新型便携式外固定支架与传统外固定支架应用实验对照研究*

陈 喆，毕 龙，姬权磊，高嘉锴，杨大钊，邓 岳，裴富强，袁 志△

1．空军军医大学西京医院骨科(西安710032)，2．西安航天总医院关节外科(西安710100)

现代社会高能量损伤造成的骨折日渐增多，如交通事故、高空及户外作业发生意外所致的全身多发骨折等，其中以四肢骨折最为常见[1]。儿童青少年在生长发育的过程中也经常发生四肢骨折，如胫腓骨骨折等。此类骨折多表现为局部肿胀、疼痛、重叠和成角移位等，若不及时正确处理极易诱发感染和后期的四肢功能障碍。目前，外固定支架在此类型骨折中的使用逐渐增多，且种类复杂，但仍无法完全满足应急条件下对伤员快速、有效固定和安全转运。本研究中笔者自主研制出一款新型便携式外固定支架，并与传统外固定支架比较，在兔胫骨骨折模型中验证其疗效。

材料与方法

1 实验动物选择及模型制作 成年健康实验用白兔48只，购于空军军医大学实验动物中心，雌雄不限，体重为(2.0±0.5)kg。采用单纯随机抽样的原则，分成实验组和对照组，每组各24只。3%戊巴比妥钠(30 mg/kg)兔耳缘静脉注射麻醉，俯卧位固定于手术台上，右腿腿毛消毒铺无菌巾。取右胫骨内侧纵行约4 cm直切口。充分显露胫骨中段，用骨刀制造胫骨中段骨折模型，分别使用传统支架和新型便携式支架，行骨折复位外固定治疗。术后每只兔常规肌注青霉素40万U/d，连续3 d。所有动物实验均经过空军军医大学伦理委员会批准。

2 实验仪器和试剂 抗兔BMP-7、TGF-β1、bFGF一抗、二抗试剂，DAB显色试剂盒，均购于北京博奥森生物科技有限公司；兔BMP-7、TGF-β1、bFGF的ELISA检测试剂盒，购自重庆鼎国生物技术有限公司，酶标仪、37 ℃恒温培养箱及其它耗材均由第四军医大学附属西京医院骨科实验室提供，HE染色及Western Blot蛋白印迹检测所需仪器及试剂由空军军医大学附属西京医院肝胆胰外科实验室提供。

3 检查方法 实验组和对照组于术后第4、8、12周(每个时相点6只)行X线检查，观察骨痂生长情况、骨折线的变化及达到骨性愈合的时间。利用ELISA法，于术后第2、4、8周测定血清及骨组织中骨形态发生蛋白(BMP-7)、转化生长因子-β1(TGF-β1)及碱性成纤维细胞因子(bFGF)的浓度。于术后第4、8、12周取新生骨组织做HE染色行组织学检测，光镜下观察骨痂生长情况及其组织形态。Western Blot蛋白印记实验测定术后新生骨组织中BMP-7、TGF-β1、bFGF蛋白的表达变化，具体操作步骤参照说明书进行。

结 果

1 两组外固定支架部件及胫骨中段骨折效果对比 胫骨中段骨折模型建立成功后，分别采用传统的外固定支架(对照组)和新型便携式外固定支架(实验组)，对骨折断端进行复位和外固定。结果显示，两组手术过程均很顺利，都能达到有效的解剖复位和外固定效果(图1)。

2 骨折愈合的X线片表现 分别于术后3个时相点(4、8、12周)，行X线片检查，对比两组骨折断端愈合情况。第4周对照组骨痂开始形成，而实验组骨折线模糊，外骨痂已经完全桥接断端；第8周对照组骨折线消失，骨痂面积缩小，实验组骨折端为骨性连接，髓腔再通；第12周对照组骨折端为骨性连接，髓腔再通，实验组骨折完全愈合(图2)。

A：传统外固定支架；B：新型便携式外固定支架；C：对照组传统支架复位后固定；D：实验组新型便携式支架复位后固定

图1 外固定支架部件对比及胫骨中段骨折外固定

A、B、C：对照组；D、E、F：实验组；A、D：术后第4周；B、E：术后第8周；C、F：术后第12周

图2 X线片骨折愈合情况

图3 三个检测时相点血清BMP-7、TGF-β1和

3 ELISA法检查兔血清中BMP-7、TGF-β1及bFGF浓度 在三个检测时相点(2、4、8周)，兔血清中BMP-7、TGF-β1、bFGF三种细胞因子总体变化呈下降趋势。在骨折恢复早期(2周)，BMP-7(185±9.6 vs 147±7.20,P=0.03)、TGF-β1(2555±104.7 vs 2142±94.7,P=0.04)及bFGF(104±8.3 vs 77±4.9,P=0.04)的浓度(pg/ml)均高于对照组，差异有统计学意义(图3)。

