研究背景交锁髓内钉内固定是当前治疗胫骨干骨折的主要内固定方式。目前国内外应用的交锁髓内钉主要是静力型交锁髓内钉,固定坚强,但其缺点是可产生高应力遮挡效应,该效应能导致骨折延迟愈合与骨不连。目前证实,静力型髓内钉治疗长骨骨折骨不连发病率高。静力型固定导致的骨折延迟愈合及骨不连引起了骨科学者的高度重视,于是提出将静力型固定动力化,以降低并发症发生率,并逐渐达成了共识。在现有的技术基础上,将静力型固定动力化、消除应力遮挡效应,采取的主要方法是在骨折愈合的中期,取出髓内钉近端或者远端的一侧锁钉,解除一端的锁定,使骨折端产生微动,骨折端受到加压作用,刺激骨痂生长。这一方法需要患者再次接受手术,增加了手术所带来的痛苦,而且取出一侧的锁钉后,出现了新的并发症,如骨折端旋转或短缩移位,部分患者需重新行骨折复位内固定术,延长了治疗时间,增加了心理及经济负担。为避免动力化时取出一侧锁钉后引起的并发症,一些学者致力于动力型交锁髓内钉的研发,以解决这一难题。目前新型的髓内钉研发方向是将静力型改进为微动力型,消除应力遮挡效应,摒弃传统的静力锁定系统。文献报道,在新的设计类型中,不同学者根据自己的思路,对传统的髓内钉结构进行调整或重新设计,有的增加了滑动动力孔,有的不仅增加动力孔,而且从钉体上改进,或在钉体内设置微动装置,以发挥微动加压的作用。这些产品设计大多数成功建立了动物模型,但产品研发尚不够成熟,产品造型过于复杂,操作繁琐,动力加压的可行性不足,难以推广用于临床上。能广泛用于临床上的动力型交锁髓内钉的研发遇到了技术上的瓶颈,亟待需要进一步突破,新型实用的动力型髓内钉仍需不断探索与研发。另一方面,髓内钉的研发离不开动物模型,虽然选择何种动物仅是为临床研发服务,任何与人长骨髓腔接近的动物也只是临床研发所需的载体,但是建立标准化的实验动物模型至关重要,关系到研发的可行性及科学性。模型的建立需选择适当的动物、合适的管状骨,前期的实验动物大多数选择兔、羊,但两者的胫骨髓腔形态及生物力学性能与人相差较大,尚不能满足科研的要求,新的理想的动物模型仍有待探索。本研究初步测量了西藏小型猪胫骨的髓腔形态,结合其髓腔形态及参数,研发新型可控微动胫骨交锁髓内钉,并建立贴近临床应用的新型动力交锁髓内钉治疗胫骨骨折的动物模型,以图研发出适合于临床上广泛使用的新型动力交锁髓内钉,推动髓内钉技术的发展,提高骨折治疗的愈合率,减轻患者身体、心理及经济负担。研究目的1、通过X线测量、CT三维重建测量、实物标本测量3种方法测量西藏小型猪胫骨髓腔形态,探索小型猪胫骨髓腔各项径线参数及形态学特征,并比较3种方法的优缺点。2、根据X线测量、CT三维重建测量及实物标本测量所得的小型猪胫骨髓腔径线参数及形态特征,利用计算机软件技术,设计新型可控微动胫骨交锁髓内钉的实体模型,并制作生产初步用于小型猪胫骨的动力型交锁髓内钉；并探讨髓内钉设计与髓腔形态的关系。3、对生物可降解材料进行筛选、测试,选择一种降解周期及生物力学性能均适合植入髓内钉的可吸收材料。该材料植入髓内钉内,固定锁钉,早期起静力固定作用,中期降解后髓内钉产生动力加压作用。4、建立西藏小型猪胫骨骨折新型可控微动交锁髓内钉的固定模型,评价髓内钉与髓腔的匹配性,及模型的可行性。5、设立实验组(新型可控微动髓内钉)与对照组(普通静力型髓内钉),进行胫骨骨折髓内钉内固定动物实验,观察新型可控微动胫骨髓内钉产生微动加压、促进骨折愈合的能力,比较两种髓内钉的优劣.研究方法1受试对象、标本及设备1.1实验资料2010年10月至2011年1月,在南方医科大学动物研究所,收集平均日龄180d左右的成年(雌性9只,雄性11只)西藏小型猪的后肢(左右不限)40例,去除股骨,保留胫腓骨,剔除软组织,清洁标本,于标准正侧位进行X线投照及CT扫描后,室外风干制成干标本,留待截骨。2011年2月至2011年8月,在外院对可吸收材料PLGA/HA复合材料进行降解特性、生物力学分析,探索材料的成份含量比例、以及在髓腔内外的降解情况,筛选合适的可植入髓内钉近端的可吸收材料。2011年11月,选取平均日龄180d、平均体重28Kg的成年雌性西藏小型猪5只,建立胫骨骨折新型可控微动髓内钉固定模型,术后行标准正侧位X线拍片及定期复查。2012年5月,选取10只平均日龄181d、平均体重28.5Kg的成年雌性西藏小型猪,随机分为实验组(新型可控微动胫骨髓内钉)与对照组(普通静力型髓内钉),分别行胫骨中段骨折髓内钉内固定,术后进行骨折愈合比较。