钛合金支撑架植入对狗股骨颈力学强度的影响

1、    钛合金支撑架植入对狗股骨颈力学强度的影响            作者：王锐英，吴强，傅德皓，杨述华，杨操  【摘要】  目的对比研究正常股骨颈、单纯髓芯减压、髓芯减压+钛合金支撑架植入治疗实验性狗股骨头坏死对股骨颈的生物力学强度的影响。方法取新鲜狗股骨头21对，随机分为3组，每组7对，第1组随机选取一侧，行单纯髓芯减压；第2组随机选取一侧行髓芯减压+钛合金支撑架植入；第3组随机选取其中一侧行单纯髓芯减压，另一侧行髓芯减

2、压+钛合金支撑架植入，治疗模型建立后，在AGS10KND万能生物材料实验机上进行力学性能测试，观察3组标本股骨颈的力学刚度及强度，对实验结果标准化后行统计学分析。结果正常股骨颈，单纯髓芯减压组与髓芯减压+钛合金支撑架植入组股骨颈的刚度及最大负载在统计学上有显著差异。结论单纯髓芯减压会降低股骨颈的力学强度，增加术后发生股骨颈骨折的可能，钛合金支撑架植入显著增加了股骨颈的力学强度，对髓芯减压后股骨颈骨折的发生有预防作用。 【关键词】  股骨头缺血性坏死； 股骨颈； 支撑架； 生物力学    Abstract：ObjectiveTo study the bio

3、mechanics of the femoral neck on the treatment of ischemic of the femoral head in dogs using titanium alloy cage，single core decompression and normal.MethodTwentyone couples of fresh moist dogs femur specimens were divided randomly into 3 groups.In 2 groups，biomechanical test of the femoral neck was

4、 made on one of every couple in different conditions:core decompression，core decompression with titanium alloy cage implanting.The other of every couple was tested as normal control.In the third group，one of every couple was tested in condition of core decompression with titanium alloy cage implanti

5、ng.The other of every couple was tested in condition of core decompression.ResultThe stiffness and the max load of the single core decompression were less than that of the normal control.The max load of femoral head after titanium alloy cage implanting were lager than that of the core decompression

6、or the normal control.ConclusionThe titanium alloy cage implanting could increase mechanical support for femoral neck significantly and prevent femoral neck broken after manipulation.    Key words：femoral head necrosis;  femoral neak;  cage;  biomechanics  

7、60; 股骨头坏死的治疗是目前骨科面临的难题。其治疗方法虽多，但疗效均不太满意，往往进一步发展至塌陷或已存在的塌陷进一步加重，最终导致髋关节的残废而不得不行髋关节置换术1。为防止股骨头修复过程中发生塌陷，促进坏死股骨头修复，作者设计制造了合适大小的中空多孔圆柱状带螺纹的钛合金支撑架，通过股骨颈的钻孔减压隧道植入坏死股骨头软骨下，为股骨头提供支撑。本实验对正常股骨颈、单纯髓芯减压、髓芯减压+钛合金支撑架植入治疗实验性狗股骨头坏死的这3种状态下的股骨颈进行生物力学测试，了解手术对股骨颈的生物力学的影响，为临床提供实验依据。    1  材料与方法 

8、   1.1  支撑架    钛合金支撑架为杨述华教授等人设计。中空圆柱状，近端钝圆带中心导针孔，远端开口，外壁带螺纹，周壁多孔呈网眼状，全长30.0 mm，外径7.5 mm，内径3.5 mm，螺距2.0 mm，侧孔3排，每排4个，为长椭圆形2.5 mm×6.0 mm，对称分布，尾部均布1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm方槽4个，用于旋拧支撑架。其合金组成为钛铝四矾（Ti6Al4V）（京航百幕航材高科技股份有限公司加工制造）（图1）。    1.2  实验分组

