一种用于矫治儿童肢体成角畸形的、新型临时半骺板阻滞装置的研制及相关研究

发布时间：2018-10-07 19:48

【摘要】：第一部分传统半骺板阻滞装置三维有限元和生物力学模型建立及内固定失败原因分析目的:半骺板阻滞术已被广泛的应用于治疗骺板未闭合的儿童肢体成角畸形。阻滞装置包括:U型骨骺钉、跨骺板加压螺钉、张力带钢板三类;其中张力带钢板技术由于其手术操作便捷,创伤小,固定牢靠的特点目前被最广泛的使用于临床。临床研究发现该类装置术后内固定发生失败的情况并不少见,而关于内固定失败原因的研究却鲜有报道。本研究旨在通过建立三维有限元和生物力学模型,分析可能造成内固定装置局部应力增高、内固定失败的因素,为改进内固定装置的设计提供新思路。方法:建立生物力学模型,利用超高分子聚乙烯材料模拟皮质骨,将传统的张力带钢板和螺钉(钛合金)固定其上。样本根据螺钉长度(20mm,30mm),置钉方式(内聚30°,平行,外展30°)分为5组。采用静态加载张力(500N)和循环加载张力(500N,2HZ)两种方式,将力作用于样本。应力解除采用显微镜观察螺钉压痕部位,采用X线衍射技术测量螺钉压痕部位表面的残余应力,并比较不同组之间的大小关系。建立三维有限元模型,采用和生物力学模型一样的分组方式,加载静态张力,观察螺钉表面的应力分布情况,比较不同组之间应力分布的异同。结果:在生物力学模型中,静态加载张力的作用下,螺钉表面并没有产生明显的压痕,残余应力接近于零,而在循环加载的张力的作用下,螺钉表面压痕明显,测量获得的残余应力远超过钛合金的屈服应力。其中20mm螺钉组和30mm螺钉组残余应力差异没有统计学意义。而内聚、平行两种置钉方式下产生的残余应力明显小于外展组。三维有限元分析的结果提示不同长度螺钉的表面应力分布并没有明显改变,但是内置和平行置钉两种方式产生的应力明显小于外展的置钉方式。两种模型都提示,应力集中的部位在螺钉进入皮质骨的部位。结论:循环加载应力是内固定失败的主要原因。螺钉容易发生断裂的部位在其进入皮质骨的部位。螺钉长度并不影响螺钉表面的应力分布。平行和内聚置钉的方式可以减小螺钉表面的最大应力,最终减少内固定失败的风险。第二部分动物试验研究比较新型铰链钢板与传统张力带钢板在阻滞效果、应力分布上的差异目的:前述试验已经证明,在循环张力负荷加载下,螺钉表面产生较高的残余应力,这可能是螺钉断裂,内固定失败的原因。传统的张力带钢板和骨表面无法合适匹配,暴露在钢板和皮质骨之间的螺钉在阻滞的过程中会产生很大的剪切力,这也是是螺钉松动、断裂的另一重要原因。此外钢板跨骺板固定会压迫骺板周围骨膜骨软骨膜导致损伤。为此我们设计了一种新型的铰链式钢板,内建铰链和免压角结构。本研究的目的是检测新型铰链钢板的阻滞效果以及相对于传统钢板的优点。方法:我们选取9只3月龄的雄性巴马小型猪作为试验动物,手术的部位在猪后肢胫骨近端内侧。我们将传统的张力带钢板和新型铰链钢板通过随机分配的方式置于猪的左右后肢。手术完全遵循半骺板阻滞术的标准规范进行。分别于术后即刻,6,12,18周摄片,比较各组畸形成角变化情况。然后处死后将内固定装置取出分析内固定表面残余应力情况,病理切片观察分析骺板表面骨膜和软骨膜的形态和厚度变化,比较两组之间的差别。结果:总共有8只动物完成了该试验。摄片测量提示术前和术后18周两组胫骨内侧平台角(MSA)、胫骨近端内侧角(MPTA)、远近端螺钉成角(DPA)没有显著差别。在铰链钢板组,MSA、MPTA、DPA的月矫正度数分别为2.18°,0.85°,0.71°,而传统钢板组分别为2.13°,0.89°,0.84°。统计学结果提示两组内固定装置的阻滞效率没有统计学差异。铰链组钢板表面的残余应力明显低于传统钢板(P=0.001),而铰链钢板组骺板周围骨膜和软骨膜的厚度明显厚于传统钢板组(P=0.0001)。结论:铰链钢板和传统钢板有相似的矫正效果。铰链钢板较传统的钢板的优点包括:(1)通过铰链装置改善了整个系统的应力分布以减少内固定失败的风险;(2)通过内建的免压角设计降低了钢板压迫骺板周围骨膜和软骨膜造成损伤。