引用本文： 晏兆魁, 梁羽, 方躍, 姚相雨, 馬坤龍, 黃富國. 鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨治療犬脛骨平臺塌陷骨折模型生物力學試驗. 中國修復重建外科雜志, 2018, 32(6): 722-725. doi: 10.7507/1002-1892.201709068 復制
脛骨平臺骨折是一種常見骨折類型，約占骨折總數的 6%[1]。其中最常見的脛骨平臺骨折類型是劈裂壓縮型［骨科創傷協會（OTA）B3 型或 SchatzkerⅡ型］和外側壓縮型（OTA B2 型或 SchatzkerⅢ型）[2]，后者更常見于老年患者。在脛骨平臺塌陷的治療上，因非手術治療無法恢復關節面的平整性，故手術治療仍是首選。手術治療脛骨平臺骨折的關鍵為關節面解剖復位、植骨支撐和堅強內固定[3]。目前采用的植骨材料包括自體骨、同種異體骨、人工骨（磷酸鈣和氫氧化鈣的復合物）以及一些生物復合材料等，各有其優勢和不足。鎳鈦三維記憶合金作為一種新型材料，因具有超彈性、低磁性、耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕及良好生物相容性等優勢，近年來已廣泛應用于臨床多個領域[4-5]，但目前罕見使用鎳鈦三維記憶合金治療脛骨平臺塌陷骨折的研究報道。本研究設計了一種鎳鈦三維記憶合金網并行網內植骨，通過治療體外犬脛骨平臺塌陷骨折模型并行生物力學試驗，評價鎳鈦三維記憶合金網的生物學效能，為進一步動物體內實驗奠定基礎。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要材料、儀器
成年比格犬 8 只，雌雄不限，體質量 11～15 kg，由四川大學華西醫院實驗動物中心提供。自股骨髁上 6 cm 離斷后肢，自踝關節上方 2 cm 離斷，保留中間部分，剔除附著的脂肪、肌肉及韌帶等軟組織，同時去除髕骨，盡量保持股骨干與脛骨干的軸心在一條直線上，共獲得脛骨標本 16 個。實驗過程中對動物的處置符合 2006 年科學技術部發布的《關于善待實驗動物的指導性意見》。
鎳鈦三維記憶合金網：通過測量 16 個犬脛骨平臺結構和大小，并結合 2.4 mm 5 孔 T 型鋼板（山東威高集團有限公司）的形狀大小，我們設計了與成年比格犬脛骨平臺大小相適應的長 10 mm、寬 8 mm、高 8 mm 的半圓柱彈簧形鎳鈦三維記憶合金網（圖 1），由蘭州西脈記憶合金有限公司制作完成。
INSTRON-8874 生物力學測試系統由四川大學生物力學實驗中心提供。
1.2 犬脛骨平臺塌陷骨折模型制備
取 12 個脛骨標本在距離 Gerdy 結節 6 mm 的下方，用磨鉆鉆出與鎳鈦三維記憶合金網同樣大小的骨缺損，但骨缺損深度比鎳鈦三維記憶合金網的長度短 2 mm，以便在脛骨平臺外側放置鋼板螺釘后，對鎳鈦三維記憶合金網進行軸向加壓。將骨缺損上方的完整骨質鋸斷，模擬臨床 SchatzkerⅢ型脛骨平臺骨折。
1.3 實驗分組及方法
將 12 個犬 SchatzkerⅢ型脛骨平臺骨折模型隨機分成 A、B、C 組，每組 4 個；余 4 個正常脛骨平臺標本作為空白對照組（D 組）。A 組為鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨組，于骨缺損處先植入鎳鈦三維記憶合金網，網內植入自體腓骨夯實，不留空隙，然后于外側放置 5 孔 T 形鋼板螺釘；B 組為自體骨組，于骨缺損處直接填入自體腓骨夯實，外側放置同樣大小的鋼板螺釘；C 組為不植骨組，骨缺損處不植入自體骨，外側直接行鋼板螺釘固定。