9、    取健康成年杂种犬新鲜股骨2l对（同济医学院实验动物中心提供），狗龄为1824个月，狗臀高4550 cm，雌雄不限。双层塑料袋密封，放入-96超低温冰箱（SANYO，日本生产）中冷冻保存。测试前36 h取出，室温下自然解冻，随机分3组，每组7对，第1组随机选取一侧，行单纯髓芯减压，第2组随机选取一侧行髓芯减压+钛合金支撑架植入，第3组随机选取其中一侧行单纯髓芯减压，另一侧行髓芯减压+钛合金支撑架植入。    1.3  标本制作    在标本上模拟动物体上的钻孔过程。单纯髓芯减压实验侧，用直

10、径6 mm的空心钻沿导针从股骨大转子下骨皮质经股骨颈斜向股骨头钻隧道，直达股骨头软骨下骨板下1 mm处。髓芯碱压+钛合金支撑架植入组钻孔后用配套的外径7.5 mm丝锥攻出内螺纹后拧入支撑架至软骨下骨板。    1.4  实验仪器>    日本岛津公司生产的AGS10KND万能生物材料实验机，最大拉压力为10 kN，拉压速率0.5500 mmmin。本实验加压速率为5 mmmin。    1.5  测试方式    设计专用夹具，将每个标本固定在自制的股

11、骨夹具上，调整成前屈30°，内收5°，股骨头前倾15°位置，用直径20.0 mm的柱状钢压块在AGS10KND万能生物材料实验机上加压（图2），钢压块末端制成凹球面状，加压前在压块和股骨头之间用骨水泥偶合接触面，预加载后去除多余的骨水泥，待骨水泥干透后行正式加载。本实验加压速率为5 mmmin，屈服后终止实验。AGS10KND万能生物材料实验机内的电脑自动记录载荷信号生成应变位移曲线及相关数据，并由WinAGSlite 2000测试分析软件计算获得相关分析数据。    1.6  统计学方法   

12、 对测得数据以动物体重中位数及股骨中点前后径中位数进行标准化，减少个体差异。将数据分为单纯髓芯减压组、髓芯减压+钛合金支撑架植入组和正常对照组3组，每组14个标本。采用SPSS 10.0分析处理相关数据行方差分析和t检验。显著性水平设为0.05。    2  结  果    单纯髓芯减压组及正常对照组屈服时骨折部位均在股骨颈部（图3），髓芯减压+钛合金支撑架植入组屈服时骨折部位在转子间，支撑架尾端处（图4）。    图1钛合金支撑器  图2生物力学分析仪  图3单纯

13、髓芯减压组及正常对照组屈服时骨折部位在股骨颈部  图4髓芯减压+钛合金支撑架植入组屈服时骨折部位在转子间，支撑架尾端处2.1  3种状态下股骨标本的刚度及最大负载结果（表1）表1  股骨颈的刚度及最大负载3组间刚度和最大负载在统计学上有明显差异（P0.01）。单纯髓芯减压组刚度及最大负载明显低于正常对照组及髓芯减压+钛合金支撑架植入组，髓芯减压+钛合金支撑架植入组的刚度及最大负载明显高于正常对照组及单纯髓芯减压组（表2）。    2.2  力学分析位移载荷曲线（图5）    图中纵坐标表示AGS

14、10KND万能生物材料实验机所施加的载荷，横坐标表示所产生的位移。从图中可以看出各组股骨头刚度曲线在起始阶段基本重合，当位移超过1.0 mm后，各组曲线分离，3种状态下刚度曲线在屈服前线性关系良好。3组曲线股骨颈刚度无明显差异，但最大负载有显著差异。单纯髓芯减压组屈服明显早于其他组，髓芯减压+钛合金支撑架植入组屈服晚于其他组，且承受的最大载荷明显高于其他组。表2  统计分析结果    3  讨  论    股骨头坏死是目前骨科的常见疾病之一，发病率有逐渐增多的趋势。目前人工关节的使用年限尚不能达到患者预期

