葉冬梅，陳 琛，白躍宏，沈 梅

(1. 大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院 康復(fù)醫(yī)學(xué)科，遼寧 大連 116001；2. 大連大學(xué)醫(yī)學(xué)院 解剖學(xué)教研室，遼寧 大連 116001；3. 上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院 康復(fù)醫(yī)學(xué)科，上海 200233)

微波促進(jìn)鈦合金內(nèi)固定骨折術(shù)后骨愈合的實(shí)驗(yàn)研究

葉冬梅1，陳 琛2，白躍宏3，沈 梅1

(1. 大連大學(xué)附屬中山醫(yī)院 康復(fù)醫(yī)學(xué)科，遼寧 大連 116001；2. 大連大學(xué)醫(yī)學(xué)院 解剖學(xué)教研室，遼寧 大連 116001；3. 上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院 康復(fù)醫(yī)學(xué)科，上海 200233)

目的 探討鈦合金內(nèi)固定骨折術(shù)后微波治療的安全性及其對骨愈合的影響。方法 選31只新西蘭大白兔，建立兔股骨干骨折鈦合金植入模型。動物建模術(shù)后3 d，取15只模型動物，根據(jù)微波照射功率不同分為：20 W組、40 W組及60 W組，每組5只。采用實(shí)時(shí)溫度測量方法測定不同劑量各組微波照射時(shí)鈦合金，鈦合金周圍肌肉組織及對照側(cè)肌肉組織溫度變化，確定動物模型的治療劑量。將另16只模型動物隨機(jī)分成實(shí)驗(yàn)組(連續(xù)波型照射)，對照組(模擬治療)，每組8只。對兔股骨骨折鈦合金植入模型給予30 d治療劑量的微波照射。采用X線平片射線相對密度定期評價(jià)骨折愈合。治療結(jié)束處死動物，觀察HE染色及電鏡下組織形態(tài)，檢測組織中caspase-3，caspase-9 mRNA及蛋白表達(dá)，評價(jià)鈦合金周圍組織熱損傷。結(jié)果 動物模型的治療劑量為25 W 10 min。實(shí)驗(yàn)組與對照組相比，植入物毗鄰肌肉、神經(jīng)組織及骨組織無明顯的形態(tài)學(xué)變化，兩組骨骼肌caspase-3，caspase-9 mRNA及蛋白表達(dá)差異不顯著(均P>0.05)。X線平片結(jié)果表明照射第10天兩組骨折愈合差異明顯(P=0.03)，而第30天兩組差異不顯著(P=0.12)。骨組織病理學(xué)評分結(jié)果表明微波治療可促進(jìn)骨折愈合。結(jié)論 小劑量微波治療不會對鈦合金植入物周圍組織造成不可逆熱損傷且可有效促進(jìn)鈦合金內(nèi)固定術(shù)后骨折愈合。

微波；鈦合金；內(nèi)固定物；骨折愈合；熱損傷

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約有5%～10%的骨折患者會進(jìn)展為骨折延遲愈合甚至骨不連[1]。近年來，一些促進(jìn)骨折愈合的非侵入性治療方法不斷出現(xiàn)。醫(yī)用微波是頻率為300 M～300 GHz的電磁波，可產(chǎn)生深部的熱效應(yīng)，通過易化疼痛閾、促進(jìn)壞死組織吸收、減輕局部水腫等機(jī)制減輕疼痛是許多疾病常用的輔助治療方法[2]。有研究表明，微波治療可促使更快更高密度的骨質(zhì)沉積，加速骨愈合。而對于內(nèi)固定金屬骨折，微波反射、折射、散射的物理特性可誘導(dǎo)金屬表面渦電流而引起焦耳熱，將會導(dǎo)致金屬周圍溫度升高甚至局部組織熱損傷。物理治療學(xué)中一直將照射區(qū)域內(nèi)存在金屬植入物(金屬板、螺釘、內(nèi)固定針)列為微波治療的禁忌證。然而由于缺乏大量可靠的實(shí)驗(yàn)證據(jù)這一問題一直存在爭議[3]。

