骨修复领域临床前研究的一个限制因素是对愈合骨病灶局部力学环境缺乏实验性控制。本文报道了一种可用于骨修复的外固定装置的设计与应用，该装置具有调节固定器刚度的能力 体内.
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摘要
摘要
骨折愈合过程中周围力学环境非常重要，因为它决定了骨折的愈合方式。过去十年中，临床上对通过改变损伤部位的固定稳定性来调节力学环境以促进骨愈合产生了极大兴趣。该领域临床前动物研究的一个限制是，在大段骨缺损以及截骨愈合过程中，难以对局部力学环境进行实验性控制。本文报道了一种外固定装置的设计与应用，用于研究大段骨缺损或截骨的愈合过程。该装置不仅可在骨损伤愈合过程中实现对轴向刚度的精确控制，还允许在愈合过程中动态调整刚度。 体内 实验结果表明，固定装置能够维持大鼠5 mm的股骨缺损间隙 体内 在至少8周的自由笼内活动期间，我们未观察到任何变形或感染，包括在整个愈合期间均未出现针道感染。这些结果表明，我们新开发的外固定装置能够实现可重复且标准化的稳定，并可改变力学环境 体内 大鼠大段骨缺损及不同尺寸的截骨模型。这证实了外固定装置非常适合用于大鼠模型在骨再生与修复领域的临床前研究。
引言
许多研究加深了我们对骨组织修复所涉及的生物学机制的理解1-6。机械条件对骨修复的影响，例如轴向、剪切和骨块间运动（IFMs），已得到广泛研究7-15。在过去几年中，越来越多的研究开始采用骨折、截骨以及大段骨缺损的体内模型，来描述力学环境对骨愈合的影响。因此，需要可靠的固定方法以获得可重复且可靠的研究结果。
骨折愈合部位的力学环境非常重要，因为它决定了骨折的愈合方式。因此，固定装置的选择至关重要，应根据实验设计以及其他因素（如间隙大小和骨折类型）进行仔细选择。在研究大段骨缺损的骨愈合时，固定装置的力学性能尤为重要，需要建立一种能够在整个实验期间（包括完全负重阶段）保持恒定间隙大小，并为骨愈合提供理想力学环境的固定方式。外固定器在骨折及大段骨缺损的实验性愈合模型中被广泛使用，因其相较于其他固定装置具有优势。外固定器的主要优点在于能够调节缺损部位的力学环境 体内 无需二次干预，可通过在实验过程中随着骨愈合进展而改变或调整装置的稳定杆来实现。此外，该装置允许施加特定的局部机械刺激以促进骨修复，同时还具备测量骨痂组织刚度的潜力 体内然而，这些装置也存在一些缺点，包括：软组织刺激、感染以及针具断裂。
遗憾的是，在植入物开发期间，此类植入物无法“即取即用”，研究人员被迫为特定用途自行设计固定装置。因此，该领域研究的一个限制因素是，在大段骨缺损以及截骨愈合过程中，无法对局部力学环境进行有效的实验控制。外固定器的力学特性由多种变量决定，并可通过这些变量进行调节，包括：骨针间距、骨针直径、骨针材料、骨针数量、固定杆长度、固定杆数量、固定杆材料、固定杆厚度以及固定杆与骨表面之间的距离（偏移量）。令人惊讶的是，目前仅有极少数研究探讨了用于啮齿类动物实验的固定装置中各个组件或整体构型的力学贡献。16,18,28例如，一项研究结果表明，决定固定结构总体刚度的主要因素之一是钢针相对于其偏移量、直径和材料特性的柔韧性28上述研究结果明确表明，了解固定装置所提供的力学环境极为重要，然而在许多情况下，这一因素并未得到深入研究。本文报道了相关设计、参数规格及 体内 植入一种可解决该问题的外固定架。该固定架还可在愈合进程推进过程中调节力学环境，这一特性使得研究愈合过程不同阶段的力学敏感性成为可能 体内此外，该环境不仅能够施加可控且可重复的局部力学环境，其可及性还允许在骨愈合的不同阶段对这一环境进行调控。
