光 君, 李先慧, 裴蛟淼, 張棟梁, 楊 陽, 蘇映軍, 馬顯杰, 郭樹忠

實驗研究

自體軟骨碎屑回植后的生物力學研究

光 君, 李先慧, 裴蛟淼, 張棟梁, 楊 陽, 蘇映軍, 馬顯杰, 郭樹忠

目的 建立山羊自體肋軟骨切取后軟骨碎屑回植供區(qū)軟骨膜的動物模型，以組織學、生物力學指標為觀察對象，研究自體肋軟骨碎塊回植后的轉(zhuǎn)歸。方法 取8～12個月齡成年山羊12只隨機分為3組，每組4只。肋軟骨切取后，各組處理方法：Ⅰ組，直接將軟骨膜縫合，形成封閉的空腔；Ⅱ組，將切取的肋軟骨切碎成均勻的小碎塊，將其回植填塞入肋軟骨缺損處，總量約為缺損的1/5～1/4，縫合軟骨膜封閉缺損；Ⅲ組，在Ⅱ組的基礎上，在缺損段內(nèi)噴入生物蛋白膠，使之充滿回植入軟骨碎屑的缺損腔隙，縫合軟骨膜封閉；Ⅳ組，切取正常肋軟骨作為對照，未做任何處理。術(shù)后16周處死并觀察各組胸廓及修復段形態(tài)，利用生物力學檢測各組肋軟骨修復段強度。結(jié)果 Ⅰ～Ⅲ組胸廓形態(tài)良好，無塌陷，修復段組織與肋骨軟骨連結(jié)處愈合較好，修復段呈纖維增生；組織學觀察顯示,Ⅰ～Ⅲ組修復組織主要為纖維組織，回植軟骨均能存活，無明顯增殖；壓力、拉伸、折彎及撞擊實驗數(shù)據(jù)顯示,Ⅱ組修復強度優(yōu)于Ⅰ和Ⅲ組，但弱于Ⅳ組。結(jié)論 將軟骨碎屑回植，雖不能促進軟骨的再生修復，卻能明顯加強修復組織生物力學強度，加強胸廓的穩(wěn)定性。

肋軟骨； 軟骨碎屑； 生物力學； 胸廓穩(wěn)定性

整形外科手術(shù)中，經(jīng)常會將自體肋軟骨用作耳再造手術(shù)的材料，因肋軟骨與耳軟骨組織類型相近、組織相容性好且易于雕刻，是目前公認的首選自體材料[1-2]。耳再造手中,一般需要切取第7～9肋軟骨，會使胸壁的自身保護作用降低[3-4]，特別是在兒童時期[5]。為增加術(shù)后胸壁對臟器的保護作用，有學者提倡在完整保留軟骨膜和骨軟骨連結(jié)處的基礎上，將剩余的軟骨碎屑回植，包埋入軟骨膜內(nèi)[6]，能夠在一定程度上加強胸廓的強度，從而增強對胸腔臟器的保護作用，但其確切作用機制目前尚缺乏實驗數(shù)據(jù)佐證。本研究以山羊第7肋軟骨作為觀察對象，對比不同處理方式對其生物力學強度的影響。

1 材料與方法

1.1 主要儀器與試劑

BX-41數(shù)碼顯微鏡(日本OLYMPUS有限公司)；W-290數(shù)碼相機(日本SONY公司)；WDW-100 D/0.5微機控制電子萬能力學試驗機(上海華龍測試儀器廠)；XJJ-50簡支梁沖擊實驗機(承德普惠檢測設備制造有限責任公司)；醫(yī)用生物蛋白膠(中外合資廣州倍繡生物技術(shù)有限公司，批號20080211)；手術(shù)器械(天工醫(yī)療器械有限公司)；利多卡因( 北京紫竹藥業(yè)有限公司)；戊巴比妥鈉(SIGMA)。

1.2 實驗動物及分組

8～12個月齡成年山羊12只，體質(zhì)量20～25 kg，清潔級；普通環(huán)境下圈內(nèi)單獨飼養(yǎng)(購自第四軍醫(yī)大學實驗動物中心)。將12只山羊隨機分為3組，每組4只，以每只山羊右側(cè)第7肋軟骨為處理對象，左側(cè)第7肋軟骨不做處理，設為正常對照。。