1.4 生物力學檢測
自制脛骨平臺標本固定裝置，從股骨近端插入大小合適的鋼管，于鋼管遠端植入 1 枚 3.5 mm 皮質骨螺釘穿過股骨髁的內外側，以控制股骨近端的旋轉和移位；于脛骨遠端植入 2 枚交叉螺釘，以控制脛骨干在負荷加載下的向下移位。支具的底盤通過 INSTRON-8874 生物力學測試系統上的螺釘固定在其底座上。見圖 2。
將測量感應器置于各組標本上，調整脛骨平臺位置使加壓器受力點主要作用于脛骨塌陷部位。由股骨髁上方垂直向下連續加載負荷（0～1 700 N），加載速度為 1 mm/min，觀察加壓過程中位移變化；待標本位移較前 1 秒有了顯著增大，使標本發生了明顯形變時，記錄此時載荷，即為最大失效載荷。軟件導出并生成載荷-位移曲線，計算剛度（載荷與位移比值）。
1.5 統計學方法
采用 SPSS18.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 Dunnett-t 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
2 結果
A、B、C、D 組最大失效載荷分別為（1 624.72±7.02）、（1 506.57±3.37）、（1 102.00±1.83）、（1 767.64±24.56）N，剛度分別為（129.72±20.83）、（96.54±27.05）、（74.96±17.70）、（169.01±35.62）N/mm，A 組最大失效載荷及剛度顯著高于 B、C 組，但顯著低于 D 組，差異均有統計學意義（P<0.05）。見圖 3。
圖1
鎳鈦三維記憶合金網外觀
Figure1.
The appearance of Ni-Ti three-dimensional memory alloy mesh
圖2
犬脛骨平臺骨折模型固定裝置
Figure2.
The fixed device of canine tibial plateau fracture model
圖3
各組載荷-位移曲線
Figure3.
Load-displacement curves of 4 groups
3 討論
目前用于修復塌陷皮質骨復位后骨缺損的材料有多種。其中，自體骨具有骨誘導性、抗感染能力、無排斥反應以及較好的支撐強度等優點[6-7]，但也存在供區術后疼痛及神經損傷等并發癥、來源有限，增加了手術時間、感染風險及手術創傷等不足。對于老年患者以及如兒童等骨質條件特殊者，自體骨移植的運用有限[8]。同種異體骨存在存儲不易和成本高，以及骨誘導性差和感染風險等不足。人工骨由于內在的惰性和自身的不可溶性晶體結構，重塑能力較差，且存在成骨與降解速率不匹配的問題[9]。生物復合材料有很好的發展前景，但最終的功效性及可行性仍需進一步驗證[10]。本實驗將鎳鈦三維記憶合金網作為植骨材料，用于治療脛骨平臺塌陷骨折。相對于前述植骨材料，鎳鈦三維記憶合金網在脛骨平臺塌陷骨折的治療中具有很大優勢[11-14]。其一，鎳鈦三維記憶合金網在自然狀態下為圓球狀，因具有超彈性，未植入時可制備成各種形狀，術中可先將其捏成圓柱狀放入網狀支架送入器中，然后植入脛骨內，復溫后其恢復為原狀，并能產生持續性動態加壓，恢復塌陷的脛骨平臺。