光 君, 李先慧, 裴蛟淼, 張棟梁, 楊 陽(yáng), 蘇映軍, 馬顯杰, 郭樹(shù)忠

實(shí)驗(yàn)研究

自體軟骨碎屑回植后的生物力學(xué)研究

光 君, 李先慧, 裴蛟淼, 張棟梁, 楊 陽(yáng), 蘇映軍, 馬顯杰, 郭樹(shù)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(dòng)物模型，以組織學(xué)、生物力學(xué)指標(biāo)為觀察對(duì)象，研究自體肋軟骨碎塊回植后的轉(zhuǎn)歸。方法 取8～12個(gè)月齡成年山羊12只隨機(jī)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(chǔ)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(duì)照，未做任何處理。術(shù)后16周處死并觀察各組胸廓及修復(fù)段形態(tài)，利用生物力學(xué)檢測(cè)各組肋軟骨修復(fù)段強(qiáng)度。結(jié)果 Ⅰ～Ⅲ組胸廓形態(tài)良好，無(wú)塌陷，修復(fù)段組織與肋骨軟骨連結(jié)處愈合較好，修復(fù)段呈纖維增生；組織學(xué)觀察顯示,Ⅰ～Ⅲ組修復(fù)組織主要為纖維組織，回植軟骨均能存活，無(wú)明顯增殖；壓力、拉伸、折彎及撞擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,Ⅱ組修復(fù)強(qiáng)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(jìn)軟骨的再生修復(fù)，卻能明顯加強(qiáng)修復(fù)組織生物力學(xué)強(qiáng)度，加強(qiáng)胸廓的穩(wěn)定性。

肋軟骨； 軟骨碎屑； 生物力學(xué)； 胸廓穩(wěn)定性

整形外科手術(shù)中，經(jīng)常會(huì)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(rèn)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(huì)使胸壁的自身保護(hù)作用降低[3-4]，特別是在兒童時(shí)期[5]。為增加術(shù)后胸壁對(duì)臟器的保護(hù)作用，有學(xué)者提倡在完整保留軟骨膜和骨軟骨連結(jié)處的基礎(chǔ)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(qiáng)胸廓的強(qiáng)度，從而增強(qiáng)對(duì)胸腔臟器的保護(hù)作用，但其確切作用機(jī)制目前尚缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)佐證。本研究以山羊第7肋軟骨作為觀察對(duì)象，對(duì)比不同處理方式對(duì)其生物力學(xué)強(qiáng)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(jī)(日本SONY公司)；WDW-100 D/0.5微機(jī)控制電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(上海華龍測(cè)試儀器廠)；XJJ-50簡(jiǎn)支梁沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)(承德普惠檢測(cè)設(shè)備制造有限責(zé)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(hào)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(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組

8～12個(gè)月齡成年山羊12只，體質(zhì)量20～25 kg，清潔級(jí)；普通環(huán)境下圈內(nèi)單獨(dú)飼養(yǎng)(購(gòu)自第四軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心)。將12只山羊隨機(jī)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(duì)象，左側(cè)第7肋軟骨不做處理，設(shè)為正常對(duì)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(dòng)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(rùn)；沿右側(cè)第7肋緣做斜行15 cm切口，切開(kāi)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(zhǎng)軸縱行切開(kāi)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(zhǎng)，避開(kāi)其與肋骨和胸骨的交界段(保護(hù)肋-軟骨連結(jié))，在中段切取全長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(duì)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(hào)絲線連續(xù)縫合肌肉層，4號(hào)絲線連續(xù)縫合皮膚。

1.4 觀察指標(biāo)

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

1.4.2 組織學(xué)觀察 切取肋軟骨缺損段修復(fù)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(duì)修復(fù)組織的性質(zhì)進(jìn)行組織學(xué)觀察。

1.4.3 生物力學(xué)檢測(cè) 在西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，行壓扁試驗(yàn)、折彎實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)檢測(cè)各組肋軟骨力學(xué)性能。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 大體觀察