鈦和鈦合金是目前應(yīng)用最廣的骨折內(nèi)固定材料。由于鈦是順磁性金屬且具有相對低的磁導(dǎo)率及電導(dǎo)率，因而在電磁場中吸收射頻能量較少。既往體外研究發(fā)現(xiàn)，在射頻電磁場中鈦合金溫度升高較鈷鉻合金、不銹鋼低[4]。因此，本研究在骨折鈦合金內(nèi)固定動物模型體內(nèi)通過實(shí)時(shí)溫度測量確定微波照射的安全治療劑量，并進(jìn)一步利用動物模型對該微波治療劑量進(jìn)行30天的隨機(jī)對照實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證其可否導(dǎo)致鈦合金周圍組織熱損傷，同時(shí)驗(yàn)證該微波劑量對骨折愈合的影響，從而對微波應(yīng)用于鈦合金內(nèi)固定術(shù)后的可行性及安全性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 材料和方法

1.1 兔股骨干骨折鈦合金植入模型的建立

選用新西蘭大白兔31只，體重2.0～3.2 kg。30 mg/kg戊巴比妥鈉耳緣靜脈注射麻醉成功后，常規(guī)消毒、鋪巾。以各兔的右后肢為實(shí)驗(yàn)對象，在兔右側(cè)股后部切口進(jìn)入，鈍性分離股外側(cè)肌及股二頭肌，充分顯露股骨。將“一”字型七孔掌骨鈦合金內(nèi)固定板(4.60 cm×0.42 cm)及鈦合金螺釘(LCP,T-plate 2.4,Synthes Company,USA)固定于股骨中段外側(cè)。取線鋸在鋼板中央對應(yīng)股骨干處造一個(gè)3 mm骨缺損，清洗后縫合傷口。術(shù)后3 d連續(xù)給予青霉素肌內(nèi)注射(80萬單位)以預(yù)防感染。

1.2 微波照射區(qū)域溫度測量

動物建模術(shù)后3 d，取15只模型動物，根據(jù)微波照射功率不同分為：20 W組、40 W組及60 W組，每組5只。模型動物予以15 mg/kg戊巴比妥鈉靜脈注射麻醉。微波2450 MHz連續(xù)波型照射30 min。微波探頭垂直照射手術(shù)切口，距離切口10 cm。照射功率分別給予20 W、40 W及60 W，實(shí)驗(yàn)開始前，使用瓦特計(jì)矯正微波發(fā)射器的輸出功率。傳感器垂直插入肌肉直至探頭垂直接觸鈦合金植入物表面，測量記錄鈦合金植入物的溫度變化；探頭垂直于鈦合金板的中間孔上方5 mm處，測鈦合金毗鄰組織溫度變化。照射后休息1 h，使動物體溫恢復(fù)正常，再測量模型動物左后肢(對照肢體)肌組織的溫度。對照肢體溫度測量位置與實(shí)驗(yàn)組相同。實(shí)驗(yàn)時(shí), 室內(nèi)溫度保持在24 ℃。

1.3 微波治療

將16只模型動物隨機(jī)分成實(shí)驗(yàn)組、對照組，每組8只。根據(jù)之前微波照射區(qū)域溫度測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到的最適時(shí)間和功率，給予實(shí)驗(yàn)組動物右后肢微波連續(xù)波型照射。對照組動物右后肢給予不開啟微波儀的模擬治療。實(shí)驗(yàn)開始前，使用瓦特計(jì)矯正微波發(fā)射器的輸出功率。

1.4 X線評價(jià)骨折愈合

分別在微波治療第10天、30天拍攝股骨正位X線平片以評價(jià)骨折愈合。攝片機(jī)輸出電壓為55 KV，電流0.3 mA，曝光時(shí)間3 s。光學(xué)密度評價(jià)使用同一光源。應(yīng)用光學(xué)密度計(jì)測量攝片光密度。

1.5 組織病理學(xué)評價(jià)

