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编号:10742004
山羊下颌骨牵张成骨的生物力学研究
http://www.100md.com 《口腔医学研究》 2005年第3期
     [摘要] 目的:探讨下颌骨牵张成骨进程中骨段间张力强度的变化特征。方法:8只山羊右下颌骨行骨皮质切开术并牵张后,对牵张期的每个工作日内的牵张前骨段间张力值﹑牵张时张力值和牵张后张力值进行测量分析,同时对固定期内的骨段间张力也进行了测量分析。结果:牵张期内骨段间张力值逐日显著增高,牵张期结束时达到峰值;固定期内张力值逐周显著下降,至骨皮质切开术9周后与施加牵张力前正常状态时骨段间张力值无显著性差异。结论:下颌骨牵张成骨进程中骨段间延长区组织所承受的张力值表现为先上升后下降的走势,这可能与骨周组织的适应性增长和新骨强度的逐渐增高有关。

    [关键词] 牵张成骨 骨段间张力 牵张期 固定期

    Evaluation of the Biomechanical Environment During Distraction Osteogenesis of Mandible: An Experimental Study in Goats.

    LONG Jie, FAN Yu-Bo, TIAN Wei-Dong, et al.

    The Key Lab of Biomechanics, Sichuan University, Chengdu 610065

    [Abstract]Objective: To investigate the characteristics of gap tension between the bony segments of the mandible during distraction osteogenesis. Methods:The right mandibles of eight goats were distracted after corticotomy. We studied the predistraction gap tension, distraction gap tension and postdistraction gap tension respectively everydays during distraction period. The gap tension during consolidation period was studied too. Results: The gap tension values increased significantly day by day during the distraction period, and the peak point appeared after 18 days corticotomy; but the gap tension decreased significantly week by week during the consolidation period, and it showed no significant difference with normal functional gap tension after 9 weeks corticotomy. Conclusion: During the distraction osteogenesis in mandible, the gap tension showed a sharp increase in distraction period and followed by some relaxation in consolidation period, it may be related to the adaptive proliferation of the periosteal tissue and the increasing strength of the new generation bone.

    [Key words] Distraction osteogenesis Gap tension Distraction period Consolidation period

    牵张成骨(distraction osteogenesis,DO)是对保留血供的骨段施以缓慢进行性张力后诱导骨断端形成新骨从而延长和拓宽骨骼以达到矫治骨性畸形和缺损的外科手术方法。骨段间间隙延长区组织在持续的张力作用下增生成骨是牵张成骨的基本生物力学原理,既往对长骨的研究表明DO进程中间隙组织所处的生物力学环境相当复杂,牵张期和固定期间隙组织所受的张力的强度值不恒定且变化较大[1,2],本实验将山羊下颌骨行骨皮质切开术并牵张后,对牵张期和固定期时的骨段间隙组织所承受的张力(骨段间张力)强度变化进行了研究。

    1 材料与方法

    1.1 实验设计原理 本实验的研究目标是探讨DO进程中骨段间延长区组织所承受张力的力学强度变化,由于牵张器的两固位臂固定于两侧骨段,依照作用力与反作用力原理,作用于牵张器的压力值与骨段间延长区组织所承受的张力值相同,实验中测量出作用于牵张器上的压力即可。具体如下:将感应片安装于牵张器并通过导线与静态电阻应变仪相接,把牵张器固定在压力加载仪试验机上进行压力-应变标准曲线的标定,完成标准曲线的标定后,将牵张器安装于动物下颌骨并进行骨牵张术,可通过与牵张器相连的应变仪得到牵张器受力后的相应力学应变值,并通过压力-应变标准曲线换算出作用于牵张器的相应压力值,如前所述,该压力值与骨段间延长区组织所承受的张力值相同,见图1。

    图1 已粘贴应变片并已安装导线的牵张器 略

    1.2 实验动物和主要器材 8只健康山羊(6月龄,购自四川简阳,雌雄各半,体重约20kg),单侧口外牵张器(本课题组自行研制),应变片(BX20,20Ω±1Ω,浙江黄岩),静态电阻应变仪(YJR-5A,奉化大桥精密仪器制造厂),压力加载实验机。

    1.3 实验方法

    1.3.1 牵张器的设计及制作 本研究所用的牵张器为本课题组自行研制的单侧口外牵张器[3]。

    1.3.2 应变片的安装 清洁牵张器表面后,以502胶将应变片分别粘在牵张器的两个固位臂的侧面,焊接引线和导线,外涂硅橡胶防潮。

    1.3.3 压力-应变标准曲线的标定 固定牵张器于压力加载仪试验机上,以导线将牵张器与电阻应变仪相接,将电阻应变仪调零后,沿着牵张器的轴向进行缓慢递增的压力加载,每隔2牛顿加载一次,共加载到70牛顿。每次加载均在应变仪上读取相应应变值,加载结束后,标定出以应变值为横坐标,压力值为纵坐标的压力-应变曲线。