4 Western Blot法检测骨组织中BMP-7、TGF-β1及bFGF蛋白表达 在术后2周，取新生骨组织提取组织总蛋白，检测组织中BMP-7、TGF-β1、bFGF分子的表达情况，结果显示：在骨折愈合2周时，实验组促骨折愈合相关细胞因子BMP-7、TGF-β1的相对表达水平明显高于对照组，而bFGF表达无统计学差异(图4)。

图4 新生骨组织中BMP-7、TGF-β1及bFGF

讨 论

四肢长骨如股骨干、肱骨下1/3、胫骨下1/3、及尺挠骨骨折多伴有骨折明显移位，并有软组织、随行血管及神经损伤，且不易固定，手术治疗愈合缓慢，其延迟愈合率为5%～17%[2]。虽然一部分骨折延长固定时间可以愈合 , 但由于患者长期卧床, 会引起患肢肌肉萎缩、关节僵硬、骨折畸形愈合等并发症 , 导致肢体功能障碍。而外固定支架治疗可以起到维持骨折对位对线、控制损伤的作用，其在骨折治疗中的应用使患者可早期进行功能锻炼 , 有效防止了关节僵硬等并发症的发生，尤其对合并软组织损伤 、感染的四肢骨折独具优势[3]，操作简单、快速、创伤小[4]。但是，目前针对四肢长骨骨折使用的外固定支架仍有许多问题不容忽视，如：组成部件复杂，操作难度大，所需手术时间较长；部分支架极为笨重，病人不能忍受，难以满足临床需求；强度不够，后期恢复易出现骨成角畸形[5]；材料费用昂贵，患者经济负担重[6]等。

根据前期研发基础，本研究中笔者自主设计出新的便携式外固定支架样品，并在兔胫骨骨折模型中进行了治疗效果评估。结果显示，新型便携式外固定支架用以固定胫骨骨折，操作相对简单，骨折断端固定牢固，所花费手术时间少；同时，副损伤轻，出血少；所需的经济成本亦相对低廉。相同时相点的骨折X线，结果显示新型便携式支架使用组，骨折愈合速度较快，这可能与手术时间短、出血少，血管及神经破坏程度轻，骨折复位后血运好有关。分析认为，自制固定针中段设有外螺纹，与主架杆相配合可实现直接锁定固定，其组成部件少，结构简单，便于使用和携带；主架杆中段开有方向与主架杆走向相垂直的螺纹通孔，可叠加使用，根据实际需要，可增加固定强度和长度；主架杆两端设有不同方向的螺纹通孔，使固定针可从不同角度打入骨质，增加稳定性并提高抗拔出应力；固定针的针头为自攻自钻，不同环境下固定针的植入更方便。

骨形态发生蛋白(Bone morphogenetic proteins，BMPs)是骨生成的启动因子，参与骨组织的生长、发育及损伤的修复，表现为诱导成骨作用，同时，具有抑制破骨细胞生成及其功能的作用，在骨痂改建中有重要作用[7]。BMP-7具有强烈的骨诱导活性[8]，可在异位诱导新骨形成；在骨骼发育的不同阶段具有一定的调节作用；可促进成骨细胞增殖和碱性磷酸酶的表达，并促进软骨细胞蛋白多糖表达和关节软骨缺损的修复。TGF-β1可以抑制破骨细胞的活化，刺激成骨母细胞的增殖和活化，抑制骨间充质干细胞向脂肪细胞转化，对软骨的生长和分化也起着关键性的作用，并能促进已被募集来的成骨细胞合成1型胶原、骨连接素和骨桥蛋白，利于骨基质的合成与积累[9]。bFGF是一种毛细血管增殖刺激剂，促进毛细血管向骨移植物中长入，使早期组织中软骨岛的数量增多[10]。本研究结果显示，两种外固定方式导致三种与骨折愈合相关的细胞因子在血清中峰浓度出现的时间不同，在骨折愈合后期其差异性逐渐消失。从术后2周开始，实验组血清中各因子即呈逐渐下降趋势，其中，BMP-7的降低尤为显著，这可能与成骨细胞在向成熟骨细胞分化的过程中，其合成BMP-7的能力会明显降低直至消失有关[11]，而术后第4周，可观察到对照组各因子的血清浓度高于实验组，提示可能是表达峰度延后所致。

综上所述，本实验在兔胫骨骨折模型中，使用传统外固定支架作为对照，验证了新型便携式外固定支架治疗四肢长骨骨折的有效性，其简化手术操作和改善骨折预后的特点优于传统支架，同时，成本低廉，易于改造，非常适合后期进一步完善和未来的临床推广。

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