其二，鎳鈦三維記憶合金網早期可對脛骨平臺起到高強度的支撐作用，維持脛骨平臺高度及關節面的平整性，避免早期活動導致的脛骨平臺再次塌陷。其三，鎳鈦三維記憶合金網具有優良的生物相容性，可減少其他植骨材料（如同種異體骨等）的排斥反應。作為一種新興材料，近年來國內外學者對鎳鈦形狀記憶合金進行了大量基礎和臨床研究[15-19]。林斌等[17]設計的一種鎳鈦三維記憶合金網球已成功應用于股骨頭缺血性壞死的治療。由于鎳鈦三維記憶合金本身具有良好的生物相容性和支撐效應，在治療中取得了良好效果，為股骨頭缺血性壞死提供了一種新的治療方法。
本實驗結合了自體骨與鎳鈦三維記憶合金網的優勢，網內植骨在修復骨缺損的同時，還提供了骨質生長所必需的骨誘導生長因子、大量骨原細胞以及骨傳導支架，利于恢復脛骨平臺原有的骨性結構。該方案不但能彌補單純植骨術力學強度不夠易致脛骨平臺再次塌陷的不足，同時也解決了生物活性陶瓷和磷酸鈣骨水泥脆性高、抗折度低、受力時易破碎、降解慢影響新骨長入以及不能恢復脛骨平臺原有骨性結構等缺陷。王巖等[20]利用鎳鈦三維記憶合金網復合自體髂骨治療股骨頭缺血性壞死 22 例，優良率達 90.9%。他們認為兩者結合在股骨頭內起到了“鋼筋水泥”樣作用，為塌陷的股骨頭提供了良好的力學支撐。林斌等[17]采用三維有限元分析證實了鎳鈦三維記憶合金網復合自體松質骨剛度較單純自體松質骨增加 1～2 倍以上，機械支撐力呈數量級上升。我們的研究結果與其結論相符，A 組經鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨修復脛骨平臺骨折后，最大失效載荷和剛度均顯著高于B、C組。
脛骨平臺外形并不規則，三維記憶合金網必須與其外形相適應。本研究采用的半圓柱彈簧形設計，一方面使內固定物承重面能與脛骨平臺的關節面保持平行；另一方面，彈簧狀使內固定物的橫向加壓作用轉化為縱向的抗壓縮能力。實驗注意事項：① 鎳鈦三維記憶合金網內必須用自體骨夯實，不留空隙，以防彈簧的橫向作用力向其他方向轉移，而不是完全的內外側方向作用力；② 彈簧的長度應略大于骨缺損深度，保證彈簧始終產生支撐力，本研究中鎳鈦三維記憶合金網的長度比骨缺損長 2 mm；③ 穿過鎳鈦三維記憶合金網的螺釘必須保證穿過脛骨內側髁的內側皮質骨，以增加螺釘的抗拔出能力，若 1 枚螺釘的把持力較弱，可增加螺釘數目；④ 鋼板必須良好塑形，使其更好地貼合骨面，尤其是與鎳鈦三維記憶合金網的外側端接觸部位，防止鎳鈦三維記憶合金網移位導致植骨失效。本研究中，由于取材問題，我們未使用松質骨，使用了比格犬的腓骨作為自體骨，因為皮質骨本身較松質骨有更好的力學強度，而臨床工作中，使用松質骨作為自體骨移植的情況更加多見。若本實驗中使用松質骨替代皮質骨，我們認為 A 組與 B 組的差異將會更加明顯。從載荷-位移曲線可以看出，在相同載荷情況下，A 組剛度大于 B、C 組，說明鎳鈦三維記憶合金復合自體骨具有更好的生物力學效能；同時在相同載荷情況下，A 組剛度小于 D 組，說明鎳鈦三維記憶合金復合自體骨在脛骨平臺骨折治療后早期生物力學效應低于正常脛骨平臺，因此在使用鎳鈦三維記憶合金治療脛骨平臺骨折患者時，早期負重需謹慎，建議待達到臨床骨愈合（4～6 周）后再完全負重，避免發生再次骨折。C 組最大失效載荷為（1 102.00±1.83）N，顯著低于 A、B、D 組。因此在治療塌陷型脛骨平臺骨折時，塌陷的修復對于骨折治療十分重要而且必要，植入物的選擇對骨折預后有明顯影響，這也從側面反映了鎳鈦三維記憶合金網的優勢。
