沿骨干轴线不同长度皮质骨缺损对骨干生物力学性能的影响*☆�
陈建海，姜保国，张殿英，付中国
应用要点：本实验提出了骨缺损研究应该注意的几个问题：①缺损的位置。②缺损的宽度和长度。③生物力学指标的选择。实验结果提示：①矩形骨缺损模型更有利于探讨骨缺损对骨干生物力学的影响，并发现更小的骨缺损会导致骨干的力学性能下降。②骨缺损的位置对力学性能的影响可能不同。
同行评价：课题为国家“九七三”计划项目的子课题。实验在以往的基础上作了一些调整和探索，定量分析了矩形皮质缺损的长度和宽度对羊骨干抗弯生物力学的影响，设计合理，有一定创新，对临床上采取合理的干预措施有一定的指导意义。为初步判定缺损风险提供了理论依据。
术语解析：三点弯曲试验：将标本放在有一定距离的两个支撑点上，在两个支撑点中点上方向标本施加向下的载荷，标本的三个接触点形成相等的两个力矩时即发生三点弯曲，标本将于中点处发生断裂。三点弯曲试验并不是测量骨干抗弯曲性能的最薄弱区，而是在标本上的感兴趣区。
北京大学人民医院创伤骨科，北京大学交通医学中心，北京市
100044
陈建海☆，男，1976年生，天津市人，汉族，2004年北大医学部毕业，博士，主治医师，主要从事骨折愈合机制及骨科生物力学的研究。
chjh76@sina.com
通讯作者：姜保国，教授，北京大学人民医院创伤骨科，北京大学交通医学中心，北京市 100044
jiangbaoguo@vip.
sina.com
“九七三”计划项目(2005CB5226 04)*
摘要
目的:皮质缺损的宽度和长度对骨干的生物力学强度均有影响，既往对缺损宽度的研究较多，对缺损长度的研究很少。实验拟验证皮质缺损长度对骨干生物力学性能的影响。
方法：实验于2007-10/12在北京大学人民医院创伤骨科实验室完成。⑴实验材料：新鲜成年山羊股骨标本54个，纳入标准：①外观没有破损。②骨干最窄处冠状面直径范围在14~17 mm 之间，矢状面直径在14~17 mm 之间。骨干长度> 120 mm。⑵实验方法：在骨干张力侧制作矩形单侧骨皮质缺损，缺损的宽度分别为骨干冠状面直径的10%和20%，长度分别为缺损宽度的2，3，4，5倍。没有皮质缺损的正常骨作为对照。对标本进行三点弯曲测试，力学指标包括最大负荷、最大功耗和断裂负荷。
结果：当矩形缺损的宽度为横径的20%，缺损的长度达到宽度的4倍和5倍时，骨干的抗弯曲负荷较对照组降低，P值分别为0.007和0.014；当矩形的宽度为横径的10%，长度达到宽度的5倍时，骨干的抗弯曲负荷与对照组比较，差异显著（P=0.008）。两组标本达到破坏时的最大功耗均较正常对照降低（P < 0.05，P < 0.01）。
结论：①骨干抗弯曲能力随缺损长度的增加降低。②从缺损的宽度和长度两个方面分析缺损对骨干的力学影响更为准确。
关键词：皮质缺损，矩形；长管状骨；生物力学；骨组织构建
陈建海，姜保国，张殿英，付中国. 沿骨干轴线不同长度皮质骨缺损对骨干生物力学性能的影响[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(11):2011-2014 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-11/11k-2011(ps).pdf]
中图分类号:R318.01
文献标识码:A
文章编号:1673-8225
(2008)11-02011-04
收稿日期：2008-01-23 修回日期：2008-02-25 （08-50-1-644/WL·A)
Influence of cortical bone defects of different lengths on biomechanics of long tubular bone
Abstract
AIM:Cortical defect width and length can influence biomechanics of tubular bone. Many studies have been conducted to focus defect width, but there are little reports about defect length. This study explored the effect of cortical bone defect length on biomechanics of long tubular bone.
METHODS: The experiment was performed at Department of Orthopaedics and Traumatology, Peking University People's Hospital from October to December 2007. ①Fifty-four fresh femur samples of adult goat, with no damage in appearance, coronal plane diameter of 14-17 mm and sagittal plane diameter of 14-17 mm, and bone length > 120 mm, were employed in this study. ②Unilateral square cortical defects were created by drills on tension site of long tubular bone; the defect width was 20% and 10% of the coronal diameter, and the length of defect was determined as 2, 3, 4, 5 folds of each width. Normal goat femurs served as controls. Three point bending test was performed for each sample to determine the biomechanical parameters such as maximum load, maximum power and breakage load.