    1.3.4 下颌骨骨皮质切开术和牵张器的安装 将山羊全麻后,对其右下颌骨行骨皮质切开术并安装已粘贴应变片的牵张器,截骨部位、手术方案和术后护理见笔者前期研究报告[3]。

    1.3.5 牵张延长下颌骨 骨皮质切开术第7天进入牵张期,自第7天开始顺时针旋转加力杆延长右下颌骨,每工作日加力4次,每次延长0.2 mm(0.2 mm/6 h), 每天共延长下颌骨0.8 mm,连续加力12 d后(术后第18天)固定牵张器, 进入固定期。

    1.3.6 牵张期骨段间张力的测量分析 将已固定于动物下颌骨的牵张器的导线与应变仪相连,在牵张期(骨皮质切开后7~18 d)的每个工作日中分别对第4次牵张加力前30 min时点的骨段间张力(牵张前张力)﹑牵张加力即刻结束时骨段间张力(牵张时张力)和牵张加力完成后30 min时点的骨段间张力(牵张后张力)进行测量,并对各工作日的各相应张力指标进行统计分析。

    1.3.7 固定期内骨段间张力的测量分析 牵张期后进入固定期,从骨皮质切开术后第23天起每隔1周对骨段间张力进行测量,观察固定期骨段间张力变化规律; 以术后第7天的牵张前张力为正常状态下咀嚼肌轻微功能运动状态时骨段张力(此时已完成断骨但尚未开始牵张加力操作)为对照,对固定期骨段间张力变化趋势进行观察并与正常轻微功能运动状态时骨段张力进行分析比较。

    1.3.8 统计学分析 采用随机区组设计的方差分析和LSD法(least significant difference,最小有意义差异法)对实验数据进行统计学分析。

    2 实验结果

    2.1 大体观察 所有动物术后全部存活,其右侧下颌骨确延长9~9.5 cm,实验中未见已延长的下颌骨有明显的回缩。

    表1 牵张期各工作日的牵张前、牵张时和牵张后张力值 略

    2.2 牵张期内骨段间张力的变化 在牵张期的各个工作日内,施加牵张力前后骨段间张力并不恒定,牵张时张力最高,牵张前张力最低,牵张后张力介于两者之间。各工作日内各项张力指标的数值经方差检验,P﹤0.05,可以采用LSD法对各工作日之间的各项张力指标进行两两比较,牵张期内各工作日之间骨段间各项张力指标值均逐日显著递增(P﹤0.05),至术后第18 天时骨段间张力值达到峰值,见表1。

    2.3 固定期内骨段间张力的变化 骨皮质切开术后1周(7 d)时和固定期时骨段间张力值见表2,如上所述,术后1周骨段间牵张前张力值被认为是在正常轻微咀嚼时骨段间张力,在本实验中作为对照。由表2可见,术后4周(23 d)时骨段间张力最高,但小于牵张期结束时(18 d)骨段间牵张后张力值;固定期内骨段间张力值随时间的推移基本呈下降趋势,9周后趋于平缓;表2中各组数据经方差检验,P﹤0.05,可以采用LSD法进行组间两两比较,经LSD法比较,结果显示:术后1周、9周和10周时骨段间张力值之间无显著性差异(P﹥0.05),而这3周内的张力值与其余时间的张力值两两之间相比均有显著性差异(P﹤0.05)。

    表2 骨皮质切开术后1周时和固定期时骨段间张力 略

    3 讨论

    本实验结果显示,在牵张期的每个工作日内骨段间张力强度变化较大,牵张前张力值最低,牵张时张力值最大,牵张后张力值位于前两者之间,也就是说牵张力施加后骨段间张力会出现一定程度的衰减;伴随着牵张期的进行,骨段间牵张前张力、牵张时张力、牵张后张力值逐日递增,各张力值均较前一日显著增高, 至骨皮质切开术后第18天牵张期结束时,骨段间张力达到峰值,牵张结束时骨段间张力值约为牵张开始时的7~10倍,该结果表明随着骨牵张的进行,骨段间距离逐渐增大,骨膜和骨周肌肉及软组织被拉伸后粘弹性增强,导致了骨段间张应力的增加,Hollis[4]的研究表现在DO加力进程中骨段间延长区组织的骨膜和新生骨痂将承受79%的张力,而正是在这种增高的张力作用下骨膜组织的大量间充质细胞转化为成骨细胞,膜内成骨活跃,从而诱发了新骨的形成。