綜上述，本研究結果顯示，鎳鈦三維記憶合金復合自體骨在治療脛骨平臺塌陷骨折時，較單純自體骨移植具有更好的生物力學支撐效果，為脛骨平臺塌陷骨折治療帶來了新的思路。由于本實驗為動物尸體實驗，有待進一步驗證鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨的成骨作用。
脛骨平臺骨折是一種常見骨折類型，約占骨折總數的 6%[1]。其中最常見的脛骨平臺骨折類型是劈裂壓縮型［骨科創傷協會（OTA）B3 型或 SchatzkerⅡ型］和外側壓縮型（OTA B2 型或 SchatzkerⅢ型）[2]，后者更常見于老年患者。在脛骨平臺塌陷的治療上，因非手術治療無法恢復關節面的平整性，故手術治療仍是首選。手術治療脛骨平臺骨折的關鍵為關節面解剖復位、植骨支撐和堅強內固定[3]。目前采用的植骨材料包括自體骨、同種異體骨、人工骨（磷酸鈣和氫氧化鈣的復合物）以及一些生物復合材料等，各有其優勢和不足。鎳鈦三維記憶合金作為一種新型材料，因具有超彈性、低磁性、耐疲勞、耐磨損、耐腐蝕及良好生物相容性等優勢，近年來已廣泛應用于臨床多個領域[4-5]，但目前罕見使用鎳鈦三維記憶合金治療脛骨平臺塌陷骨折的研究報道。本研究設計了一種鎳鈦三維記憶合金網并行網內植骨，通過治療體外犬脛骨平臺塌陷骨折模型并行生物力學試驗，評價鎳鈦三維記憶合金網的生物學效能，為進一步動物體內實驗奠定基礎。
1 材料與方法
1.1 實驗動物及主要材料、儀器
成年比格犬 8 只，雌雄不限，體質量 11～15 kg，由四川大學華西醫院實驗動物中心提供。自股骨髁上 6 cm 離斷后肢，自踝關節上方 2 cm 離斷，保留中間部分，剔除附著的脂肪、肌肉及韌帶等軟組織，同時去除髕骨，盡量保持股骨干與脛骨干的軸心在一條直線上，共獲得脛骨標本 16 個。實驗過程中對動物的處置符合 2006 年科學技術部發布的《關于善待實驗動物的指導性意見》。
鎳鈦三維記憶合金網：通過測量 16 個犬脛骨平臺結構和大小，并結合 2.4 mm 5 孔 T 型鋼板（山東威高集團有限公司）的形狀大小，我們設計了與成年比格犬脛骨平臺大小相適應的長 10 mm、寬 8 mm、高 8 mm 的半圓柱彈簧形鎳鈦三維記憶合金網（圖 1），由蘭州西脈記憶合金有限公司制作完成。
INSTRON-8874 生物力學測試系統由四川大學生物力學實驗中心提供。
1.2 犬脛骨平臺塌陷骨折模型制備
取 12 個脛骨標本在距離 Gerdy 結節 6 mm 的下方，用磨鉆鉆出與鎳鈦三維記憶合金網同樣大小的骨缺損，但骨缺損深度比鎳鈦三維記憶合金網的長度短 2 mm，以便在脛骨平臺外側放置鋼板螺釘后，對鎳鈦三維記憶合金網進行軸向加壓。將骨缺損上方的完整骨質鋸斷，模擬臨床 SchatzkerⅢ型脛骨平臺骨折。
1.3 實驗分組及方法
將 12 個犬 SchatzkerⅢ型脛骨平臺骨折模型隨機分成 A、B、C 組，每組 4 個；余 4 個正常脛骨平臺標本作為空白對照組（D 組）。A 組為鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨組，于骨缺損處先植入鎳鈦三維記憶合金網，網內植入自體腓骨夯實，不留空隙，然后于外側放置 5 孔 T 形鋼板螺釘；B 組為自體骨組，于骨缺損處直接填入自體腓骨夯實，外側放置同樣大小的鋼板螺釘；C 組為不植骨組，骨缺損處不植入自體骨，外側直接行鋼板螺釘固定。
1.4 生物力學檢測