1.3 手術(shù)步驟

將羊胸腹部剃毛，溫水洗凈，將3%戊巴比妥鈉溶液按30 mg/kg劑量靜脈注射麻醉后,將動物仰臥位固定，1%碘伏消毒術(shù)區(qū)，0.5%利多卡因10 ml局部浸潤；沿右側(cè)第7肋緣做斜行15 cm切口，切開皮膚、皮下，顯露并切斷肌肉后止血，顯露肋軟骨；用尖刀片沿肋軟骨長軸縱行切開軟骨膜，沿切口用骨膜剝離器將肋軟骨膜向兩側(cè)剝離，注意盡量勿損傷肋軟骨膜，保持其完整性；充分顯露肋軟骨全長，避開其與肋骨和胸骨的交界段(保護肋-軟骨連結(jié))，在中段切取全長約6 cm肋軟骨形成一段肋軟骨缺損，注意勿損傷底部的軟骨膜及胸膜。

各實驗組處理方法：Ⅰ組，直接將軟骨膜縫合，形成封閉的空腔；Ⅱ組，將切取的肋軟骨切碎成均勻的小碎塊，直徑約2 mm，將其回植填塞入肋軟骨缺損處，總量約為缺損的1/5～1/4，縫合軟骨膜封閉缺損及回植軟骨碎屑；Ⅲ組，在Ⅱ組的基礎上，在缺損段內(nèi)噴入生物蛋白膠，使之充滿回植入軟骨碎屑的缺損腔隙，縫合軟骨膜封閉；Ⅳ組，切取左側(cè)正常肋軟骨作為對照，未做任何處理。用3-0絲線將保留的軟骨膜原位縫合封閉缺損段，7號絲線連續(xù)縫合肌肉層，4號絲線連續(xù)縫合皮膚。

1.4 觀察指標

1.4.1 大體觀察 術(shù)后16周處死動物，觀察胸廓大體形態(tài)及術(shù)區(qū)修復情況，包括肌肉層及軟骨缺損。

1.4.2 組織學觀察 切取肋軟骨缺損段修復組織，置于10%中性甲醛溶液中固定，梯度乙醇脫水，石蠟包埋后，切片行HE染色，光鏡下對修復組織的性質(zhì)進行組織學觀察。

1.4.3 生物力學檢測 在西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室，行壓扁試驗、折彎實驗、拉伸實驗、沖擊試驗檢測各組肋軟骨力學性能。

1.5 統(tǒng)計學處理

2 結(jié)果

2.1 大體觀察

術(shù)后16周將羊處死，切開皮膚及肌肉，術(shù)區(qū)并未出現(xiàn)明顯感染征象，肌肉層與胸廓粘連程度加重，但仍能剝離。Ⅰ～Ⅲ組山羊的胸廓整體形態(tài)較良好，未出現(xiàn)明顯塌陷、變形 (圖1)，各組間胸廓整體形態(tài)未見明顯區(qū)別；肉眼觀察修復段組織與軟骨組織較為相似，均呈現(xiàn)乳白色，但表面欠光滑(圖2)。Ⅰ～Ⅲ組修復段與原肋骨軟骨連結(jié)處愈合較好，無明顯分離及成角畸形，修復段組織增生較為明顯，較正常肋軟骨略粗，其間無空隙及空洞，但與周圍軟骨膜等組織粘連較為明顯，無法將軟骨膜再次剝離。

圖1 Ⅱ組胸廓外觀 圖2 Ⅱ組肋軟骨修復段組織(藍色箭頭)與正常肋軟骨(紅色箭頭)Fig 1 Appearance of thoracic cage in the Ⅱ group. Fig 2 Repaired cartilage tissue in the Ⅱ group (blue arrow) and normal cartilage tissue (red arrow).