我们设计的固定器基于外固定技术，该技术已广泛应用于骨折固定16-21以及实验动物大段骨缺损模型22-27。本研究设计的外固定器与文献报道的其他现有设计之间的区别在于：传统设计通过螺钉将稳定性杆固定，以实现与克氏针（K-wires）的紧密连接。此类设计需每两周（有时甚至每周）重新拧紧螺钉，以确保在通过负重施加载荷时，偏移距离得以维持，防止稳定性杆松动。若发生松动，将导致非预期的附加载荷条件，例如角度、横向及扭转剪切运动作用于愈合中的骨组织（基于个人经验及与研究人员的交流）。鉴于此，本研究设计了一种外固定器，当需要改变固定器刚度时，可通过拆除连接在主模块上的连接元件来实现，而主模块中嵌有安装针。为验证该新型外固定器原型是否满足所有预设要求，在批量生产前已开展体内初步实验。
本文的主要目的是介绍一种用于大鼠大段骨缺损和截骨术的新型外固定架手术方法，该方法能够在愈合过程中在体调节刚度。该固定方法已应用于大鼠股骨的在体实验。
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方案
动物护理和实验方案均遵循美国国立卫生研究院（NIH）指南，并经波士顿贝斯以色列女执事医疗中心机构动物护理和使用委员会批准。（方案编号：098-2009）
1. 外科材料和器械的准备
- 手术前对所有用于手术的外科材料和器械进行灭菌。将所需材料连同或不连同器械托盘一起，包裹在折叠的布料或纸张内，并用高压灭菌胶带密封，进行蒸汽灭菌。高压灭菌器的温度应保持在125-135 ºC，灭菌时间为20-25分钟，随后进行10-15分钟的干燥。
- 确保手术时大鼠体重为200-250 g。这一点非常重要，因为如果大鼠体型更重，则应使用不同尺寸的固定器。对于体重超过250 g的大鼠，应使用更大尺寸的外固定系统。
2. 外固定器的手术操作与应用
- 从任一认证的动物供应商处购买Sprague-Dawley（或任何其他品系）大鼠（雄性或雌性，200–250 g）。遵循国家指南规定的适当动物护理和实验方案，且方案须经研究者所在机构动物护理与使用委员会批准。在实验前至少给予48小时的适应期。
- 进行手术时，将大鼠转运至专用的手术操作室。
- 首先将大鼠置于诱导室中，通过异氟烷麻醉，随后连接麻醉机面罩，以1-1.5 L的氧气流速持续给予1.5-2%异氟烷维持麻醉2/分钟。手术开始前，确保动物处于深度麻醉状态。为此，可采用足底反射测试法，即伸展动物的肢体，并用手指捏压脚趾间的蹼部（而不是脚趾本身！如果动物出现肢体回缩、肌肉抽搐或发出声音，则表明麻醉不充分。
- 大鼠进入深度全身麻醉状态后 手术前，于右后肢肌肉注射抗生素（头孢唑林，20 mg/kg）和镇痛剂布托啡诺（剂量 0.08 mg/kg）。为避免术中大量体液流失，术前皮下注射相当于体重 3–5% 的温热无菌生理盐水，必要时在手术结束时补充给予。眼部涂抹无菌眼膏以保持湿润，预防角膜损伤。
- 给药后，用氯己定或其他消毒液剃除并清洁大鼠右侧后肢的全部毛发，然后将动物转移至手术台。（手术侧肢体必须与注射侧肢体一致。）
- 将动物置于俯卧位的加热表面上（图1A）。确保面罩在转移至手术台后仍覆盖口鼻，并维持2.3）中所述的麻醉方案。用无菌带孔洞巾覆盖手术区域，仅暴露拟手术的肢体。
- 做一个约3-4厘米的切口（图1B) 使用手术刀沿右侧股骨表面，从大转子至膝部髁上区域，通过皮肤作头外侧方向切口图1C）。通过轻柔解剖分离阔筋膜，暴露股骨骨干，注意避免切割肌肉组织。随后分离股外侧肌与股二头肌，并将阔筋膜张肌向上抬起，以充分暴露股骨全长（注意保护坐骨神经）； 图1D).