自制脛骨平臺標本固定裝置，從股骨近端插入大小合適的鋼管，于鋼管遠端植入 1 枚 3.5 mm 皮質骨螺釘穿過股骨髁的內外側，以控制股骨近端的旋轉和移位；于脛骨遠端植入 2 枚交叉螺釘，以控制脛骨干在負荷加載下的向下移位。支具的底盤通過 INSTRON-8874 生物力學測試系統上的螺釘固定在其底座上。見圖 2。
將測量感應器置于各組標本上，調整脛骨平臺位置使加壓器受力點主要作用于脛骨塌陷部位。由股骨髁上方垂直向下連續加載負荷（0～1 700 N），加載速度為 1 mm/min，觀察加壓過程中位移變化；待標本位移較前 1 秒有了顯著增大，使標本發生了明顯形變時，記錄此時載荷，即為最大失效載荷。軟件導出并生成載荷-位移曲線，計算剛度（載荷與位移比值）。
1.5 統計學方法
采用 SPSS18.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 Dunnett-t 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
2 結果
A、B、C、D 組最大失效載荷分別為（1 624.72±7.02）、（1 506.57±3.37）、（1 102.00±1.83）、（1 767.64±24.56）N，剛度分別為（129.72±20.83）、（96.54±27.05）、（74.96±17.70）、（169.01±35.62）N/mm，A 組最大失效載荷及剛度顯著高于 B、C 組，但顯著低于 D 組，差異均有統計學意義（P<0.05）。見圖 3。
圖1
鎳鈦三維記憶合金網外觀
Figure1.
The appearance of Ni-Ti three-dimensional memory alloy mesh
圖2
犬脛骨平臺骨折模型固定裝置
Figure2.
The fixed device of canine tibial plateau fracture model
圖3
各組載荷-位移曲線
Figure3.
Load-displacement curves of 4 groups
3 討論
目前用于修復塌陷皮質骨復位后骨缺損的材料有多種。其中，自體骨具有骨誘導性、抗感染能力、無排斥反應以及較好的支撐強度等優點[6-7]，但也存在供區術后疼痛及神經損傷等并發癥、來源有限，增加了手術時間、感染風險及手術創傷等不足。對于老年患者以及如兒童等骨質條件特殊者，自體骨移植的運用有限[8]。同種異體骨存在存儲不易和成本高，以及骨誘導性差和感染風險等不足。人工骨由于內在的惰性和自身的不可溶性晶體結構，重塑能力較差，且存在成骨與降解速率不匹配的問題[9]。生物復合材料有很好的發展前景，但最終的功效性及可行性仍需進一步驗證[10]。本實驗將鎳鈦三維記憶合金網作為植骨材料，用于治療脛骨平臺塌陷骨折。相對于前述植骨材料，鎳鈦三維記憶合金網在脛骨平臺塌陷骨折的治療中具有很大優勢[11-14]。其一，鎳鈦三維記憶合金網在自然狀態下為圓球狀，因具有超彈性，未植入時可制備成各種形狀，術中可先將其捏成圓柱狀放入網狀支架送入器中，然后植入脛骨內，復溫后其恢復為原狀，并能產生持續性動態加壓，恢復塌陷的脛骨平臺。其二，鎳鈦三維記憶合金網早期可對脛骨平臺起到高強度的支撐作用，維持脛骨平臺高度及關節面的平整性，避免早期活動導致的脛骨平臺再次塌陷。其三，鎳鈦三維記憶合金網具有優良的生物相容性，可減少其他植骨材料（如同種異體骨等）的排斥反應。作為一種新興材料，近年來國內外學者對鎳鈦形狀記憶合金進行了大量基礎和臨床研究[15-19]。林斌等[17]設計的一種鎳鈦三維記憶合金網球已成功應用于股骨頭缺血性壞死的治療。由于鎳鈦三維記憶合金本身具有良好的生物相容性和支撐效應，在治療中取得了良好效果，為股骨頭缺血性壞死提供了一種新的治療方法。