RESULTS: The maximum load and breakage load were significantly lower than control group when the defect width was 20% of diameter, and length was 5 fold and 4 fold of width (P=0.007 and 0.014). When the defect width was 10% of diameter, and length was 5 fold of width, the maximum load and breakage load were statistically significant compared with control group (P=0.008). The maximum power consumption of two sample groups was significantly decreased compared with control group (P < 0.05, P < 0.01).
CONCLUSION: ①Anti-bending ability of long tubular bone is decreased when cortical length is increased; ②Considering the influence of both cortical defect width and length would accurately explore the biomechanics of tubular bone with irregular defect.
Chen JH, Jiang BG, Zhang DY, Fu ZG. Influence of cortical bone defects of different lengths on biomechanics of long tubular bone.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(11):2011-2014(China)
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-11/11k-2011(ps).pdf]
0 引言
由各种原因导致的长骨干皮质缺损在临床上经常可以看到。皮质缺损破坏了长骨的完整力学结构，较大的皮质缺损会改变骨干的生物力学性能，需要骨科医生进行处理。Edgerton等[1]对不同大小的羊的股骨干环状缺损进行扭转测试，发现当缺损直径与管状骨外径比为10%时，并未引起管状骨的抗扭转力明显降低，当缺损直径为管状骨外径的20%时，其抗扭转力降低了34%，他认为缺损直径为20%是一个引起应力变化的启动点。杨明等[2]的实验研究发现，单侧皮质缺损直径在长管状骨外径的（22.63±1.39）%以内时，不影响其抗弯曲性能；当其超过长管状骨外径的（29.36±2.07）%时，将降低长管状骨的抗弯曲性能。
在临床上遇到的皮质缺损常常是不规则形的，因此要探讨皮质缺损对骨干生物力学的影响应该考虑缺损的宽度与长度两个因素。常用的模型是长骨干的矩形皮质缺损。笔者前期实验通过环形缺损的模型探讨了缺损宽度对骨干生物力学的影响，结果发现，张力侧缺损直径达到骨干横径的30%时即可显著破坏骨干的生物力学性能（另文发表）。Elias等[3]探讨了不同长度骨缺损对标准股骨扭转性能的影响，发现当缺损长度达到骨干外径的2倍以上时，股骨的扭转性能显著降低。本实验旨在探讨矩形皮质缺损对骨干三点弯曲性能的影响，以更深入了解皮质缺损大小对骨干生物力学性能的影响。
1 材料和方法
设计：对比观察。
单位：北京大学人民医院。
材料：实验于2007-10/12在北京大学人民医院创伤骨科实验室完成。新鲜成年山羊股骨标本54个，纳入标准：①外观没有破损。②骨干最窄处冠状面直径范围在14~17 mm 之间，矢状面直径在14~17 mm 之间。骨干长度> 120 mm。
设计、实施、评估者：实验设计为第一作者，干预实施为第二作者，评估为第三作者。经过正规培训，采用盲法评估。
方法：