1.2设备硬件：Siemens FD-X数字化摄影系统、Siemens Somatom PLUS16排全身螺旋CT, Micro-CT(SCANCO μCT80, Medical AG,瑞士),footscan步态检测系统(比利时RSscan公司)。软件：PACS放射系统、mimics及UG三维建模软件、footscan SOFTWARE7.0。1.3扫描条件16排多层螺旋CT扫描机,扫描条件：120KV,300MA,层厚0.75mm,螺距0.75mm,厚度0.75mm,扫描范围：胫骨全长。Micro-CT扫描条件：电压5.5KV,电流1451μA,层厚50gm。扫面范围：胫骨骨折愈合区域。2实验方法2.1西藏小型猪胫骨髓腔测量2.1.1X线投照：将40例湿胫骨标本逐一标号,采用Siemens FD-X数字化摄影系统进行标准的正位与侧位投照,结果以Dicom格式保存并录入PACS放射系统,在计算机中测量髓腔各项选定参数。2.1.2CT扫描：将40个湿胫骨标本采用Siemens Somatom PLUS16排全身螺旋CT分别行矢状面及冠状面、横断面扫描,后以Dicom格式保存,导入Mimics10.01图像处理软件进行三维重建,并测量相关髓腔参数。2.1.3实物标本测量：对干胫骨标本进行冠状面、矢状面及横断面截骨,冠状面与矢状面截骨平面为胫骨解剖轴线,横断面截骨平面为胫骨结节处、髓腔最狭窄段、远段膨大处(踝关节面上方7mm),以数字游标卡尺逐一测量髓腔参数。参考胫骨髓腔测量与髓内钉的设计方法,选择最重要测量参数如下：①胫骨髓腔全长：胫骨结节中点平面至胫骨内踝平面垂直距离；②髓腔最狭窄点水平的相应径线长度(正位)；③髓腔最狭窄点水平的相应径线长度(侧位)；④髓腔弧度：胫骨结节上缘与上骨松质区起点连线与胫骨髓腔中轴线夹角。2.2髓内钉设计根据X线测量髓腔参数及CT扫描数据,结合UG、Mimics软件设计新型可控微动胫骨交锁髓内钉及瞄准器,髓内钉设计参数包括髓内钉长度、髓内钉直径、髓内钉折弯角、锁钉直径、可吸收材料直径。新型髓内钉设计特征：将普通静力型髓内钉的上端锁定孔设计为长椭圆形的滑动孔,从髓内钉的尾端插入可吸收材料填充滑动孔,固定锁钉,在骨折愈合的早期,可吸收材料降解之前,起静力固定作用；骨折愈合中期,可吸收材料降解之后,释放滑动孔空间,此时髓内钉变为动力型。2.3可吸收材料的降解周期及生物力学分析测试PLGA/HA复合材料的降解周期、不同HA含量的可吸收材料的生物力学特性,以及可吸收材料随降解时间力学变化情况。2.4新型髓内钉固定模型的建立5只小型猪共10侧后肢,全麻下制作10例胫骨中段骨折模型,切开暴露西藏小型猪胫骨结节上方进针点,插入髓内钉,从近端填充可吸收材料,钻入锁钉,安装尾帽,术后摄正侧位X线片观察骨折固定效果,于计算机中的PACS放射系统测量以下指标进行髓内钉与髓腔匹配性验证：髓内钉尾端是否超出膝关节线,髓腔是否破裂,髓腔峡部钉体两侧距离内、外侧内层骨皮质的距离差异。模型建立后4周、8周、12周、16周定期复查X线观察骨折愈合与内固定位置。2.5胫骨骨折髓内钉内固定动物实验2.5.1动物分组与实验10只成年雌性西藏小型猪,随机分为两组：对照组(普通髓内钉)5只；实验组(新型髓内钉)5只,分别行左侧胫骨骨折髓内钉内固定,术后进行骨折愈合的比较,动物在术后20周处死。2.5.2胫骨骨折髓内钉固定术后评估x线测量：术后当天、4周、8周、12周、16周、20周各行X线检查,观察对比实验组与对照组骨痂形成、骨折愈合进展及内固定变化。步态分析：实验组与对照组分别于术后4周、8周、12周、16周、20周各行步态分析,观察对比两组小型猪的左后肢足底压力分布图形以及足底压力值的变化。足底压力值的采集：分别采集每组每个小型猪的左、右后肢足底压力分布图形10个,在这10个图形中的压力分布最高区域分别采取1个数值,得到10个数值,取平均值,然后进行左、右比较。Micro-CT:术后20周,X线检查见骨折愈合后,处死动物,分别对实验组与对照组小型猪的左侧胫骨进行取材,micro-CT测量与分析两组标本骨折愈合处的体积骨密度(volumetric bone mineral density, vBMD)、骨体积分数(bone volume/tissue volume, BV/TV),两组进行比较。