成人脛骨近端骨缺損的生物力學特征*

李繼鋒，劉　濤，張　迪，李志磊，于　磊,鎬英杰#

1)河南大學淮河醫院骨科 開封 475000　2)鄭州大學第一附屬醫院骨科 鄭州 450052

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成人脛骨近端骨缺損的生物力學特征*

李繼鋒1)，劉濤2)，張迪2)，李志磊2)，于磊2),鎬英杰2)#

1)河南大學淮河醫院骨科 開封 4750002)鄭州大學第一附屬醫院骨科 鄭州 450052

脛骨近端；骨腫瘤；骨缺損；生物力學

目的：研究成人脛骨近端骨缺損的生物力學特征，為臨床是否選用內固定提供依據。方法：選擇21具新鮮成年人下肢標本，其中男性12具，女性9具。將42只脛骨標本制成脛骨平臺負重區骨缺損模型，隨機分為7組，分別為A1、A2、A3、B1、B2、B3和C組，每組6只。A1、A2、A3組制成脛骨近端內側圓形骨缺損，直徑分別為10、15、20 mm。B1、B2、B3組制成脛骨近端外側圓形骨缺損，直徑分別為10、15、20 mm。C組脛骨標本不作處理，為正常對照組。分別對其進行生物力學測試，行軸向壓縮、三點彎曲及扭轉力學實驗。結果：A1、A2、B1、B2、C組脛骨平臺均無塌陷，A3、B3組分別出現1例脛骨平臺塌陷。各組中脛骨標本物理特性的比較差異無統計學意義(P>0.05)。A2、A3和B3組的軸向壓縮剛度、三點彎曲剛度及扭轉剛度較C組降低(P<0.05)，A3組的軸向壓縮剛度、三點彎曲剛度及扭轉剛度較A2組降低(P<0.05)。結論：成人脛骨近端內側骨皮質缺損≥15 mm或外側骨皮質缺損≥20 mm時生物力學性能降低，臨床治療其骨缺損時需要輔助固定材料。

脛骨近端為骨腫瘤的好發區域，對于良性骨腫瘤，多采用囊內切除、邊緣切除等手術治療，腫瘤切除后存在骨質缺損。當手術區域在應力較集中處，例如脛骨近端，會造成該區域的力學性能下降，必須輔以適當的內固定，多采用接骨板或髓內釘等[1-3]。而在治療骨缺損時是否選用內固定具有重要的臨床意義，但骨質缺損達到多大范圍時需要輔助內固定，常常只能依靠臨床醫師的經驗判斷。目前尚未有明確的報道。作者制作脛骨近端不同范圍骨缺損模型標本，并對其進行生物力學性能測試，為臨床治療脛骨近端骨缺損是否需要輔助固定提供實驗研究依據。

1　材料與方法

1.1標本的制作標本采用新鮮成年人脛骨標本21具(鄭州大學人體解剖學教研室提供)，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，脛骨長度35(32～49) cm。拍攝X線片，排除畸形、骨質疏松、陳舊骨折、骨腫瘤等骨骼系統的疾病。密封后置于-20 ℃冰箱內保存[4]。測試時取出，逐層解凍，兩端用牙托粉包埋固定。

1.2標本分組 42只脛骨標本隨機分為A1、A2、A3、B1、B2、B3和C組，每組6只標本。以平臺正中所在垂線為界分為內側區、外側區。A1、A2、A3組制成脛骨近端內側圓形骨缺損，直徑分別為10、15、20 mm。B1、B2、B3組制成脛骨近端外側圓形骨缺損，直徑分別為10、15、20 mm。C組脛骨標本不作處理，為正常對照組。

1.3實驗前準備標本逐級解凍，測量各組標本脛骨全長、平臺橫徑、平臺失狀徑，稱得標本重量，根據阿基米德定理測出標本體積，求出其密度值。標本兩端牙托粉包埋固定[5]，使標本上下兩端平行，用動力磨鉆制作所需大小骨缺損，實驗所需萬能力學機、材料扭轉機由鄭州大學國家材料重點實驗室提供。

1.4軸向壓縮實驗、三點彎曲實驗及扭轉實驗采用靜態加載非破壞實驗方法，對各組標本分別進行軸向壓縮、三點彎曲及扭轉實驗，每次實驗前進行預加載，消除系統蠕變所造成的誤差。計算機記錄載荷-位移曲線[6]，計算軸向壓縮剛度、三點彎曲剛度及扭轉剛度。

1.5統計學處理應用SPSS 17.0進行分析，各組脛骨標本的物理特性和力學性能測試結果的比較采用單因素方差分析和LSD-t檢驗，檢驗水準α=0.05。

2　結果

2.1脛骨標本的物理特性測量結果見表1。各組脛骨全長、平臺橫徑、平臺矢狀徑和密度值之間差異無統計學意義。

表1　各組中脛骨全長、平臺橫徑、矢狀徑和密度比較

2.2力學性能測試結果 見表2。在軸向壓縮實驗中，各組壓縮剛度差異有統計學意義，A2、A3、B3組較C組降低。在三點彎曲實驗中，各組三點彎曲剛度差異有統計學意義，A2、A3、B3組較C組降低。在扭轉實驗中，各組扭轉剛度差異有統計學意義，A2、A3、B3組較C組降低。

表2　各組剛度數值的比較

*：與C組比較，P<0.05；#：與A2組比較，P<0.05。

3　討論

骨質缺損是臨床上經常遇到的情況,如創傷、慢性骨髓炎的病灶清除及骨腫瘤局部切除術后等。骨質缺損造成的骨力學不穩定，與正常骨相比可降低所能承受的負荷[7]。骨缺損最主要的一個并發癥是骨折，骨缺損越大，骨折的風險越大。內固定指征的把握也涉及骨折風險的評估[8]，包括缺損大小、缺損部位等。但目前未見相關骨質缺損造成結構破壞的程度及力學的不穩定關系的研究。內固定適應癥過窄將增加術后骨折風險，過寬將導致過度醫療的出現，這都會對患者的生活質量帶來非常嚴重的影響。作者研究了骨缺損對脛骨生物力學的影響，從而為臨床選擇合適的預防性輔助固定和正確指導患者的康復提供一個定量標準。

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，根據其好發部位分為內側骨缺損組和外側骨缺損組。實驗前先對所有標本進行物理性能檢測，各組間物理性能比較差異無統計學意義，具有可比性。根據中國人脛骨近端解剖學特點[9]，將骨缺損模型大小分別設計為內、外側骨缺損直徑10、15、20 mm的圓形骨缺損，分別對其進行生物力學檢測，結果發現與對照組比較，內側骨缺損≥15 mm、外側骨缺損≥20 mm時脛骨軸向壓縮剛度、三點彎曲剛度及扭轉剛度降低，此時骨折的風險將增大，建議臨床選用內固定輔助骨缺損的治療，以降低術后骨折的發生率。

總之，該研究為臨床處理脛骨近端骨質缺損提供實驗依據，對指導骨缺損康復及治療具有重要的臨床意義。但由于采用的標本為離體脛骨標本，由于在體內生理狀態下，脛骨近端的受力受脛骨近端肌肉、韌帶等共同影響，又由于關節腔內關節液及關節軟骨的緩存作用[10-11]，受力狀況較為復雜，仍需要進一步的臨床試驗來驗證結果的可靠性。

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(2016-01-02收稿責任編輯李沛寰)

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

*河南省衛生科技中青年創新人才項目2011年

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

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