術(shù)后16周將羊處死，切開(kāi)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(jiàn)明顯區(qū)別；肉眼觀察修復(fù)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(fù)段與原肋骨軟骨連結(jié)處愈合較好，無(wú)明顯分離及成角畸形，修復(fù)段組織增生較為明顯，較正常肋軟骨略粗，其間無(wú)空隙及空洞，但與周圍軟骨膜等組織粘連較為明顯，無(wú)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(fù)段組織(藍(lán)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(xué)觀察

Ⅰ組：處理后的修復(fù)組織為大量纖維組織，排列分布雜亂無(wú)章，其內(nèi)部幾乎未見(jiàn)軟骨細(xì)胞，僅靠近邊緣軟骨膜處可見(jiàn)散在增殖分裂的軟骨細(xì)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(tuán)塊狀軟骨細(xì)胞聚集區(qū)，內(nèi)部膠原基質(zhì)部分分解，邊界較為清楚，細(xì)胞團(tuán)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(xì)胞，其間為染色均一的膠原基質(zhì)，靠近軟骨膜處的軟骨細(xì)胞體形較小，細(xì)胞核較大，為較幼稚的軟骨細(xì)胞(圖3d)。

2.3 生物力學(xué)檢測(cè)

2.3.1 壓力實(shí)驗(yàn) 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(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)圖4。

2.3.2 拉伸實(shí)驗(yàn) 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(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)圖5。

2.3.3 折彎實(shí)驗(yàn) Ⅰ～Ⅳ組肋軟骨中點(diǎn)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(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)圖6。

2.3.4 沖擊實(shí)驗(yàn) 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(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)圖7。

3 討論

目前整形外科手術(shù)中，切取肋軟骨后,公認(rèn)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(fù)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(xì)胞分裂增殖的速度，因此缺損區(qū)域會(huì)由纖維組織或纖維軟骨所修復(fù)[7]。本實(shí)驗(yàn)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(guò)早期限制缺損部位的出血和炎性反應(yīng)，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(shí)間和空間，促進(jìn)其再生修復(fù)，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其與單純回植組未見(jiàn)明顯差別，這可能與移植軟骨不能得到及時(shí)的營(yíng)養(yǎng)和血供有關(guān)。

在骨科手術(shù)中，自體軟骨移植也用于修復(fù)較大面積的全層關(guān)節(jié)軟骨缺損[8-10]，學(xué)者們期望將肋軟骨碎屑回植后，其能促進(jìn)透明軟骨的修復(fù)，從而進(jìn)一步保證胸廓的穩(wěn)定性，其作用機(jī)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(fù)的相關(guān)報(bào)道和實(shí)驗(yàn)研究，術(shù)后也無(wú)法在人體上做相關(guān)力學(xué)檢測(cè)，加之，回植肋軟骨碎屑的操作無(wú)疑會(huì)增加感染發(fā)生的概率，并延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間，從而增加患者痛苦，并浪費(fèi)醫(yī)療資源，因此其具體作用及效果仍存在爭(zhēng)議[13-15]。本實(shí)驗(yàn)的目的就是驗(yàn)證軟骨碎屑回植的作用，進(jìn)而指導(dǎo)臨床工作。

從大體形態(tài)上觀察，各處理組間無(wú)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(fù)組織外觀相似，回植肋軟骨修復(fù)段纖維增生明顯，這也說(shuō)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(fù)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(wú)明顯增殖，其內(nèi)部的膠原基質(zhì)還有分解跡象，修復(fù)組織仍以纖維軟骨為主，仍遠(yuǎn)未達(dá)到透明軟骨的再生和修復(fù)能力。

圖3 各組肋軟骨組織學(xué)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(diǎn)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(xué)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，拉伸實(shí)驗(yàn)、壓力實(shí)驗(yàn)及折彎實(shí)驗(yàn)均可以直接反應(yīng)出肋軟骨的抗拉伸、抗壓及抗折彎能力，而對(duì)于暴力撞擊而言，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量撞擊錘撞擊肋軟骨后損失的機(jī)械撞擊能耗，來(lái)間接反應(yīng)肋軟骨的抗撞擊能力，能耗越大，則說(shuō)明肋軟骨阻礙撞機(jī)錘下降時(shí)接觸肋軟骨后，動(dòng)勢(shì)能減少的程度越大，抗撞擊能力越強(qiáng)。根據(jù)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，Ⅱ組修復(fù)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(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度恢復(fù)的最佳手段。