分別在治療第10天、30天處死動物，各組隨機(jī)處死動物4只，取骨缺損周圍骨組織，9%甲酸脫鈣液中脫鈣5 d，福爾馬林液中固定48 h，骨組織切片及HE染色。由3名病理醫(yī)師獨(dú)立對骨組織病理切片骨折愈合情況進(jìn)行評分。評分標(biāo)準(zhǔn)按照文獻(xiàn)評分方法。在25倍光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測量和計(jì)算：(1)骨小梁相對體積：切片骨小梁/整體切片組織體積；(2)骨小梁厚度=骨小梁寬度/1.2(1.2：切片厚度矯正系數(shù))；(3)骨小梁分離度=骨小梁厚度×[(100/骨小梁相對體積)-1]；(4)骨小梁節(jié)點(diǎn)率=3個(gè)或者3個(gè)以上骨小梁的交點(diǎn)/無交點(diǎn)骨小梁數(shù)。

1.6 透射電鏡檢測肌組織、神經(jīng)組織形態(tài)學(xué)

術(shù)后10 d、30 d處死動物，取鈦合金表面骨骼肌組織及毗鄰坐骨神經(jīng)。固定、脫水、包埋、切片，用3%醋酸鈾—枸櫞酸鉛雙重染色30 min，透射電鏡下拍照。

1.7 Realtime-PCR檢測

用Trizol (Invitrogen)裂解細(xì)胞提取總RNA，利用ReverTra Ace qPCR RT Kit試劑盒將1 μg RNA逆轉(zhuǎn)錄為cDNA，然后利用SYBR Green Realtime PCR Master試劑盒進(jìn)行RT-PCR，以β-actin為內(nèi)參，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。以2-ΔΔCt計(jì)算目的基因的相對表達(dá)水平。RT-PCR引物信息見表1。

表1 RT-PCR引物序列

1.8 Western blot檢測凋亡

考慮如圖1所示的Internet下雙渠道閉環(huán)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)動態(tài)模型，這里制造商不僅通過傳統(tǒng)的實(shí)體分銷渠道，即制造商通過零售商賣貨給消費(fèi)者，還通過電子商務(wù)渠道直接銷售商品給消費(fèi)者，這兩個(gè)渠道同時(shí)滿足消費(fèi)者的總體需求。這里考慮的逆向物流部分包括消費(fèi)者的無缺陷退貨和回收再制造。無缺陷退貨可以作為新商品再次直接銷售，消費(fèi)者通過原銷售渠道進(jìn)行退貨;廢舊商品可通過雙回收渠道進(jìn)行回收，作為原材料通過再制造生產(chǎn)出新的商品。

將200 mg組織加入0.2 mL蛋白裂解液裂解30 min，4 ℃、3000 r/min離心20 min，取上清。BSA法測定總蛋白濃度，取等質(zhì)量總蛋白(30 μg)，95 ℃變性10 min，經(jīng)10%SDS-PAGE電泳分離蛋白質(zhì)后在Bio-Rad濕轉(zhuǎn)電泳槽中恒壓100 V轉(zhuǎn)膜70 min，5%脫脂奶粉中室溫封閉1 h，一抗4 ℃搖床過夜(caspase-3抗體1∶4000稀釋，caspase-9抗體1∶2000稀釋)，TBS洗膜3次，每次5 min，二抗室溫?fù)u床2 h，TBS洗膜3次，每次5 min，ECL顯影。以β-actin作為內(nèi)參。

1.9 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

數(shù)據(jù)采用SPSS19.0forWindows(SPSS,Inc.,Chicago,IL,USA)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(mean±SD)表示。使用Student’st檢驗(yàn)分析兩組間差異，連續(xù)變量的多組間比較采用方差分析。P<0.05(雙側(cè))為差異具有顯著性意義。

2 結(jié) 果

2.1 鈦合金及其毗鄰肌肉溫度變化

微波照射30 min后，20 W、40 W、60 W組鈦合金表面溫度分別升高(2.2±0.2)℃，(5.7±0.5)℃，(10.3±0.5)℃，三組間比較，差異有顯著性意義(P<0.01)。20 W組在24 min點(diǎn)，40 W組在照射24～30 min及60 W組在照射的15～18 min、25～30 min時(shí)段，實(shí)驗(yàn)側(cè)鈦合金表面溫度高于毗鄰肌組織溫度，差異有顯著性意義(P<0.05)。見圖1。

