Ilizarov技术治疗长管状骨骨缺损的研究进展

扈克治，甘干达，任 磊，吕 波，闫泽正，张 苏

(1.桂林市人民医院骨三科，广西 桂林 541002；2.原解放军桂林疗养院特勤科，广西 桂林 541000)

临床上长管状骨骨缺损十分常见，其病因大多见于外伤所致缺失、感染性骨髓炎清创、骨不连清创、骨肿瘤切除以及先天性骨缺损，是由多致病因素相互作用而引发的复杂的病理改变。Schmitz和Honllinger[1]认为骨缺损是指“不能自行愈合的最小骨缺损量”，也称为“极量骨缺损”(critical size defect，CSD)。由于此定义基于动物实验而得，故而人类的CSD无从获知。对于软组织覆盖良好且缺损量较小的病例，通过单纯植骨即可得到修复；而对于缺损范围超过骨周径50%或长度>2cm的骨质缺损，单纯植骨容易出现骨吸收的现象，难以达到骨愈合的目的[2]。

1 骨缺损治疗技术

1.1带血供的自体骨移植 自体骨移植是植骨的金标准，为克服大量植骨术后出现的骨吸收现象，Taylor等1975年首次应用带血管蒂的自体腓骨修复长6cm的骨缺损。相对于肋骨、髂骨而言，腓骨骨量大、密度高，形态更加符合长管状骨缺损的修复要求，而且对供区胫腓关节及踝关节的稳定性影响较小。该技术不仅避免单纯植骨“爬行替代”的过程，而且最大程度地保留移植骨的生物学活性，因此得到了广泛应用。然而，带血供的自体骨移植技术要求较高的显微外科水平，而且受区内必须有可供吻合且口径匹配的动静脉系统，这对于严重创伤或长期骨髓炎造成的骨缺损是难以做到的。亦有研究表明，在负重骨骨缺损的修复案例中，该技术虽能达到骨愈合标准，但术后骨折率仍高于常人30%～50%[2]。

1.2Masquelet(膜诱导)技术 1986—1999年Msquelet等[4]采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥一期在骨缺损处进行占位，诱导成膜后二期用自体骨填充，修复了管状骨骨缺损35例，疗效满意。该技术的核心在于骨水泥填充后4～6周组织反应所形成的诱导膜[5]，各项研究实验表明：(1)诱导膜富含间充质干细胞，与骨膜中的此类细胞成骨潜能相同，可向成骨细胞及成软骨细胞分化；(2)诱导膜高度血管化，能分泌VEGF、TGF-β1、BMP-2等多种促进成骨的生长因子[6]；(3)Gouron等[7]发现诱导膜内有破骨细胞和破骨前驱细胞，可加速骨缺损的重建。但对于大段的骨缺损，尤其是儿童，自体松质骨或皮质骨来源有限，利用其他的骨替代物，则不能保证成骨效果[2]。

1.3髓内钉技术 髓内钉技术治疗长管状骨骨缺损有较长的历史，但因为其不愈合率较高，临床实际应用并不多。Hinsche等[8]2003年报道应用髓内钉技术治疗15cm股骨骨缺损并痊愈的病例。现如今的髓内钉系统更新为可以滑动和旋转的固态钉棒，使其在植入长管状骨后能分散肌肉收缩产生的压力，减少并发症并促进骨质再生。虽可通过生物应力刺激骨生长，但其生长周期长，对长度大的缺损并不适用。

1.4钛网cage技术 钛网cage技术最早由Cobos等[9]2000年报道2例，利用比缺损范围略大的钛网保护并固定植入的自体骨，同时辅助内外固定物加固，以达到修复骨缺损的目的。其原理与Masquelet技术类似，也是通过植入的自体骨在周围组织中再血管化和产生多种细胞因子促进骨再生，加速骨重建。Lindsey[10]、Fujibayashi[11]等通过动物研究，成功修复了犬及兔的股骨缺损，但Gugala和Gogolewski[12]的动物实验模型在山羊胫骨及犬股骨中效果欠佳，临床上仍需更多的随访及对照研究来证明其有效性。

