【doc】骨骺牵张与骨骺板的生物力学性质

【doc】骨骺牵张与骨骺板的生物力学性质 骨骺牵张与骨骺板的生物力学性质 n2一t4t} 第12卷第2期 1997年6月 医用生物力学 JOURNALOFAPPLIEDBIOMECHANICS Vo1.12.No2 June..1997 骨骺牵张与骨骺板的生物力学性质术 R6g2 —量-洗垒坚吴守义扬根兴唐坚R;Ig一0f (上海第二医科大学附属新华医院儿骨科)(上海第二医科大学医用生物力学教研室) (上海第二医科大学附属第九人民医院骨科) 【摘要】本研究是对新西兰幼兔股骨远端骨骺进行体内和体外章张实验.16只兔右殷骨经 5,lON力每3天一次章张.4周后的股骨长度值明显大于左侧和ON组.形态学变化是受章张的骺 板增厚,软骨细胞增殖且无骨骺分离骨折.体外骺扳抗断裂测试显示章张后的骺扳强度不低于 未经章张的对照例.8只动物16根股骨于体外接受20,IOONy~的章张,其骺板的塑一l眭变形度随 章张力值的增高而增大,抗断裂强度亦不低于未经章张的骨骺.这些结果表明适量的章张力 和/或低章张速率是实现"软骨分离或骨延长的关键. 关键词 . 兰—量连壁堡墨苎.生寺.—骨骺丰叹 骨骺牵张作为平衡不等长肢体的手段之一已在临床中运用.DeBastianit1.21比较二种骨骺 牵张方法后提出以软骨细胞增殖为形态学基础的软骨分离"或骺牵张更符台生理状态,尤其是 适用未近成熟期的骨骺.然而在达到最佳骨延长量的同时完全避免骨骺分离骨折的发生往往有 些困难这与骨骺软骨细胞对牵张力的反应和其本身的粘弹性特质不无关系.本项研究目的是通 过体内体外对兔股骨远端骨骺的牵张观察骨骺板的生物学性能及形态学改变.以探讨牵张力 和牵张速率对实现"软骨分离"式骨延长的作用. 材料与方法 一 体内实施骺牵张实验 6,8周龄新西兰白兔24只,平均体重130kg,动物经麻醉后予右股骨远端骺板近远二侧打 入钢针.一周后安装外固定架和力传感器.向骺板近端分别施加张力0Nf11— 8),5N(n:8),10N(n=8).每3天调整一次以维持原设张力量.4周后结束牵张处死动物,取出双 侧股骨剔除所有附着的肌肉韧带,骨膜及软骨膜,先用游标卡尺测量股骨全长长度.然后随机 分检标本进行组织学和力学观测. 1.组织学检查:各牵张组的半数标本作常规HE染色后均进行光镜镜检和计算机图像分析 仪骺板分层测量. 2.抗断裂测试:在另半数标本的股骨下端骺板远侧及小粗隆平面的骨干平行打入一对钢 针,置In8tron村科试验机内用lOmm/min的速率牵拉远端骨骺板直至骨骺以干骺 端分离. 二,体外实施骺牵张实验 10,12周龄新西兰白兔8只,平均体重2Okg.处死动物取出16根股骨.按前述抗断裂测试要 本课题为国家自然科学基金资助项目 第2期骨骺牵张与骨骺板的生物力学性质?1l3 求给每根股骨打入钢针.随机分三组,分别给予20N(n=5),60N(n=5),100N(n=6)的力一次性 牵张远端骨骺板.待应变回复10分钟后再度牵拉直至骺板断裂. 结果 . 一 体内实验部分 1.股骨长度:实验侧与对照侧股骨长度差及自身配对t检验为ON组0.91mm.P<O.05;5N组 158ram,P<0.005,1ON组1.68ram,P<0005.ON组与5N,10N组间比较P<0.05而5N与10N组 间P>0.05. 2组织学观察:镜下未见干骺端与骺板之间有骨骺分离现象实验侧骺板厚度及增殖层,肥 大原厚度均明显大于对照侧和ON组.肥大细胞数亦明显多于对照侧. 3.骨骺板抗断裂载荷均数:0N组178士50.01N,5N组204.5士38.61N,10N组 206.6士4218N,对照组(n=12)175.38士49N.各组与对照组的t检验均为P>0.2. 二体外实验部分 1.不同载荷牵张后的骨骺板塑性变形均数:20N组31士8.4#m,60N组56士23#m,100N组97 士28#rf1.经方差分析20N与60N组间P<0.05,20N与100N组P<0.001,60N 与100N组P<0.05. 2.骨骺板抗断裂载荷各组之间无差异,总均数18735士49.5N. 讨论 对于骨骼发育尚未停止者来说采用骨骺牵张延长肢体较骨干延长术有更多的优点,但难以 避免地会遇到生长中骺软骨活力障低的问题.骨骺板活力同牵张速率有直接关系,牵张速率过 快将使骺板在肥大层断离产生血肿,有可能导致干骺端区骨桥形成i.i.关于软骨分离式骺牵张 的原理虽然目前不完全清楚,但这种方法对骨骺造成的创伤最轻,尤其是控制有序的慢速率能 避免SalterI型骨骺骨折,防止骺板生长期提前结束.由于实际操作中采用的器械不同,相同的 牵张速率并不等于相同的牵张力,因而牵张力似乎更能准确地反映出骺板软骨所受到的牵张作 用.我们的实验结果表明5,10N的低量值张力于体内能成功地使股骨远端骺板出现软骨分 离式骨延长,即便去除钢针的刺激因素股骨长度,骺板宽度等证明骨生长活跃的指标在实验 组与实验对照组(ON)之间也依然有显着性差异,特别是股骨长度上差距是直观的. NobICi曾报道兔股骨远端骺板于体内径10,20N力牵张48]J~时后,在体外的抗断裂载荷 为89.1士37.1N,明显低于未经牵张的对照侧.他提出这是由于牵张造成骺板肥厚使骺板软骨粘 弹性性质发生了变化.Alexander也强调肥大层增厚时该区域显的脆弱易有小裂隙骨折.我们 的牵张时间达28天之久,骺板抗断裂强度并不低于对照侧(P>0.2),而且对照侧骺板的抗断裂力 值也明显高于Noble提供的数据(139.9?34N).对于这相差很大的二种结果作者认 为其原因可 能有:(1)Noble采用的实验动物是8周龄,而我们于牵张结束时处死的动物已达l0,12周龄,骺 板的生理状态更接近兔的成熟期.