微波照射30 min后，20 W組對照側(cè)肢體與實(shí)驗(yàn)側(cè)肢體峰值溫度分別為(37.9±0.1)°C和(37.9±0.2)°C；40 W組對照側(cè)肢體與實(shí)驗(yàn)側(cè)峰值溫度分別為(40.6±0.5)°C和(40.8±0.4)°C，兩組內(nèi)對照側(cè)和實(shí)驗(yàn)側(cè)肢體肌峰值溫度差異均不顯著(P>0.05)。60 W組對照側(cè)和實(shí)驗(yàn)側(cè)肢體肌組織溫度分別升高(6.1±0.5)°C和(9.2±0.3)°C，兩者比較差異有顯著性意義(P<0.01)。60 W組對照側(cè)和實(shí)驗(yàn)側(cè)肢體峰值溫度分別為(42.1±0.2)°C和(46.5±0.3)°C，差異顯著(P<0.01)。見圖1。

結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果與臨床微波治療參數(shù)，在后續(xù)為期30 d的連續(xù)微波照射研究中，本研究采用25 W 10 min 條件進(jìn)行后續(xù)研究。

圖1 鈦合金及毗鄰肌組織溫度變化Fig 1 The temperature of titanium alloy and muscle tissues adjacent to the implantsa: 20 W組; b: 40 W組; c: 60 W組。#：實(shí)驗(yàn)側(cè)鈦合金表面溫度與毗鄰肌組織溫度差異有顯著性意義，P< 0.05；*：對照側(cè)與實(shí)驗(yàn)側(cè)肢體溫度差異有顯著性意義，P<0.05

2.2 微波對鈦合金周圍組織熱損傷的形態(tài)學(xué)檢測

病理學(xué)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組偶見肌細(xì)胞腫脹，但未見炎癥細(xì)胞浸潤、肌細(xì)胞壞死等改變，對照組鈦合金毗鄰骨骼肌組織形態(tài)學(xué)未見明顯異常(圖2a、c)。電鏡檢測，實(shí)驗(yàn)組可見肌細(xì)胞的線粒體腫脹、嵴脫落、呈空泡樣變，肌節(jié)明暗帶可見但肌絲模糊。而對照組肌細(xì)胞明暗帶清晰，線粒體發(fā)達(dá)，未見異常改變(圖2b、d)。

圖2 鈦合金毗鄰骨骼肌組織病理學(xué)檢測Fig 2 Pathological analysis of thigh muscle tissues adjacent to implantsa：對照組鈦合金植入物毗鄰肌組織HE染色，形態(tài)未見明顯異常。200×，比例尺：50 μm；b：對照組肌細(xì)胞電鏡檢測，未見異常。5000×，比例尺：5 μm。c：實(shí)驗(yàn)組鈦合金植入物毗鄰骨骼肌組織HE染色，可見肌細(xì)胞腫脹(黑色空心箭頭示)，200×，比例尺：50 μm。d：實(shí)驗(yàn)組電鏡檢測，可見肌細(xì)胞的線粒體腫脹、嵴脫落(黑色星號示)。5000×，比例尺：5 μm

鈦合金毗鄰坐骨神經(jīng)組織病理學(xué)結(jié)果顯示，對照組與實(shí)驗(yàn)組均未見坐骨神經(jīng)組織炎細(xì)胞浸潤、軸索斷裂、髓鞘水腫、結(jié)構(gòu)紊亂等形態(tài)學(xué)異常改變。電鏡檢測，兩組均可見軸索、髓鞘及施旺細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰，均未見腫脹、變形等形態(tài)異常。見圖3。

圖3 鈦合金毗鄰神經(jīng)組織病理學(xué)檢測Fig 3 Pathological analysis of nervous tissue adjacent to implantsa：對照組鈦合金植入物毗鄰坐骨神經(jīng)組織HE染色，形態(tài)未見明顯異常。200×，比例尺：50 μm；b：對照組坐骨神經(jīng)電鏡檢測，未見異常。5000×，比例尺：5 μm。c：實(shí)驗(yàn)組鈦合金植入物毗鄰坐骨神經(jīng)組織HE染色，200×，比例尺：50 μm。d：實(shí)驗(yàn)組電鏡檢測，可見軸索、髓鞘及施旺細(xì)胞結(jié)構(gòu)清晰，形態(tài)均無異常。5000×，比例尺：5 μm