1.5组织工程技术 Smith等[13]通过动物研究，将成骨信号(BMP等)、种子细胞(MSCs等)以及支架三者结合，能显著改善结构化骨基质形成，促进骨再生，利于骨缺损的修复与重建。组织工程技术目前仍处于基础研究阶段，尚未完全应用于临床治疗骨缺损。

上述5项治疗骨缺损的技术各有千秋，但都有各自缺陷，临床技术要求高、术后再骨折率高、治疗骨缺损长度限制、移植骨来源有限、效果不明确等，而Ilizarov技术用“骨再生”的方式一举解决上述难题。

2 Ilizarov技术的原理

2.1Ilizarov技术的一般生物学原理[张力-应力法则(law of tension-stress,LTS)]作用于活体组织的缓慢而持久的牵张力，使活体组织细胞受到刺激并被激活进而出现再次生长，其生长方式与胎儿时期一致，均为相同细胞的有丝分裂[14]。因此，Ilizarov技术是一种再生技术，而非组织的修复过程。在张力-应力作用下，(1)骨延长区域中心出现生长带，其中的类纤维母细胞形成胶原纤维，胶原纤维上的骨母细胞产生骨样组织，并逐步形成骨小梁；(2)血管壁出现活跃的平滑肌细胞，7d左右出现新生的毛细血管，通过交通支建立延长区与周围的血液通路；(3)肌动蛋白及肌凝蛋白合成活跃，形成新的肌原纤维和肌节；(4)神经母细胞增多，施旺氏细胞包裹轴索，促使神经再生；(5)皮肤基底细胞层增厚，丝状分裂增多，皮脂腺增大，毛囊汗腺增多[15-16]。这些组织学变化奠定了Ilizarov技术治疗长管状骨骨缺损的理论基础，尤其是合并有皮肤组织缺损的患者，Ilizarov技术能予以一次性修复，这是其他修复方法难以匹及的。

2.2Ilizarov技术在非感染性长管状骨缺损中的应用 Ilizarov技术的再生原理最早是应用于肢体延长，但随着对LTS研究的深入，“骨运输”成了应用Ilizarov技术修复骨缺损的表现形式：即在长骨骨缺损的远端或近端(近干骺端)进行截骨，利用Ilizarov外架构型(固定环+搬移环)将截骨段“运输”到骨缺损处，而运输过程所造成的新的缺损通过缓慢运输所产生的“张应力”刺激再生得到修复。Morasiewicz等[17]2007年报道16例股骨骨不连并短缩患者，平均缺损6.5cm，经该技术治疗后痊愈。现如今的运用愈发广泛，不仅仅是下肢的股骨、胫骨缺损，还包括上肢的肱骨、尺骨、桡骨，甚至是手部舟状骨坏死缺损[18]都有应用Ilizarov技术而治愈的报道。

2.3Ilizarov技术在感染性长管状骨缺损中的应用 在骨缺损的治疗过程中，控制感染是非常重要的一个环节。感染性骨不连的病灶处往往血液循环较差，即使大剂量的抗生素也难以在病灶内达到有效的抗菌浓度，不仅增加了药物的毒副反应，临床疗效也较差，故全身应用抗生素目前仅作为围手术期的辅助治疗。清创植骨技术是治疗感染性骨不连的基本技术，该方法的关键在于彻底清创，常需要多次手术，同时要保证骨折端的充分稳定和充足的植骨量，故并不适用于所有类型的感染性骨不连患者。前文提到的各项修复技术，都必须在消灭感染的前提下才能实施，一旦修复过程出现感染，结果将会是灾难性。想要清除感染并获得骨愈合，就要求骨折端拥有良好的血供。Ilizarov教授曾说：“感染会在骨缺损的重建过程中燃烧[19]”，他认为在牵拉成骨修复骨缺损的过程中，不仅骨组织得到再生，该区域的毛细血管也会受到刺激而出现更加丰富的血液循环，从而改善局部血供，使得感染在组织再生的过程中逐步消退。Bumbasirevic等[20]使用Ilizarov技术治疗大量股骨、胫骨干感染性骨不连的患者，均得到较高的治愈率(95%～98%)。Khan等[21]认为，Ilizarov技术已经发展成为治疗长骨感染性骨不连及骨缺损的金标准。