    在术后7~14 d的牵张过程中,每个工作日牵张前张力值大于前一工作日的牵张后张力值,但从第15天开始,出现了每工作日牵张前张力值小于前1日牵张后张力值的现象并一直到牵张期结束,见表1,这可能是在牵张期的后段骨周软组织有了一定的适应性增长,其弹性衰减较大, 从而导致了骨间张力值较前一工作日略有降低的现象, 而骨周软组织的这种适应性增长正是DO术的优势所在[5]。

    固定期测量结果显示:从术后第4周至第9周的固定过程中,骨段间张力值持续递减,每周张力值较前一周张力值显著下降,第9周与第10周的骨段间张力降至最低且两周间无显著性差异。该实验结果表明随着固定期的进行,骨段间隙内骨形成明显,伴随着新形成骨组织密度和硬度的逐渐增加,骨周软组织被动拉伸所产生的弹性降低,骨段间张力逐渐下降。此外,实验结果发现术后第9周和第10周的张力值与术后7 d的牵张前张力值之间无显著性差异, 骨皮质切开术后7 d牵张前张力值是牵张期开始前,也就是在未施加外力前的张力值,该值表示了下颌骨咀嚼肌轻微功能运动时对骨的牵拉作用,因此,可以认为,从术后第9周开始骨段间张力趋于平稳,骨段间张力只是反映了骨周肌肉的轻微功能性运动,此时新生骨的硬度已足够维持形态,骨周软组织适应性增长基本完成,软组织被动拉伸产生的额外物理张力消失。

    结合牵张期和固定期的实验结果可见,骨皮质切开术后4周时骨段间张力较牵张期结束时张力已有一定回落,牵张成骨进程中骨段间组织所承受的张力表现为先升后降的走势,这可能与组织的适应性增长和新骨强度的逐渐增高有关。

    研究表明DO进程中骨段间过大的张力可能导致包括牵张器加力杆受力后弯曲﹑固位螺钉受力后松脱等不良反应[6],而由此在颞颌关节髁突产生的生物压应力所引发的髁突软骨的改建更可能导致关节的破坏[7],因此,对DO的生物力学研究相当重要。本实验研究了骨段间间隙延长区组织所承受的张力强度, 在确定了这一力学因素后, 进一步将采用三维有限元的方法对下颌骨关节区进行生物力学研究,为通过调整牵张手段以减轻对骨关节的破坏并提高术后成骨质量提供实验依据。

    参考文献

    [1] Waanders NA,Richards M,Steen H. Evaluation of the mechanical environment during distraction osteogenesis [J]. Clin Orthop, 1998, 349∶225-234

    [2] Younger AS, Mackenzie WG, Morrison J. Femoral forces during limb lengthening in children [J]. Clin Orthop, 1994, 301∶55-63

    [3] 龙洁,田卫东,郑晓辉,李声伟.牵张成骨对山羊下颌骨成骨细胞增殖节律的影响[J].华西口腔医学杂志,2003,21(2)∶144-146

    [4] Hollis J, Aronson J, Hofmann OE, et al. Differential loads in tissues during limb lengthening [J]. Trans Orthop Res Soc, 1990, 38∶14-20

    [5] Cope JB, Samchokov ML, Cherkashin AM, et al. Mandibular distraction osteogenesis: a historic perspective and future direction [J]. Am J Orthod Dento facial Orthop, 1999, 115(4)∶448-460

    [6] Windhager R, Tsuboyama T, Siegl H, et al. Effect of bone cylinder length on distraction osteogenesis in the rabbit tibia [J]. J Orthop Res, 1995, 13(4)∶620-628

    [7] Harper RP, Bell WH, Hinton RJ, et al. Reaction changes in the temporomandibular joint after mandibular midline osteodistraction [J]. Br J Oral Maxillofac Surg, 1997, 35(1)∶20-25

    基金项目 中国博士后科研基金资助项目(编号:2003034420)四川省应用基础研究计划资助项目(编号:03JY029-088-1)

    作者简介 龙洁(1973~ ),男,天津人,主治医师,博士,研究方向为骨组织的生物力学研究。

    通讯作者 龙洁,E-mail: lykr2002@yahoo.com.cn

    樊瑜波,E-mail: yubofan@yahoo.com.cn

    (本文编辑 汪喻忠), http://www.100md.com(龙洁 樊瑜波 田卫东 郑晓辉 吴玲)