照射30 d后，取下鈦合金內(nèi)固定，取骨組織常規(guī)石蠟包埋切片后行HE染色，檢測結(jié)果顯示對照組、實(shí)驗(yàn)組骨板及骨髓均未見組織壞死、碳化等形態(tài)異常，實(shí)驗(yàn)組骨髓腔內(nèi)釘孔周圍可見纖維組織增生。見圖4。

2.3 肌細(xì)胞凋亡檢測

圖4 鈦合金螺釘周圍骨組織病理切片HE染色Fig 4 Pathological analysis of bone tissue adjacent to titanium alloy screwa: 對照組；未見異常。b: 實(shí)驗(yàn)組；骨板及骨髓均未見炎細(xì)胞浸潤、組織壞死、碳化等形態(tài)異常，骨髓腔內(nèi)釘孔周圍可見纖維組織增生。黑色星號：鈦合金釘孔。200×，比例尺：200 μm

實(shí)驗(yàn)組caspase-3 mRNA水平在10 d、30 d均高于對照組，但差異不顯著(P=0.14，P=0.70)。caspase-9 mRNA水平在10 d、30 d亦無顯著性差異(P=0.11,P=0.57)。見圖5。采用western blot檢測caspase-3，caspase-9蛋白表達(dá)，對照組與實(shí)驗(yàn)組在術(shù)后10 d(P=0.36,P=0.46)、術(shù)后30 d(P=0.31,P=0.94)均無顯著差異。見圖6。

圖5 鈦合金周圍肌細(xì)胞caspase-3，caspase-9mRNA表達(dá)Fig 5 Relative mRNA transcriptional levels of caspase-3, caspase-9 in muscle cell adjacent to implants

圖6 鈦合金周圍肌細(xì)胞caspase-3，caspase-9蛋白表達(dá)Fig 6 Expression of caspase-3, caspase-9 in muscle cell adjacent to implants

2.4 鈦合金內(nèi)固定術(shù)后行微波照射對骨折愈合的影響

照射第10天實(shí)驗(yàn)組射線現(xiàn)對密度為(0.89±0.05)，與對照組(0.94±0.03)相比差異有顯著性意義(P=0.03)。而第30天實(shí)驗(yàn)組與對照組骨缺損均愈合良好，兩組間差異不顯著(P=0.12)。見圖7。

圖7 兔股骨骨缺損X線攝片分析Fig 7 Radiographs of rabbit femur and the radiographs analysisa-f：兔股骨骨缺損X線股骨正位平片；箭頭所指為骨缺損線。g：兔股骨骨缺損10 d、30 d X線攝片分析；*與對照組比較，P<0.05

骨組織病理學(xué)切片結(jié)果表明，治療后10 d實(shí)驗(yàn)組骨膜反應(yīng)明顯，骨痂增生顯著，骨小梁相對體積、骨小梁厚度及多交點(diǎn)骨小梁數(shù)目高于對照組。30 d對照組與實(shí)驗(yàn)組均表現(xiàn)較好的骨缺損愈合。骨缺損愈合評分表明，10 d后對照組評分(1.75±0.50)，實(shí)驗(yàn)組評分為(2.75±0.50)，兩者差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.03，圖8)；30 d后對照組評分(6.43±0.69)，實(shí)驗(yàn)組評分為(7.08±0.52)，兩者差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.04)。對骨缺損區(qū)域組織計(jì)算學(xué)結(jié)果顯示，治療后10 d，實(shí)驗(yàn)組骨小梁相對體積、骨小梁厚度及骨小梁節(jié)點(diǎn)率均顯著高于對照組(P<0.05或P<0.01)。術(shù)后30 d，實(shí)驗(yàn)組骨小梁相對體積、骨小梁節(jié)點(diǎn)率顯著高于對照組(P<0.05)。見表2。

圖8 骨缺損病理切片HE染色Fig 8 HE staining and pathological analysis of bone defectiona:對照組治療10 d。b:實(shí)驗(yàn)組組治療10 d；骨膜反應(yīng)明顯，骨痂增生顯著。c:對照組治療30 d。d: 實(shí)驗(yàn)組治療30 d。F：骨缺損，200×，比例尺：200 μm