Ilizarov最初治疗感染性骨不连是通过在骨不连部位加压-牵张直至骨折端完全愈合，并行病灶的清除，虽可以治愈部分感染性骨不连，但临床证实其复发率很高。所以，完全依赖Ilizarov技术来控制感染，结果并非皆如人意，当合并有感染的骨缺损出现时，大多学者[21]还是建议首先通过外科手术进行彻底的“地毯式”清创，切除感染及坏死的组织，同期行急性短缩后再延长的方法，或二期骨搬移技术来重建残留的骨及软组织缺损。

2.3Ilizarov技术中的皮质截骨理念 皮质截骨概念1968年由Kawamura首次提出，即认为截骨操作限于骨皮质，减少骨膜及骨髓损伤，有利于骨形成。Ilizarov[22]也证实骨生成主要来源于骨内膜及骨髓组织，其生成的新骨占总量的60%。他们建议在干骺端做骨皮质截骨延长，只截断切口侧周径75%皮质，剩余部分强力折断。然而该方法操作难度较大，Song和Xu[23]对此方法进行改进，研制特定的皮质骨截骨刀，以及专门用来截断对侧的弧形骨刀，从而保留更多内外骨膜和骨髓，可以最大程度的加速成骨。基于这一概念，Bastiani等[24]提出截骨后不立即进行延长操作，而是经过2周左右的“等待期”，待内外骨膜及骨髓得到修复、局部骨痂形成后再行牵张成骨，也称之为骨痂延长(callotasis)概念。

3 Ilizarov改良技术

传统的Ilizarov外架呈现环状构型，利用多环在骨缺损的远近端固定牢固，在缺损的一端低能量截骨后安装搬移环，使截骨段能延管状骨长轴方向在软组织袖内移动，通过移动速度的控制使截骨处膜内骨化方式形成新骨。随着对该技术原理理解的不断深入，临床使用逐步多样化。

3.1半皮质截骨延长术 部分骨缺损患者病灶仅仅局限于单侧骨质，而保留了某侧的骨皮质连续。实际操作时在骨缺损面进行截骨操作，而不伤及原本连续的骨皮质。此方法的外架构型与传统构型一致，但定位更加精准，损伤更小，更加符合皮质截骨概念。Cierny等[25]利用此法治疗胫骨骨髓炎后缺损患者，治愈率达95%。

3.2环形外架与髓内钉的联合使用[髓内钉骨延长术(intermeduliary skeletal kinetic distractor,ISKD)] 由于骨缺损的治疗周期较长，需要患者长时间带架生活，这不仅造成生活不便，还会增加针道感染和关节僵硬的风险。为减少此类情况出现，部分学者使用Ilizarov环形外架与髓内钉相结合的方法来治疗长管状骨骨缺损，不仅缩短治疗时间，且有效避免拆架后出现的新生骨回弹。Agashe等[26]回顾了15例先天性胫骨假关节患者的临床资料，认为使用Ilizarov环形外架与髓内钉联合治疗能缩短治疗周期，且疗效更佳。2014年Gulabi等[27]对5例胫骨大段骨缺损患者使用ISKD治疗，结果显示骨折愈合时间平均4.6个月，外架使用时间则明显缩短，平均4个月，而且所有患者未发生再骨折或畸形愈合，骨评分及功能评分优良率100%。因其样本量偏小，Bernstein等[28]2015年对58例胫骨骨缺损进行临床对照研究，30例单纯使用Ilizarov技术，28例应用ISKD技术，结果提示后者治疗周期明显缩短且并发症更少。

