對(duì)照組。其中一組術(shù)后18周處死，另一組18周內(nèi)固定取出后再飼養(yǎng)6周后處死。取病例標(biāo)本分別予以H&E，TUNEL，CHOP和P65等相

11、關(guān)蛋白免疫組化染色，我們通過(guò)H&E染色計(jì)算骺板總厚度，靜止層、增殖層、肥大層的厚度百分比的變化。通過(guò)TUNEL染色計(jì)算骺板細(xì)胞凋亡率的變化情況。免疫組化染色比較相關(guān)蛋白染色陽(yáng)性率的變化情況。
　　結(jié)果:H&E染色提示在骺板不同部位，骺板的厚度各不相同，越靠近脛骨近端內(nèi)側(cè)的部位骺板的厚度越薄，而靠近脛骨近端外側(cè)的骺板厚度和對(duì)照組接近。當(dāng)內(nèi)固定裝置取出以后，脛骨近端內(nèi)側(cè)骺板的厚度明顯高于正常。TUNEL染色提示半骺板阻滯術(shù)后細(xì)胞凋亡率

12、明顯提高，而當(dāng)內(nèi)固定取出后凋亡率開(kāi)始下降。P65和CHOP免疫組化染色提示半骺板阻滯術(shù)后P65和CHOP蛋白的表達(dá)明顯提高，而當(dāng)內(nèi)固定取出后表達(dá)下調(diào)。
　　結(jié)論:本研究提示壓應(yīng)力強(qiáng)度、骺板厚度、基質(zhì)相關(guān)的蛋白表達(dá)、內(nèi)生骨化速度、“追趕生長(zhǎng)”現(xiàn)象之間存在相關(guān)性。半骺板阻滯過(guò)程中，壓應(yīng)力介導(dǎo)了骺板軟骨細(xì)胞的凋亡。這種凋亡伴隨著內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)蛋白CHOP的表達(dá)升高，提示凋網(wǎng)可能與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激關(guān)系密切，而NF-κB P65通路在此過(guò)程中起了

13、重要的作用。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)進(jìn)一步闡明半骺板阻滯術(shù)調(diào)節(jié)內(nèi)生骨化、阻滯后畸形復(fù)發(fā)的機(jī)制，以及為矯正畸形提供新的思路有重要意義。
　　第四部分:半骺板阻滯術(shù)治療膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻畸形低矯正效率的臨床危險(xiǎn)因素分析
　　目的:半骺板阻滯術(shù)治療膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻畸形是一個(gè)逐步矯形的過(guò)程，預(yù)測(cè)畸形矯正速度對(duì)于醫(yī)患選擇手術(shù)時(shí)機(jī)，術(shù)后隨訪策略的制定具有重要意義。回顧文獻(xiàn)我們發(fā)現(xiàn)，不同研究之間矯正速度的差異很大，導(dǎo)致畸形矯正速度的預(yù)測(cè)十分困難。既往研究表明畸形

14、矯正速度受到多個(gè)因素影響，這些因素包括性別，年齡，肥胖程度，病因，手術(shù)操作方式，畸形嚴(yán)重程度等。本研究的目的是隨訪我們臨床中心所有經(jīng)過(guò)半骺板阻滯術(shù)符合納入標(biāo)準(zhǔn)的患者，篩選出可能造成畸形矯正速度低下的危險(xiǎn)因素，為臨床醫(yī)生預(yù)估手術(shù)時(shí)機(jī)，制定隨訪策略提供依據(jù)。
　　方法:我們回顧了本中心2010.1-2013年12月底68例經(jīng)過(guò)半骺板阻滯術(shù)治療的患者。隨訪的資料包括患者的年齡，性別，體重，病因，手術(shù)部位，骺板的寬度，術(shù)前、術(shù)后畸形角度變

15、化，內(nèi)固定存留體內(nèi)的時(shí)間，采用一塊還是兩塊鋼板阻滯骺板等?；谏鲜龌颊叩呐R床資料數(shù)據(jù)，我們計(jì)算出不同年齡的每個(gè)病例的年骺板生長(zhǎng)率，將數(shù)值與Anderson兒童生長(zhǎng)量表相對(duì)應(yīng)年齡年生長(zhǎng)率數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，如果低于Anderson量表的數(shù)值2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，我們將其定義為低矯正速度。我們通過(guò)多元單因素回歸分析患者的特征因素和低矯正速度之間的相關(guān)性。
　　結(jié)果:股骨遠(yuǎn)端的平均矯正速度是10.29度/年，脛骨近端為7.92度/年。多元單因素分析結(jié)果