表2 骨折愈合評分

1)與對照組比較，P<0.05；2)與對照組比較，P<0.01

3 討 論

3.1 微波的安全性

微波電療可使照射局部產(chǎn)生深部熱達(dá)到治療效果。然而，為確?；颊甙踩?，有必要控制照射局部溫度。既往研究表明，微波高熱治療中人體組織溫度達(dá)到45 ℃時(shí)間不應(yīng)超過30 min[5]。測溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小功率微波照射溫度不會引起鈦合金周圍組織熱損傷。組織學(xué)研究結(jié)果表明，采用小功率微波(25 W)，10 min/d，30 d的治療方案鈦合金周圍組織并未出現(xiàn)明顯的形態(tài)學(xué)異常改變，僅偶見肌細(xì)胞水腫。考慮可能是線粒體受損阻滯了線粒體ATP/ADP交換[6-7]，而線粒體腫脹是典型的線粒體應(yīng)激的特征性表現(xiàn)。曾有研究報(bào)道，在暴露溫度達(dá)到40 ℃時(shí)細(xì)胞線粒體即可出現(xiàn)腫脹，但這一形態(tài)學(xué)改變是可逆的，當(dāng)溫度恢復(fù)正常后，線粒體形態(tài)也隨即恢復(fù)正常。雖然組織未出現(xiàn)熱損傷的形態(tài)學(xué)變化，但一些酶對溫度相當(dāng)敏感。已有報(bào)道高熱可誘導(dǎo)體內(nèi)細(xì)胞發(fā)生廣泛凋亡[8]，為了進(jìn)一步研究微波是否造成細(xì)胞分子水平的不可逆損傷筆者進(jìn)行了凋亡的檢測。

Caspase是一組存在于細(xì)胞質(zhì)參與細(xì)胞凋亡的蛋白酶，研究發(fā)現(xiàn)，微波(2856 MHz，0.03 W/cm2，15 min)照射神經(jīng)細(xì)胞可誘導(dǎo)caspase-3依賴的線粒體途徑的凋亡[8-9]。有研究指出微波可導(dǎo)致胰腺癌細(xì)胞發(fā)生線粒體依賴的凋亡。本研究顯示實(shí)驗(yàn)組骨骼肌細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)線粒體腫脹、嵴脫落等形態(tài)異常表現(xiàn)，因此筆者對骨骼肌細(xì)胞中caspase-3，caspase-9的表達(dá)水平做了進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)小功率短療程微波治療未引起鈦合金毗鄰骨骼肌細(xì)胞中caspase-3，caspase-9表達(dá)顯著升高，表明小功率短療程微波治療沒有引起骨骼肌細(xì)胞線粒體介導(dǎo)的凋亡增加，一定程度上在分子水平證實(shí)了微波應(yīng)用于鈦合金內(nèi)固定術(shù)后并未發(fā)生肌細(xì)胞的嚴(yán)重?zé)釗p傷表現(xiàn)。但對于非線粒體途徑凋亡及其機(jī)制本研究并未涉及，有待進(jìn)一步探討。