第三部分:半骺板阻滞术中组织病理学变化和内固定装置取出后畸形复发机制的初步研究目的:尽管半骺板阻滞术已经被广泛的应用于临床,但是其组织病理学机制,以及内固定装置取出后畸形复发的机制仍不清楚。我们前期三维有限元试验已证实半骺板阻滞术作用于骺板的是不对称的压应力。这种不对称的压应力作用于骺板,调节骺板软骨内生骨化。既往已有研究表明在阻滞过程中产生压力作用于骺板导致其厚度变薄,组织形态发生改变,内固定取出后骺板增厚,出现加速生长的情况。我们推测这个过程和应力作用下细胞的凋亡有关。本研究的目的是通过组织病理学切片及免疫组化的方法对半骺板阻滞术后以及内固定装置取出后骺板形态、厚度、组成变化以及骺板软骨凋亡率及蛋白的表达进行观察,初步探索骺板阻滞和畸形复发可能的机制。方法:选取8只3月龄的雄性巴马小型猪作为试验动物,手术的部位在猪后肢胫骨近端内侧。我们将半骺板阻滞钢板通过随机分配的方式置于猪的左或者右后肢,对侧肢体作为对照组。其中一组术后18周处死,另一组18周内固定取出后再饲养6周后处死。取病例标本分别予以HE,TUNEL,CHOP和P65等相关蛋白免疫组化染色,我们通过HE染色计算骺板总厚度,静止层、增殖层、肥大层的厚度百分比的变化。通过TUNEL染色计算骺板细胞凋亡率的变化情况。免疫组化染色比较相关蛋白染色阳性率的变化情况。结果:HE染色提示在骺板不同部位,骺板的厚度各不相同,越靠近胫骨近端内侧的部位骺板的厚度越薄,而靠近胫骨近端外侧的骺板厚度和对照组接近。当内固定装置取出以后,胫骨近端内侧骺板的厚度明显高于正常。TUNEL染色提示半骺板阻滞术后细胞凋亡率明显提高,而当内固定取出后凋亡率开始下降。P65和CHOP免疫组化染色提示半骺板阻滞术后P65和CHOP蛋白的表达明显提高,而当内固定取出后表达下调。结论:本研究提示压应力强度、骺板厚度、基质相关的蛋白表达、内生骨化速度、“追赶生长”现象之间存在相关性。半骺板阻滞过程中,压应力介导了骺板软骨细胞的凋亡。这种凋亡伴随着内质网应激相关蛋白CHOP的表达升高,提示凋网可能与内质网应激关系密切,而NF-κB P65通路在此过程中起了重要的作用。这些发现对进一步阐明半骺板阻滞术调节内生骨化、阻滞后畸形复发的机制,以及为矫正畸形提供新的思路有重要意义。第四部分:半骺板阻滞术治疗膝关节内外翻畸形低矫正效率的临床危险因素分析目的:半骺板阻滞术治疗膝关节内外翻畸形是一个逐步矫形的过程,预测畸形矫正速度对于医患选择手术时机,术后随访策略的制定具有重要意义。回顾文献我们发现,不同研究之间矫正速度的差异很大,导致畸形矫正速度的预测十分困难。既往研究表明畸形矫正速度受到多个因素影响,这些因素包括性别,年龄,肥胖程度,病因,手术操作方式,畸形严重程度等。本研究的目的是随访我们临床中心所有经过半骺板阻滞术符合纳入标准的患者,筛选出可能造成畸形矫正速度低下的危险因素,为临床医生预估手术时机,制定随访策略提供依据。方法:我们回顾了本中心2010.1-2013年12月底68例经过半骺板阻滞术治疗的患者。随访的资料包括患者的年龄,性别,体重,病因,手术部位,骺板的宽度,术前、术后畸形角度变化,内固定存留体内的时间,采用一块还是两块钢板阻滞骺板等。基于上述患者的临床资料数据,我们计算出不同年龄的每个病例的年骺板生长率,将数值与Anderson儿童生长量表相对应年龄年生长率数值进行对比,如果低于Anderson量表的数值2个标准差,我们将其定义为低矫正速度。我们通过多元单因素回归分析患者的特征因素和低矫正速度之间的相关性。结果:股骨远端的平均矫正速度是10.29度/年,胫骨近端为7.92度/年。多元单因素分析结果显示非特发性的膝关节冠状面成角畸形(相对危险度=13.58,P=0.000)和肥胖(相对危险度=2.69,P=0.020)是导致低畸形矫正速度的危险因素。结论:非特发性的膝关节冠状面成角畸形和肥胖是导致畸形矫正速度低下的危险因素。对于此类患者我们可能需要尽早进行手术治疗。但是我们仍无法了解畸形严重程度、人种、手术方式的差别对畸形矫正速度的影响。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R726.8

【相似文献】