3.3单边外固定架骨延长术 环形外架体积较大，给患者生活带来不便；而且多部位多针固定，针道感染的可能性较大。部分学者在截骨后放弃环形固定，而使用单侧的管式外固定架固定缺损两端维持长度，将搬移模块安装在连接杆上，基本原理及治疗过程与环形外架一致。该方法使用简单，技术更易掌握，术后患者更加方便。Harshwal等[29]利用单臂外固定支架治疗37例骨缺损长度5cm以下的下肢骨不连患者，愈合率91.9%(平均愈合时间5个月)，功能优良率89.2%。Pallaro等[30]同样方法对7例股骨感染性骨不连患者进行治疗，平均骨缺损长度8.1cm，术后随访7例患者均骨性愈合，5例患者功能恢复良好。该方法放弃稳定的中心固定，采取偏心的单边固定，虽然更加简单，但骨搬移过程中有可能出现轴线偏移现象，而且在治疗负重骨骨缺损时应慎重选择，因为单边外架固定力度不足，患者早期负重会引起伤肢的短缩。

3.4Taylor三维空间外固定架(taylor spatial frame，TSF) 在Ilizarov 外固定系统的基础上，J.Charles Taylor和Harold S.Taylor把Stewart平台和Charles理论应用于骨科领域，结合计算机软件而发明了TSF[31]。郑国涛[32]对Ilizarov外固定系统与TSF的生物力学比较研究显示，在轴向压力稳定性上Ilizarov外固架优于TSF，而扭转应力稳定性上TSF更优。虽然TSF继承Ilizarov外固架的优点，特别是在多维平面骨折复位及畸形矫正更有优势[33]，但更多用于复杂长骨的骨折复位。而对于长管状骨骨缺损的修复而言，Ilizarov外固定系统的轴向稳定显然更符合要求。

3.5腓骨移位技术 腓骨移位技术也是基于Ilizarov原理发展而来。此技术仅适用于胫骨骨缺损使用传统Ilizarov技术修复后缺损段新生骨矿化不良时。平胫骨骨缺损平面将伤肢腓骨截断，使用橄榄针将截断腓骨从外(腓)向内(胫)侧输送至胫骨骨缺损处以增强骨量。Catagni等[34]利用此法治疗1例骨搬移失败的胫骨骨缺损患者并获得成功。

4 Ilizarov技术的缺点与并发症

使用Ilizarov外固定架也会引起一些并发症。Paley[35]将并发症分为：问题(不通过手术解决，如针道感染、康复锻炼可恢复功能的轻度关节挛缩等)，障碍(需要通过再次手术解决，但不会遗留后遗症，如断针、矿化不良、延迟愈合、轴向移位等)及并发症(通过处理仍会遗留形态异常或功能障碍，如关节挛缩僵硬需要关节融合，骨髓炎等)。Papakostidis等[36]Meta分析报道骨折复发率5%，截肢率2.9%，神经血管损伤相关并发症发生率2.2%。Krishnan 等[37]使用Ilizarov技术治疗感染性骨缺损，感染复发率5%，轴向偏移发生率70%。Blum 等[38]报道针道松动的发生率8%。

各类报道中，同类并发症的发生率通常认为与手术医师的技术熟练度相关，操作熟练可明显降低并发症发生率。同时，也有大量报道提出，并发症发生率与骨缺损长度正性相关，缺损范围超过长管状骨长度1/4时，并发症发生率明显升高[39]。

5 结语与展望

基于Ilizarov原理的骨搬移技术在治疗长管状骨骨缺损时优势明显，尤其是伴有感染或合并皮肤组织缺损时，运用Ilizarov技术能取得事半功倍的效果。但仍然面临一些亟待解决的问题，如大段骨缺损修复术后并发症发生率居高不下；对于缺损区新骨生成及矿化愈合缺乏客观标准和定量研究；如何在保留中心固定前提下提高患者的治疗体验；如何制定骨搬移速度的个体化标准；Ilizarov外架能否像TSF智能化、精准化等。随着干细胞技术及组织工程等技术的不断完善成熟，以及Ilizarov技术的应用，骨缺损将不会成为困扰临床骨科医师的难题。