3.2 短療程小功率微波對骨缺損愈合的治療作用

已有多項(xiàng)研究證明微波熱療對骨折的愈合有促進(jìn)作用。有研究采用微波熱療系統(tǒng)在體內(nèi)及體外研究中驗(yàn)證了熱療可通過交變電磁場活化極性分子，分子運(yùn)動撞擊生熱促進(jìn)骨基質(zhì)沉積[10]。有研究發(fā)現(xiàn),0.5 W/cm2連續(xù)波型微波可促進(jìn)兔骨折愈合[11]?？紤]到鈦合金內(nèi)固定材料的存在及骨組織特別是骨皮質(zhì)血流較少熱耗散能力較差，有可能在熱療中受到損害的特點(diǎn)，本研究采用的微波探頭有效治療面積138.9 cm2，微波功率約為0.2 W/cm2，病理學(xué)結(jié)果證實(shí)微波照射未對鈦合金毗鄰骨組織及骨髓造成不良影響。影像學(xué)及病理學(xué)結(jié)果均表明該功率可有效促進(jìn)鈦合金內(nèi)固定術(shù)后兔股骨骨折的愈合，股骨平片顯示術(shù)后10 d骨愈合情況明顯優(yōu)于對照組。Olchowik等[12]曾報(bào)道過類似的結(jié)果，低功率微波對骨折愈合促進(jìn)作用表現(xiàn)在骨折修復(fù)早期，然而機(jī)制尚不明確。本研究分析原因如下：其一，微波重要的生物學(xué)效應(yīng)是加快局部血液流動從而增加氧和營養(yǎng)物質(zhì)的代謝而促進(jìn)骨修復(fù)；其次，多個(gè)研究證實(shí)微波治療可以促進(jìn)水腫消退，而這一過程正發(fā)生在骨修復(fù)早期；再次，微波可能提高局部生長因子如TGF-β、FGF、PDGF等的表達(dá)，這些分子均已被證實(shí)在骨折愈合早期起重要的作用[13]。更多針對高頻電加速骨折愈合機(jī)制的研究表明，超短波治療可顯著上調(diào)骨細(xì)胞BMP-2表達(dá)，無熱量照射15 d，超短波組BMP-2 mRNA表達(dá)量為對照組的2.74倍[14]。還有研究發(fā)現(xiàn)超短波電療增加骨痂中VEGF的表達(dá)，促進(jìn)骨痂中血管的形成加快骨折愈合[15]。

目前，微波對骨折愈合的影響及相關(guān)機(jī)制仍知之甚少。還有許多亟待解決的問題，如采取體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)對比鈦合金內(nèi)固定材料的面積對微波照射組織溫度及熱損傷的影響及其機(jī)制，增加安全性評價(jià)的指標(biāo)，優(yōu)化微波照射參數(shù)，制定符合各種內(nèi)固定術(shù)后的理療方案，全面評價(jià)微波理療對骨傷尤其是鈦合金內(nèi)固定術(shù)后的安全性及療效，對臨床更具指導(dǎo)意義。

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Treatment effect of microwave on fracture with titanium alloy internal fixation

YE Dong-mei1, CHEN Chen2, BAI Yue-hong3, SHEN Mei1

(1.DepartmentofRehabilitation,AffiliatedZhongshanHospitalofDalianUniversity,Dalian116001,China；2.DepartmentofAnatomy,MedicalCollegeofDalianUniversity,Dalian116001,China；3.DepartmentofRehabilitation,AffiliatedSixthPeople'sHospitalofShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200233,China)

Objective To study effect of microwave treatment on fracture healing with titanium alloy internal fixation. Methods Titanium alloy internal fixation systems were implanted in rabbits withthigh bone fracture.Temperature changes of muscle tissues around implants were measured during the irradiation for seeking a reasonable dose. Then rabbits in treatment group began to receive microwave treatment 3 days after operation. Normalized radiographic density of the fracture gap was measured. All of the animals were killed after 10 and 30 days microwave treatment, and then histological examinations were performed on the harvested muscles, nerves and bone tissues. The expression of caspase-3，-9 was analyzed by real time-PCR and western blot.Results No abnormal morphological changes were shown in nerve and bone around the implants of microwave treatment group. But some reversible damages were observed occasionally in muscles, including swelling myocytes with light microscopy and mitochondrial swelling with transmission electron microscopy. The expression of caspase-3，caspase-9 didn’t rise significantly (bothP>0.05). Radiographic assessments showed that fracture healing was accelerated especially on the 10th day of the microwave treatment (P=0.03), while no significant difference on the 30th day (P=0.12).Conclusion Low power microwave treatment would be helpful in the healing of fractures with titanium alloy internal fixation.

microwave；titanium alloy；implants；fracture healing；thermal injury

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81601982)

葉冬梅(1980-)，女，遼寧大連人，主治醫(yī)師。E-mail: shuiyan_1980@163.com

?? 著

10.11724/jdmu.2016.06.02

R683.42

A

1671-7295(2016)06-0526-07

葉冬梅，陳琛，白躍宏，等.微波促進(jìn)鈦合金內(nèi)固定骨折術(shù)后骨愈合的實(shí)驗(yàn)研究[J].大連醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,38(6)：526-532.

2016-08-23；

2016-11-06)