2.2 組織學觀察

Ⅰ組：處理后的修復組織為大量纖維組織，排列分布雜亂無章，其內(nèi)部幾乎未見軟骨細胞，僅靠近邊緣軟骨膜處可見散在增殖分裂的軟骨細胞(圖3a)；Ⅱ組和Ⅲ組顯微鏡下結(jié)構(gòu)較為相似，均為散在的團塊狀軟骨細胞聚集區(qū)，內(nèi)部膠原基質(zhì)部分分解，邊界較為清楚，細胞團之間則填塞大量的纖維組織(圖3b,c)，回植的小塊肋軟骨能夠有效存活；Ⅳ組：健康肋軟骨內(nèi)均勻分布大量成熟的軟骨細胞，其間為染色均一的膠原基質(zhì)，靠近軟骨膜處的軟骨細胞體形較小，細胞核較大，為較幼稚的軟骨細胞(圖3d)。

2.3 生物力學檢測

2.3.1 壓力實驗 Ⅰ～Ⅳ組肋軟骨所能承受最大壓力分別為(99.597±7.056) N、(250.258±6.814) N、(196.390±7.410) N和(447.439±4.180) N。各組之間差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，見圖4。

2.3.2 拉伸實驗 Ⅰ～Ⅳ組肋軟骨所能承受最大拉伸力值分別為(101.461±9.654)N、(176.731±5.325)N、(146.996±6.866)N和(189.072±5.885)N。各組之間差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，見圖5。

2.3.3 折彎實驗 Ⅰ～Ⅳ組肋軟骨中點所能承受最大折彎力值分別為(8.750±1.218)N、(169.100±22.577)N、(147.950±13.424)N和(207.92±14.926)N。各組之間差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，見圖6。

2.3.4 沖擊實驗 Ⅰ～Ⅳ組肋軟骨沖擊能耗值分別為(0.198±0.031)kj、(0.831±0.087)kj、(0.558±0.101)kj和(1.209±0.026)kj。各組之間差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，見圖7。

3 討論

目前整形外科手術(shù)中，切取肋軟骨后,公認的供區(qū)處理方法是,完整保留軟骨膜及肋骨軟骨連結(jié)處，并將肋軟骨膜縫合封閉,盡可能恢復原狀。但是，由于纖維組織在傷后24h即形成，其速度明顯快于透明軟骨細胞分裂增殖的速度，因此缺損區(qū)域會由纖維組織或纖維軟骨所修復[7]。本實驗中，在回植軟骨碎屑后，加入生物蛋白膠的目的也是期望通過早期限制缺損部位的出血和炎性反應，以最大限度地減少纖維組織的生成，從而為透明軟骨的再生提供時間和空間，促進其再生修復，但實驗結(jié)果顯示，其與單純回植組未見明顯差別，這可能與移植軟骨不能得到及時的營養(yǎng)和血供有關。

在骨科手術(shù)中，自體軟骨移植也用于修復較大面積的全層關節(jié)軟骨缺損[8-10]，學者們期望將肋軟骨碎屑回植后，其能促進透明軟骨的修復，從而進一步保證胸廓的穩(wěn)定性，其作用機制類似于自體軟骨移植[11-12]。但由于缺乏此方法用于肋軟骨修復的相關報道和實驗研究，術(shù)后也無法在人體上做相關力學檢測，加之，回植肋軟骨碎屑的操作無疑會增加感染發(fā)生的概率，并延長手術(shù)時間，從而增加患者痛苦，并浪費醫(yī)療資源，因此其具體作用及效果仍存在爭議[13-15]。本實驗的目的就是驗證軟骨碎屑回植的作用，進而指導臨床工作。

從大體形態(tài)上觀察，各處理組間無明顯差別，均未出現(xiàn)明顯的胸壁塌陷等畸形及不愈合等情況，修復組織外觀相似，回植肋軟骨修復段纖維增生明顯，這也說明，保留肋-軟骨連結(jié)處和完整縫合肋軟骨膜，使其盡量恢復原狀，是維持胸廓穩(wěn)定性的主要手段。從病理切片觀察，回植肋軟骨碎屑雖能成活，但并無明顯增殖，其內(nèi)部的膠原基質(zhì)還有分解跡象，修復組織仍以纖維軟骨為主，仍遠未達到透明軟骨的再生和修復能力。

圖3 各組肋軟骨組織學觀察(HE×100)a.Ⅰ組b.Ⅱ組c.Ⅲ組d.Ⅳ組 圖4 各組肋軟骨所承受最大壓力 圖5 各組肋軟骨可承受最大拉伸力 圖6 各組肋軟骨中點所承受最折彎力大 圖7 各組肋軟骨沖擊能耗

Fig 3 Histological observation of costal cartilage in each group (HE×100) a. Ⅰ group. b. Ⅱ group. c. Ⅲ group. d. Ⅳ group. Fig 4 Maximum bearable pressure of cartilage in each group. Fig 5 Maximum bearable tensile force of cartilage in each group. Fig 6 Maximum bearable bolding force at the middle point of cartilage in each group. Fig 7 Bump energy consumption of cartilage in each group.