(2)我们不仅选用小量力值牵张骺板,而且给予牵张刺激的问 歇也较长.这使得骺软骨形变在每次牵张之后有一个较长的回复期.尽管骺板结构也有增厚但 慢速率牵张可减少机械应力对骺软骨细胞代谢的不利影响,增加或者不降低骺软骨活力t4),通过 软骨细胞的增殖产生骨延长,同时使骺板的生物性能维持于生理范围.因此在探索软骨分离 式骺牵张的时应将牵张力与牵张速率视为一个整体因素加以考虑. 欲想在一段时问内通过骨骺牵张达到尽可胄的骨延长量,而又不破坏骺板的组织结构和 1l4医用生物力学第12卷 生理机能.了解该种类骺软骨的粘弹性性质特征是必要的.体外骺牵张实验也正是基于此目的. 塑性变形是形成骨延长的基本条件.2O至100N牵张骨骺其变形程度随张力值增高而增大且 骺板抗断裂强度亦不亚于未经牵张的骺板.这为实施体内同种骨骺牵张术提供了一个选择牵张 力的参考值.由于任何一种骨骺牵张都将使骺板进入一个潜在的脆弱状态II,因此选择适当的牵 张力和/或缓慢的牵张速率,既能保护骨骺免遭骨折又能最大限度地发挥骺软骨塑性变形能 力.本项研究为实现这种目标提供了方向 参考文献 1.DeBastianiG.AldegheHR'RenziBrivioL,eta1Limblengtheningbydistractionofthe epiphysealplate.JBJS(Br)1986;68:545 2.DeBastianaG,AldegheriRenziBrivioL,eta1.Chondrodisatasiscontrolledsymmetrical distractionoftheepiphysealplate.JBJS(Br)1986,68:550 3DePablosJ.Bonelengtheningbyphysealdistraction.IntOrthop1986;10:163 4SpriggingsAJ,BaderDL,CunninghamJL.eta1Distractionphysiolysisintherabbit.Acta OrthopScand.1989;60:154 5.NobleJ.DlamindR.StirratCR,eta1.Brackingforceoftherabbitgrowthplateandits applicationtoepiphsealdistractionActaOrthopScand1982;53:13 C0RRELAT10NBETWEENEPIPHYSEALDISRACTIoNAND BIoMECHANICALPRoPERTIESoFTHEEPIPHYSEALPLA. TE ZhangJingShenJingenWuShouyi.etal (Dept.ofPediatricOrthopaedicsAffiliatedXinhuaHospita1.TeachOfficeofApplied Biomechanics.ShanghaiSecondMedicalUniversity) Theeffectivenessofepiphysealdistractionwasinvestigatedinvivoandinvitrobyforcesappliedto thedistalfemoralgrowthplatesofNewZealandwhiteimmaturerabbits.Distractionforcesof5N and10Nwereappliedevery3dayst0thedistalgrowthplateoftherightfemurinvivo.in16rabbits Fourweekslaterthelengthofalldistractedfemurswassignificantlongerthanboththelengthof controlsideandthesameoneofgroupON.Histologicalstudyshowedhyperplasiaofthegrowth plate,anincreaseinchondrocytesdivisionrate.andnoevidenceofepiphyseolysisTheinvitro breakingforcesofthegrowthplateweremeasuredafterinvivodistractionThemeanbreaking f0rceoftl1edistractedsidewasnot1owerthanmeanvaluesfortheundistractedcontro1side Sixteenfemorafrom8rabbitsunderwentepiphsealdistractioninvitro.with20N.6oNand100N forcesthemeanplasticdeformationofthegrowthplatewasgreatinconnectionwitbincreasing tractionThesubsequencebreakingforceofthesegrowthplateswasnoinfluencedTheresults obtainedinthisstudyindicatedthatlimblengtheningmightbeachievedbychondrodiatasiswith theproperdistractionforceand/oraslowdistractionrate. Keywordsdistraction.epiphysealplate.1imb1engtl1en