15、寿命，再次行返修术效果更差，因此对早期股骨头坏死大部分学者仍主张首先应采取尽量保留股骨头的方法2。    图53组位移载荷曲线  单纯髓芯减压组；髓芯减压+钛合金支撑架植入组；正常对照侧    目前保留股骨头的方法主要包括经股骨颈或股骨头下开窗或钻孔后植入带血管不带血管皮质骨、从关节内塌陷的软骨处开窗植入皮质骨支撑并恢复股骨头外形等，或进行髓芯减压后植入自体骨，同种异体骨或带血管蒂或肌蒂的骨移植、血管束植入3等。这些方法，均在一定程度上破坏了股骨颈的正常结构。髓芯减压也在一定程度上破坏了股骨距的结构，对术后股骨颈的强度也有一

16、定程度的影响。在修复过程中股骨颈如果不能保持一定的强度，在负重或部分负重时就会发生股骨颈骨折。本实验结果证实，单纯髓芯减压会减低股骨颈的刚度及最大载荷。Aluisio等研究显示髓芯减压结合游离腓骨移植等手术也会在一定程度上降低股骨颈的力学性能4。其他一些从股骨颈或头下开窗的手术，直接破坏了股骨颈的骨皮质5、6，对股骨颈力学性能产生更大的影响7，且这些方法手术复杂，创伤大，对周围正常组织结构的破坏大8、9。    本实验采用的手术方法不破坏股骨颈骨皮质的完整性。力学分析时将股骨用特制的固定夹具固定在近似动物生理姿势状态下进行生物力学测试。股骨颈的受力状况和生理状态类

17、似，主要为剪切力和扭转力。统计分析结果显示，在狗的股骨颈用6 mm钻头进行髓芯减压后，单纯髓芯减压组股骨颈刚度及最大载荷明显低于正常对照组（P0.05）。减压后植入钛合金支撑架，股骨颈的最大载荷明显高于正常（P0.05）。说明植入支撑架可以显著增强股骨的支撑作用。本研究的手术途径与经皮股骨头中心减压手术途径10相同，即取股骨大转子外下方小切口，经骨皮质及股骨颈髓腔向股骨头坏死区钻隧道，然后沿隧道拧入支撑架。此手术途径与目前其他治疗股骨头坏死的手术途径相比较，手术对患者造成的创伤最小，对股骨头周围软组织及股骨头的血供破坏最小，有利于股骨头的修复。    髓芯钻孔减压

18、会减低股骨颈的刚度及最大载荷，增加术后发生股骨颈骨折的风险。在髓芯减压后植入一定长度的钛合金支撑架，在为股骨头软骨下骨板提供支撑的同时，将应力通过支撑架传递到支撑架远端部分所在的坏死区远侧正常的股骨头和股骨颈骨质内，纠正钻孔减压后所致的股骨颈强度下降，显著增加股骨颈的力学强度，起到预防髓芯减压后并发股骨颈骨折的作用。【参考文献】  1 杨述华，杨操，许伟华，等.液氮冷冻建立兔股骨头坏死动物模型J.中国矫形外科杂志，2001，8（1）：4849.2 王锐英，杨述华，杨操，等.支撑架植入防止髓芯减压后狗股骨头塌陷的力学研究J.中国矫形外科杂志，2005，13（15）：11561158.3

19、 俞步顺,等.滑膜切除钻孔减压加血管束植入治疗少儿股骨头缺血性坏死J.河北医学，1998,9：2425.4 Aluisio FV，Urbaniak JR.Proximal femur fractures after free vascularizedfibular grafting to the hipJ.Clin Orthop Relat Res，1998,（356）：192201.5 林斌，王岩，赵卫东，等.记忆合金网球支架治疗成人股骨头缺血性坏死的生物力学研究J.临床生物力学，2002，2（20）：150152.6 Mont.MA，Einborn TA,Sponseller PD，et al.The trapdoor proce