模型制备：通过游标卡尺确定骨干冠状面最小直径位置并作标记，记录标记点的冠状面直径和矢状面直径。在测量矢状面直径时，游标卡尺与骨干张力侧的接触点为张力侧皮质缺损的中心点。以此中心点为中心制作张力侧单侧皮质矩形缺损，缺损的宽度分别为冠状面骨外径的10%和20%，长度分别为缺损宽度的2，3，4，5倍，见图1。
实验分组：按照皮质缺损的宽度分为10%宽度组和20%宽度组。各组根据缺损长度为缺损宽度的2，3，4，5倍各取6个样本，没有皮质缺损的正常骨作为对照。
三点弯曲测试：本实验的力学测试机为日本岛津AG-IS力学测试机，传感器量程为20 000 N，精确度为0.5%。标本跨度为120 mm，加载速度为10 mm/min，加载装置从上向下移动，加载装置在标本皮质缺损的对侧施加载荷，见图2。测试软件为测试机匹配的Trapezium软件，计算机同步绘出负荷-位移曲线。
主要观察指标：从负荷-位移曲线上获得标本的最大负荷，达到最大负荷的功耗（最大功耗）和断裂负荷。
统计学方法：由第三作者采用SPSS 10.0数据分析软件完成统计处理，组间比较采用单因素方差分析，P < 0.05为差异有显著性意义。
2 结果
2.1 20%宽度组不同长度标本力学指标测试
结果 见表1。
最大载荷：矩形缺损的宽度为横径的20%、长度为宽度5倍的标本三点弯曲测试的最大载荷较对照组显著降低(P=0.014)；长度为宽度4倍的标本与对照组比较，差异也有显著性意义(P=0.007)；3倍和2倍组与对照组相比，差异无显著性，P值分别为0.359和0.311。
断裂载荷：矩形缺损的宽度为横径的20%、长度为宽度5倍的标本三点弯曲测试的断裂载荷较对照组显著降低(P=0.018)；长度为宽度4倍的标本与对照组比较，差异也有显著性意义(P=0.015)；3倍和2倍组与对照组相比，差异无显著性，P值分别为0.529和0.566。
最大功耗：矩形缺损的宽度为横径的20%、长度为宽度2~5倍的标本三点弯曲测试结果与对照组相比，差异均有显著性，P值分别为0.021，0.042，0.009，0.004。
2.2 10%宽度组不同长度标本力学指标测试结果 见表2。
最大载荷：矩形缺损的宽度为横径的10%、长度为宽度5倍的标本三点弯曲测试的最大载荷较对照组显著降低（P=0.008）；其他各组与对照组相比，差异无显著性，P值分别为0.664，0.171，0.402。
断裂载荷：矩形缺损的宽度为横径的10%、长度为宽度5倍的标本三点弯曲测试的断裂载荷较对照组显著降低（P=0.016）；其他各组与对照组相比，差异无显著性，P值分别为0.677，0.257，0.467。
最大功耗：矩形缺损的宽度为横径的10%、长度为宽度的2~5倍的标本三点弯曲测试结果与对照组相比，差异均有显著性，P值分别为0.034，0.014，0.018，0.002。
2.3 可能影响结果的因素分析 ⑴本实验采用的长骨标本是羊的股骨，其形态与人的股骨很相似，张力侧皮质和压力侧皮质的构成与人相似，但从生物力学性能上有明显区别，不能把本实验的结果直接对应到人的骨缺损上。采用羊的股骨也有一定的有点：①标本选择余地大，可以选择均一性好的标本进行测试，降低了标本差异产生的误差，这是采用人体标本很难达到的。②来源充足，适于作为骨科生物力学研究的初步实验。⑵股骨不同位置的骨质力学特点不同，本实验探讨了张力侧的缺损，但临床上的骨缺损可以在任何位置，其他位置缺损对骨干生物力学的影响还需要深入研究。
3 讨论
长骨干的皮质缺损在临床常可见到。皮质缺损破坏了骨干的生物力学完整性，较大的缺损增加骨干骨折的风险。以往接受的缺损达到骨干直径50%需要处理的观念正在受到挑战[1-2]。对于多大的皮质缺损需要外科手术干预尚没有一致的答案。较多的学者研究集中在骨缺损的组织工程治疗和分子生物学、干细胞治疗[4-9]。
国内外对于骨皮质缺损进行了计算机模拟的有限元分析[10-11]和生物力学研究[1-2]。Edgerton等[1]对不同大小羊的股骨干环状缺损进行扭转测试，发现当缺损直径为管状骨外径的20%时，其抗扭转力降低了34%，认为缺损直径为20%是一个引起应力变化的启动点。杨明等[2，12-14]对鸡胫骨皮质缺损进行三点弯曲测试，发现单侧皮质缺损直径超过长管状骨外径的(29.36±2.07)%时，将降低长管状骨的抗弯曲性能。翟文亮等[15]对股骨干压力侧骨缺损进行内固定治疗并进行生物力学研究，发现压力侧皮质骨缺损可以显著影响內植物的力学稳定性，在内固定的同时填充骨缺损有助于改善骨折固定后的力学稳定。上述研究结果说明皮质缺损对骨干不同的生物力学指标的影响不同。笔者前期实验发现同样大小的皮质缺损在张力侧和压力侧对骨干的力学影响有很大区别。上述文献综述显示皮质骨缺损的大小和位置对长骨干的力学影响不同，对不同的力学指标的影响也不同。提示对骨缺损的研究要明确缺损的大小、位置和生物力学指标。