總之，本實(shí)驗(yàn)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(dòng)物模型，通過(guò)生物力學(xué)檢測(cè)證實(shí)：將軟骨碎屑回植，雖不能促進(jìn)軟骨的再生修復(fù)，卻能明顯加強(qiáng)修復(fù)組織的生物力學(xué)強(qiáng)度，從而加強(qiáng)了胸廓的穩(wěn)定性，為耳再造的臨床應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

[1] Brent B. Microtia repair with rib cartilage grafts: a review of personal experience with 1000 cases[J]. Clin Plast Surg, 2002,29(2):257-271.

[2] Kelley PE, Scholes MA. Microtia and congenital aural atresia[J]. Otolaryngol Clin North Am, 2007,40(1):61-80.[3] Walton RL, Beahm EK. Auricular reconstruction for microtia: Part Ⅱ. Surgical techniques[J]. Plast Reconstr Surg, 2002,110(1):234-249.

[4] Ohara K, Nakamura K, Ohta E. Chest wall deformities and thoracic scoliosis after cartilage graft harvesting[J]. Plast Reconstr Surg, 1997,99(4):1030-1036.

[5] 晉培紅, 許 楓, 張 群, 等. 126例全耳再造術(shù)取自體肋軟骨的體會(huì)[J]. 組織工程與重建外科雜志, 2007,3(1):40-43.

[6] Kawanabe Y, Nagata S. A new method of costal cartilage harvest for total auricular reconstruction: part I. Avoidance and prevention of intraoperative and postoperative complications and problems[J]. Plast Reconstr Surg, 2006,117(6):2011-2018.

[7] Rai MF, Sandell LJ. Regeneration of articular cartilage in healer and non-healer mice [J]. Matrix Biol, 2014,39:50-55.

[8] Hangody L, Vásárhelyi G, Hangody LR, et al. Autologous osteochondral grafting: technique and long-term results[J]. Injury, 2008,39(Suppl 1):32-39.

[9] Tetta C, Busacca M, Moio A, et al. Knee osteochondral autologous transplantation: long-term MR findings and clinical correlations[J]. Eur J Radiol, 2010,76(1):117-123.

[10] Iwasaki N, Kato H, Ishikawa J, et al. Autologous osteochondral mosaicplasty for osteochondritis dissecans of the elbow in teenage athletes[J]. J Bone Joint Surg Am, 2009,91(10):2359-2366.

[11] Tibesku CO, Szuwart T, Kleffner TO, et al. Hyaline cartilage degenerates after autologous osteochondral transplantation[J]. J Orthop Res, 2004,22(6):1210-1214.

[12] 蔣文杰, 裴開(kāi)顏, 李文軍, 等. 小耳畸形綜合征病因的初步調(diào)查[J]. 生殖醫(yī)學(xué)雜志, 2004,13(1):5-8.

[13] Martin-Hernandez C, Cebamanos-Celma J, Molina-Ros A, et al. Regenerated cartilage produced by autogenous periosteal grafts: a histologic and mechanical study in rabbits under the infuence of continuous passive motion[J]. Arthroscopy, 2010,26(1):76-83.

[14] Raub CB, Hsu SC, Chan EF, et al. Microstructural remodeling of articular cartilage following defect repair by osteochondral autograft transfer [J]. Osteoarthritis Cartilage, 2013,21(6):860-868.

[15] Bouwmeester PS, Kuijer R, Homminga GN, et al. A retrospective analysis of two independent prospective cartilage repair studies: autogenous perichondrial grafting versus subchondral drilling 10 years post-surgery [J]. J Orthop Res, 2002,20(2):267-273.

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(xué)西京醫(yī)院 全軍整形外科研究所(光 君，裴蛟淼，張棟梁，楊 陽(yáng)，蘇映軍，馬顯杰，郭樹(shù)忠)；中國(guó)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(shù)忠，710032，第四軍醫(yī)大學(xué)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)