一種用于矯治兒童肢體成角畸形的、新型臨時半骺板阻滯裝置的研制及相關研究.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模型建立及內固定失敗原因分析
　　目的:半骺板阻滯術已被廣泛的應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由于其手術操作便捷，創(chuàng)傷小，固定牢靠的特點目前被最廣泛的使用于臨床。臨床研究發(fā)現(xiàn)該類裝置術后內固定發(fā)生失敗的情況并不少見，而關于內固定失敗原因的研究卻鮮有報道。本研究旨在通過建立三維有限元和生物力學模型，分析可

2、能造成內固定裝置局部應力增高、內固定失敗的因素，為改進內固定裝置的設計提供新思路。
　　方法:建立生物力學模型，利用超高分子聚乙烯材料模擬皮質骨，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)螺釘長度(20mm，30mm)，置釘方式（內聚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。應力解除采用顯微鏡觀察螺釘壓痕部位，采用X線衍射技術測量螺釘壓痕部

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

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

5、　　第二部分動物試驗研究比較新型鉸鏈鋼板與傳統(tǒng)張力帶鋼板在阻滯效果、應力分布上的差異
　　目的:前述試驗已經(jīng)證明，在循環(huán)張力負荷加載下，螺釘表面產(chǎn)生較高的殘余應力，這可能是螺釘斷裂，內固定失敗的原因。傳統(tǒng)的張力帶鋼板和骨表面無法合適匹配，暴露在鋼板和皮質骨之間的螺釘在阻滯的過程中會產(chǎn)生很大的剪切力，這也是是螺釘松動、斷裂的另一重要原因。此外鋼板跨骺板固定會壓迫骺板周圍骨膜骨軟骨膜導致?lián)p傷。為此我們設計了一種新型的鉸鏈式鋼板，內建鉸

6、鏈和免壓角結構。本研究的目的是檢測新型鉸鏈鋼板的阻滯效果以及相對于傳統(tǒng)鋼板的優(yōu)點。
　　方法:我們選取9只3月齡的雄性巴馬小型豬作為試驗動物，手術的部位在豬后肢脛骨近端內側。我們將傳統(tǒng)的張力帶鋼板和新型鉸鏈鋼板通過隨機分配的方式置于豬的左右后肢。手術完全遵循半骺板阻滯術的標準規(guī)范進行。分別于術后即刻，6，12，18周攝片，比較各組畸形成角變化情況。然后處死后將內固定裝置取出分析內固定表面殘余應力情況，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。
　　結果:總共有8只動物完成了該試驗。攝片測量提示術前和術后18周兩組脛骨內側平臺角(MSA)、脛骨近端內側角(MPTA)、遠近端螺釘成角(DPA)沒有顯著差別。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)計學結果提示兩組內固定裝置的阻滯效率沒有統(tǒng)計學差異。鉸鏈組鋼板表面的殘余應力明

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)點包括:(1)通過鉸鏈裝置改善了整個系統(tǒng)的應力分布以減少內固定失敗的風險;(2)通過內建的免壓角設計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:半骺板阻滯術中組織病理學變化和內固定裝置取出后畸形復發(fā)機制的初步研究
　　目的

9、:盡管半骺板阻滯術已經(jīng)被廣泛的應用于臨床，但是其組織病理學機制，以及內固定裝置取出后畸形復發(fā)的機制仍不清楚。我們前期三維有限元試驗已證實半骺板阻滯術作用于骺板的是不對稱的壓應力。這種不對稱的壓應力作用于骺板，調節(jié)骺板軟骨內生骨化。既往已有研究表明在阻滯過程中產(chǎn)生壓力作用于骺板導致其厚度變薄，組織形態(tài)發(fā)生改變，內固定取出后骺板增厚，出現(xiàn)加速生長的情況。我們推測這個過程和應力作用下細胞的凋亡有關。本研究的目的是通過組織病理學切片及免疫組化的

10、方法對半骺板阻滯術后以及內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進行觀察，初步探索骺板阻滯和畸形復發(fā)可能的機制。
　　方法:選取8只3月齡的雄性巴馬小型豬作為試驗動物，手術的部位在豬后肢脛骨近端內側。我們將半骺板阻滯鋼板通過隨機分配的方式置于豬的左或者右后肢，對側肢體作為對照組。其中一組術后18周處死，另一組18周內固定取出后再飼養(yǎng)6周后處死。取病例標本分別予以H&E，TUNEL，CHOP和P65等相

11、關蛋白免疫組化染色，我們通過H&E染色計算骺板總厚度，靜止層、增殖層、肥大層的厚度百分比的變化。通過TUNEL染色計算骺板細胞凋亡率的變化情況。免疫組化染色比較相關蛋白染色陽性率的變化情況。
　　結果:H&E染色提示在骺板不同部位，骺板的厚度各不相同，越靠近脛骨近端內側的部位骺板的厚度越薄，而靠近脛骨近端外側的骺板厚度和對照組接近。當內固定裝置取出以后，脛骨近端內側骺板的厚度明顯高于正常。TUNEL染色提示半骺板阻滯術后細胞凋亡率

12、明顯提高，而當內固定取出后凋亡率開始下降。P65和CHOP免疫組化染色提示半骺板阻滯術后P65和CHOP蛋白的表達明顯提高，而當內固定取出后表達下調。
　　結論:本研究提示壓應力強度、骺板厚度、基質相關的蛋白表達、內生骨化速度、“追趕生長”現(xiàn)象之間存在相關性。半骺板阻滯過程中，壓應力介導了骺板軟骨細胞的凋亡。這種凋亡伴隨著內質網(wǎng)應激相關蛋白CHOP的表達升高，提示凋網(wǎng)可能與內質網(wǎng)應激關系密切，而NF-κB P65通路在此過程中起了

13、重要的作用。這些發(fā)現(xiàn)對進一步闡明半骺板阻滯術調節(jié)內生骨化、阻滯后畸形復發(fā)的機制，以及為矯正畸形提供新的思路有重要意義。
　　第四部分:半骺板阻滯術治療膝關節(jié)內外翻畸形低矯正效率的臨床危險因素分析
　　目的:半骺板阻滯術治療膝關節(jié)內外翻畸形是一個逐步矯形的過程，預測畸形矯正速度對于醫(yī)患選擇手術時機，術后隨訪策略的制定具有重要意義。回顧文獻我們發(fā)現(xiàn)，不同研究之間矯正速度的差異很大，導致畸形矯正速度的預測十分困難。既往研究表明畸形

14、矯正速度受到多個因素影響，這些因素包括性別，年齡，肥胖程度，病因，手術操作方式，畸形嚴重程度等。本研究的目的是隨訪我們臨床中心所有經(jīng)過半骺板阻滯術符合納入標準的患者，篩選出可能造成畸形矯正速度低下的危險因素，為臨床醫(yī)生預估手術時機，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)過半骺板阻滯術治療的患者。隨訪的資料包括患者的年齡，性別，體重，病因，手術部位，骺板的寬度，術前、術后畸形角度變

15、化，內固定存留體內的時間，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)，我們計算出不同年齡的每個病例的年骺板生長率，將數(shù)值與Anderson兒童生長量表相對應年齡年生長率數(shù)值進行對比，如果低于Anderson量表的數(shù)值2個標準差，我們將其定義為低矯正速度。我們通過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性。
　　結果:股骨遠端的平均矯正速度是10.29度/年，脛骨近端為7.92度/年。多元單因素分析結果