本實驗結合了自體骨與鎳鈦三維記憶合金網的優勢，網內植骨在修復骨缺損的同時，還提供了骨質生長所必需的骨誘導生長因子、大量骨原細胞以及骨傳導支架，利于恢復脛骨平臺原有的骨性結構。該方案不但能彌補單純植骨術力學強度不夠易致脛骨平臺再次塌陷的不足，同時也解決了生物活性陶瓷和磷酸鈣骨水泥脆性高、抗折度低、受力時易破碎、降解慢影響新骨長入以及不能恢復脛骨平臺原有骨性結構等缺陷。王巖等[20]利用鎳鈦三維記憶合金網復合自體髂骨治療股骨頭缺血性壞死 22 例，優良率達 90.9%。他們認為兩者結合在股骨頭內起到了“鋼筋水泥”樣作用，為塌陷的股骨頭提供了良好的力學支撐。林斌等[17]采用三維有限元分析證實了鎳鈦三維記憶合金網復合自體松質骨剛度較單純自體松質骨增加 1～2 倍以上，機械支撐力呈數量級上升。我們的研究結果與其結論相符，A 組經鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨修復脛骨平臺骨折后，最大失效載荷和剛度均顯著高于B、C組。
脛骨平臺外形并不規則，三維記憶合金網必須與其外形相適應。本研究采用的半圓柱彈簧形設計，一方面使內固定物承重面能與脛骨平臺的關節面保持平行；另一方面，彈簧狀使內固定物的橫向加壓作用轉化為縱向的抗壓縮能力。實驗注意事項：① 鎳鈦三維記憶合金網內必須用自體骨夯實，不留空隙，以防彈簧的橫向作用力向其他方向轉移，而不是完全的內外側方向作用力；② 彈簧的長度應略大于骨缺損深度，保證彈簧始終產生支撐力，本研究中鎳鈦三維記憶合金網的長度比骨缺損長 2 mm；③ 穿過鎳鈦三維記憶合金網的螺釘必須保證穿過脛骨內側髁的內側皮質骨，以增加螺釘的抗拔出能力，若 1 枚螺釘的把持力較弱，可增加螺釘數目；④ 鋼板必須良好塑形，使其更好地貼合骨面，尤其是與鎳鈦三維記憶合金網的外側端接觸部位，防止鎳鈦三維記憶合金網移位導致植骨失效。本研究中，由于取材問題，我們未使用松質骨，使用了比格犬的腓骨作為自體骨，因為皮質骨本身較松質骨有更好的力學強度，而臨床工作中，使用松質骨作為自體骨移植的情況更加多見。若本實驗中使用松質骨替代皮質骨，我們認為 A 組與 B 組的差異將會更加明顯。從載荷-位移曲線可以看出，在相同載荷情況下，A 組剛度大于 B、C 組，說明鎳鈦三維記憶合金復合自體骨具有更好的生物力學效能；同時在相同載荷情況下，A 組剛度小于 D 組，說明鎳鈦三維記憶合金復合自體骨在脛骨平臺骨折治療后早期生物力學效應低于正常脛骨平臺，因此在使用鎳鈦三維記憶合金治療脛骨平臺骨折患者時，早期負重需謹慎，建議待達到臨床骨愈合（4～6 周）后再完全負重，避免發生再次骨折。C 組最大失效載荷為（1 102.00±1.83）N，顯著低于 A、B、D 組。因此在治療塌陷型脛骨平臺骨折時，塌陷的修復對于骨折治療十分重要而且必要，植入物的選擇對骨折預后有明顯影響，這也從側面反映了鎳鈦三維記憶合金網的優勢。
綜上述，本研究結果顯示，鎳鈦三維記憶合金復合自體骨在治療脛骨平臺塌陷骨折時，較單純自體骨移植具有更好的生物力學支撐效果，為脛骨平臺塌陷骨折治療帶來了新的思路。由于本實驗為動物尸體實驗，有待進一步驗證鎳鈦三維記憶合金網復合自體骨的成骨作用。