临床常见的骨皮质缺损常常是不规则形的，这就提示对实验模型的建立应该考虑皮质缺损的两个指标：第一个指标是缺损直径与骨干横径的比例；第二个指标是缺损在骨干纵轴上的长度。因此，可以将缺损模型制作成矩形，矩形的宽度反应缺损在骨干横截面的大小，矩形的长度反应缺损在骨干纵轴上的大小。刘迎曦等[16]研究不同长度皮质骨缺损对长骨扭转刚度和剪力流的影响，结果提示，小于一倍骨外径的纵向缺损对剪力流和旋转刚度的影响不明显，超过两倍骨外径则出现显著影响。Elias等[3]探讨了不同长度矩形骨缺损对标准股骨扭转性能的影响，其模型的矩形骨缺损宽度为1/10~3/10骨外径，矩形的长度为0.5~5.0倍骨外径，发现当缺损长度达到骨干外径的两倍以上时，股骨的扭转性能显著降低。但对于矩形皮质缺损对骨干抗弯曲性能的影响报道较少，本文即主要探讨此方面内容。
本实验室的前期工作探讨了环形皮质缺损对骨干的力学影响，发现张力侧皮质缺损直径小于骨干横径的30%时，皮质缺损不影响骨干的抗弯曲性能，与杨明等[2]的研究结果类似。本实验旨在探讨矩形皮质缺损长度对骨干力学性能的影响，故将矩形缺损的宽度设定为骨干横径的10%和20%，排除了矩形缺损宽度对骨干的影响。矩形缺损的长度为宽度的2~5倍，也就是骨干横径的0.2~1.0倍。从三点弯曲测试的最大负荷与断裂负荷结果显示，当矩形缺损宽度为横径的20%时，缺损的长度达到宽度的4倍即可显著降低骨干的抗弯曲负荷；当矩形宽度为横径的10%时，长度达到宽度的5倍即可显著降低骨干的抗弯曲负荷。由于没有相关矩形缺损三点弯曲测试的文献可比较，与扭转测试的文献比较发现，更小的皮质缺损长度（小于骨外径的一倍）即可导致长骨抗弯曲性能的下降，而较大的矩形缺损（大于两倍骨外径）才会导致长骨抗扭转性能的下降。本实验结果提示，皮质骨缺损对骨干生物力学性能的影响远比想象的要明显。
功耗是衡量骨干生物力学性能的又一个常用指标，它反映骨在承受应力载荷时所能吸收或者承载的能量。本实验选用达到最大负荷时骨干所吸收的能量，即最大功耗作为一个单独的评价指标，目的在于更深入的阐释骨缺损可能对骨干生物力学的影响。最大功耗通过计算载荷-位移曲线中达到最大负荷时的曲线下面积获得。即使有相同的最大负荷，其曲线下面积也可以有很大差异，也就是最大功耗可能显著不同，既往对肌腱愈合的生物力学研究中即发现了最大负荷与功耗之间的差异[17-18]。实验结果显示，不论缺损宽度大小（20%还是10%骨干外径），不同长度的矩形缺损都表现出最大功耗的显著性下降，这说明骨干对载荷的能量吸收能力显著降低，已经影响了骨干的生物力学性能。
虽然国内外针对皮质骨缺损修复材料与方法的研究日益增多[4-5,9,19-20]，但是，对皮质骨缺损较为深入的研究发现，对于骨缺损对骨干生物力学的影响还没有完全认识清楚，进一步深入探讨骨缺损对骨干生物力学的影响还需要更多的研究。本实验仅仅探讨了张力侧矩形皮质缺损对三点弯曲性能的影响，下一步还要探讨对抗扭转性能的影响和矩形缺损在骨干其他位置所产生的生物力学影响。
本实验的结果有一定的局限性。首先，实验采用的是羊的股骨，而非人的股骨，实验结果不能直接应用于人体。人的股骨来源极少，且标本的个体差异大，实验结果也会有误差。采用羊股骨的最大优势在于来源充足，可以严格挑选标本以获得良好的标本质量均一性；其次，只探讨了张力侧矩形皮质缺损对三点弯曲性能的影响，研究并不全面，笔者下一步的研究将继续深入探讨缺损位于不同位置对骨干三点弯曲和抗扭转性能的影响。
本实验通过制作矩形骨皮质缺损观察其对骨干三点弯曲性能的影响，与其他研究比较，发现更小的皮质缺损即可显著影响骨干的生物力学性能。采用矩形缺损可以综合分析缺损宽度和长度两个因素对骨干力学性能的影响，相对环形缺损模型更为准确。
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