2.6统计学分析实验数据使用SPSS13.0软件处理,计量资料以X±s表示,髓腔测量参数采用探索性统计分析(Explore),数据比较采用单个重复测量因素的方差分析,多重比较方法选择LSD法,以P<0.05有统计学意义。髓腔峡部钉体两侧距离内、外侧内层骨皮质的距离均数,以及足底压力值、Micro-CT数据比较采用两样本t检验,以P<0.05有统计学意义。结果1西藏小型猪髓腔测量数据西藏小型猪胫骨髓腔全长：X线(113.31±9.56)mm, CT (112.22±8.11) mm,实物标本(112.09±10.46) mm,P=0.814；最狭窄点水平正位径线长度分别为X线(8.53±0.99) mm, CT (8.07±0.77) mm,实物标本(8.06±0.73)mm,P=0.016；侧位径线长度分别为X线(6.73±1.05) mm, CT (6.20±0.89) mm,实物标本(6.15±0.90)mm,P=0.011；髓腔弧度分别为X线25.66°±3.36°,CT24.49°±3.21°,实物标本25.12°±3.18°,P＝0.276。2髓腔形态小型猪胫骨正面观呈两端膨大,中段狭小,两侧皮质呈弧形突向轴线,外侧皮质较内侧皮质明显突向胫骨轴线,干骺端及胫骨平台大部分位于轴线外侧。侧面观呈轻度的反“S”形,上1/3膨大,中1/3移行为平直,下1/3段向前后膨大。胫骨上1/3向后倾斜,胫骨结节至胫骨上端骨面倾斜形成一斜坡,胫骨结节下至胫骨下端形成突向后侧的弧形。猪胫骨上1/3段髓腔近似等边三角形,下1/3段呈卵圆形,中1/3段为狭窄段,为前两者的过渡形态。3髓内钉规格髓内钉长度90-130mm、直径6-9mm、折弯角150-250、锁钉直径4.0mm、尾帽内径4mm、可吸收材料直径4mm。4可吸收材料成分及含量比例通过实验测试,最终选定的材料为PLGA/HA复合材料,通过降解率力学分析可知此材料从4周开始力学性能逐渐降低至12周区域稳定,符合本实验可吸收材料所需要力学特性。PLA与PGA在不同配比情况下于髓内钉内的降解速度低于髓腔内及皮下,通过测试,以PLA:PGA=7:3为合适。5髓内钉与髓腔匹配性及骨折固定效果成功完成10侧小型猪胫骨骨折髓内钉固定模型,术后X线显示髓内钉与小型猪胫骨髓腔匹配,骨折对位对线良好,内固定居中位于髓腔内。10侧髓内钉固定模型中,9侧钉尾端均未超出膝关节线,1侧超出2mm,所有胫骨髓腔均无破裂,髓腔峡部钉体两侧与内、外侧内层骨皮质的距离均数差异无统计学意义(内侧0.81±0.21mm,外侧0.76±0.23mm,P=0.352)。定期复查X线提示：术后12周,骨折初步愈合。6胫骨骨折髓内钉内固定实验结果术后8周,实验组[左后肢(3.57±0.28)N、右后肢(10.37±0.27)N,P=0.000]与对照组[左后肢(3.49±0.32)N、右后肢(10.47±0.41)N,P=0.000]的左后肢足底压力值均较同组的右后肢低,差异均有统计学意义。术后16周,实验组小型猪步态及左后肢负重基本恢复,足底压力值与右后肢无明显差异[左(10.54±0.29)N、右(10.59±0.27)N,P=0.804],而对照组左后肢与右后肢差异有统计学意义[左(8.46±0.25)N、右(10.53±0.17)N,P=0.000]。X线显示：术后12周,实验组胫骨骨折端骨痂生长较对照组明显增多；术后20周,实验组5例胫骨骨折均骨性愈合、骨折线消失,对照组4例骨折愈合(骨折线未完全消失)、1例骨不连。Micro-CT显示实验组骨折愈合处体积骨密度[实验组(555.47±23.49)mg/mm3,对照组(494.45±16.62) mg/mm3, P=0.001]与骨体积分数(实验组0.84±0.04,对照组0.78±0.03,P=0.022)均高于对照组。结论1.CT三维重建测量更接近实物标本测量,测量数据精确性高于X线,推荐用于长骨髓腔的测量及内固定的设计。2.西藏小型猪胫骨髓腔长度适中,形态、弧度与人相似,适于设计新型可控微动胫骨髓内钉及建立胫骨骨折髓内钉固定模型。髓内钉的设计与髓腔长度、髓腔最狭窄点水平径线长度、髓腔弧度关系密切。3.合适配比的PLA与PGA组成的PLGA/HA复合材料,具备理想的降解周期及生物力学强度,可作为早期固定髓内钉锁钉的可吸收材料。4.髓腔测量结合计算机软件技术,可设计出与西藏小型猪胫骨髓腔匹配的新型可控微动髓内钉,能良好固定胫骨骨折。5.新型可控微动髓内钉促进西藏小型猪胫骨骨折愈合,减少骨折愈合的并发症,治疗效果优于普通静力型髓内钉。