在力學檢測實驗中，拉伸實驗、壓力實驗及折彎實驗均可以直接反應出肋軟骨的抗拉伸、抗壓及抗折彎能力，而對于暴力撞擊而言，本實驗通過測量撞擊錘撞擊肋軟骨后損失的機械撞擊能耗，來間接反應肋軟骨的抗撞擊能力，能耗越大，則說明肋軟骨阻礙撞機錘下降時接觸肋軟骨后，動勢能減少的程度越大，抗撞擊能力越強。根據(jù)力學實驗結(jié)果分析可知，Ⅱ組修復處理后的肋軟骨，其抗壓能力、耐受折彎程度、抗拉伸能力及沖擊能耗，較正常肋軟骨(Ⅳ組)低，但較Ⅰ組和Ⅲ組高，因此，軟骨碎屑回植后，其機械強度雖較正常軟骨差，但明顯優(yōu)于軟骨碎屑回植后加入生物蛋白膠及不回植直接拉攏縫合軟骨膜的方法。由此可知，在耳再造術(shù)中，肋軟骨切取后，直接將軟骨碎屑回植入軟骨膜內(nèi)，并將軟骨膜縫合，是目前能讓患者術(shù)后供區(qū)胸廓機械強度恢復的最佳手段。

總之，本實驗成功建立了山羊自體肋軟骨切取后軟骨碎屑回植供區(qū)軟骨膜動物模型，通過生物力學檢測證實：將軟骨碎屑回植，雖不能促進軟骨的再生修復，卻能明顯加強修復組織的生物力學強度，從而加強了胸廓的穩(wěn)定性，為耳再造的臨床應用提供了理論依據(jù)。

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Biomechanics research of autologous cartilage debris replantation

GUANG Jun, LI Xian-hui, PEI Jiao-miao, et al.

(Institute of Plastic Surgery, Xijing Hospital, The Fourth Military Medical University, Xi′an 710032, China)

Objective To build goat animal model of autologous costal cartilage debris replantation in perichondrium of donor area, investigating the effects by histology and biomechanics. Methods Twelve adult goats aged from 8 to 12months were randomly divided into 4 groups. The harvested cartilages were treated with suturing perichondrium directly to form cavity in the Ⅰ group; replanting 1/5～1/4 pieces into donor area after cutting cartilage into uniform pieces and then suturing the perichondrium to close the cavity in the Ⅱ group; plugging bioprotein jelly after cartilage replanting like the Ⅱ group in the Ⅲ group; the harvested cartilages were without treatment as the control group, the Ⅳ group. The experimental animals were sacrificed, the shape of chest and the repaired segment were observed, and then strength of costal cartilages was evaluated by HE staining and biomechanical testing at 16 weeks postoperatively. Results The shape of the chest in the Ⅰ, Ⅱ and Ⅲ groups was well without collapse and joints of repaired tissue and costal cartilages healed well with fibroplasias in the repaired segment. HE staining demonstrated the replanted cartilage survived well without significant proliferation. the experimental data of pressure, tensile, bending and impact showed that mechanical strength in the Ⅱ group were stronger than those in the Ⅰand Ⅲ groups, but weaker than the Ⅳgroup. Conclusion Replanting of autogeneic cartilage could strengthen thoracic cage mechanical strength by fibroplasias but could not enhance cartilaginous regeneration.

Costal cartilage; Cartilage debris; Biomechanics; Stability of thoracic cage

710032 陜西 西安，第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院 全軍整形外科研究所(光 君，裴蛟淼，張棟梁，楊 陽，蘇映軍，馬顯杰，郭樹忠)；中國人民解放軍成都軍區(qū)總醫(yī)院(李先慧) 第一作者：光 君(1982-)，男，安徽池州人，主治醫(yī)師，碩士. 通信作者：郭樹忠，710032，第四軍醫(yī)大學西京醫(yī)院 全軍整形外科研究所，電子信箱：shuzhong@fmmu.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-7040.2015.02.019

R318.01

A

1673-7040(2015)02-0118-04

2014-11-26)