- 在预定的截骨区域，沿股骨干中段分离周围肌肉组织，暴露股骨。首先，将亨纳骨膜剥离器垂直置于暴露的股骨表面，然后使用手术刀分离邻近区域的肌肉组织。
- 继续向前推进，环绕股骨操作，始终紧贴骨面，直至完全松解骨中段（将要制造缺损的部位）周围的所有肌肉组织，并将骨表面的肌肉组织彻底清除。操作过程中必须紧贴骨面，以避免损伤任何主要血管。
- 对于一个5 mm大的骨缺损，将2段Gigli钢丝锯（0.22 mm）以内外侧方向环绕骨骼图1E,F将钢丝锯绕过之后，将其中一段置于股骨远端靠近膝关节处，另一段置于近端靠近髋关节处。使用S形弯曲解剖镊和结扎钳分别在两侧夹紧Gigli钢丝锯，以确保其固定在预定位置。若计划进行单切口截骨，则仅使用一段钢丝锯。
- 使用外固定支架板作为模板，确定植入物的精确位置。外固定支架的位置应尽可能接近股骨中心。
- 将外固定板置于骨骼的前外侧表面。通过股骨外旋实现该位置的放置。在此位置，软组织层最薄，可在伤口闭合后防止固定板下方软组织张力过大。
- 然后轻轻抬起外固定板，使其脱离骨面，以确保钢板上的孔位对准骨面中心。用小夹钳固定外固定板，使其保持与骨的长轴平行，随后使用电动工具或手动钻，配合0.79 mm钻头，在股骨近端侧预先钻第一个孔。在继续操作前，需确认钻头尖端仍对准骨面中心。
- 如果钻头尖端持续打滑，请使用1.00 mm倒角钻（图8F) 以确定第一个孔的位置中心。其余所有固定针的定位应使用沉头钻。这将确保钻孔与外固定板相对于骨表面的完美对齐。
3. 使用锯导板的外固定架植入方法
- 在将外固定架的板固定到锯导板之前，确保其未上下颠倒。可通过比较板上孔的大小来判断：正确的一面是较大直径的孔朝上。如果固定架上孔的大小差异不明显，请使用沉头钻。
- 将沉头钻的尖端插入固定架板上的一个孔中，如果沉头钻尖端能轻松进入孔内，则此面为固定架的上表面；若尖端无法插入，则此面为固定架的底面，需相应翻转后再进行植入。
（重要提示：务必确保钻孔方向垂直于骨的长轴，以保证固定架与骨表面的完美对位。第一个钻孔的方向决定了固定架在骨上的最终方位。请注意，固定销钉长度相同，若固定架未与骨的长轴平行，则固定架与骨之间的距离将出现显著差异，可能导致四个固定销钉无法全部穿透双侧皮质骨。） - 确认方位后，将板卡在锯导板上（图2A、B），然后将整个装置卡在骨上，使第一个预钻孔与板上的第一个孔对齐（图2C）。将0.70 mm的方头扳手插入手持钻机中，驱动第一个固定销钉进入孔内。此操作可为后续固定销钉的定位提供可重复性。
- 第一个固定销钉就位后，接着在远端侧距离第一个固定销钉最远的孔位进行钻孔，并将第二个固定销钉插入该孔。两个中间固定销钉的植入顺序无关紧要。
- 将沉头钻的尖端插入固定架板上的一个孔中，如果沉头钻尖端能轻松进入孔内，则此面为固定架的上表面；若尖端无法插入，则此面为固定架的底面，需相应翻转后再进行植入。
4. 不使用锯导板的外固定器植入方法：
安装外固定器时也可不使用锯导板。外固定器植入的初始步骤相同，直至将带锯导板的部件夹在骨头上（步骤3.1）。如果不使用锯导板，则在整个操作过程中必须非常关键地保持固定器板处于正确的方向。股骨需要向侧前方方向外旋。
- 用小夹子或S形弯曲解剖镊和结扎镊夹持外固定板，使其与骨的长轴平行（图3A）。第一枚固定针的植入位置将决定固定器的对线，因此在插入第一枚针之前必须保持骨的旋转位置不变（图3B）。第一枚针就位后，小心使用镊子夹持作为钻孔导向器的外固定板。
- 将钻头插入第二个孔——即距离计划骨切开间隙最远端的孔（图3C）。钻孔前应检查第二个孔是否与第一个孔方向一致；同时确保钻孔完成后穿透双侧皮质骨。
- 将0.70 mm的方头扳手插入手动钻中，然后将固定针插入其尖端。小心地将其插入外固定器的板中，避免偏离第一个预钻孔的对线。
- 一旦针尖接触骨面，即在持续向手动钻近端施加轴向负荷的同时开始旋转扳手。约旋转5整圈后，确认固定针近端的螺纹已与外固定板本体咬合。该螺纹可锁定系统。当骨端螺纹接近骨表面顶部时停止旋转（图3D）。
- 当最远端和最近端的固定针就位后，预钻剩余两个中间孔。两个中间针的植入顺序无关紧要（图3C）。
- 外固定器就位后，使用由锯导板引导的0.22 mm Gigli钢丝锯制造节段性骨缺损（图4A）。若采用后一种方法，则应在制造缺损前先安装锯导板。
- 将0.22 mm Gigli钢丝锯穿过股骨下方的两个凹槽（图5A），通过前后往复运动制造5 mm节段性骨缺损（图5B），同时充分冲洗（使用5 ml注射器在制造缺损时滴加生理盐水）。为避免软组织损伤，骨切开完成后应在一侧将钢丝锯紧贴骨面剪断。移除锯导板（图4B）。
- 制造骨缺损或骨切开后，移除锯导板，并分层缝合伤口，先缝合肌肉层（图4C），再缝合皮肤层（图4D）。在关闭伤口前，按照研究方案对缺损部位进行相应处理。使用Ethibond vicryl 4-0缝线缝合肌肉层和阔筋膜，使用Ethicon Monocryl 3-0缝线缝合皮肤。缝合过程中避免将缝线材料拖过非无菌表面。注意：为避免伤口受压，缝线打结位置不得位于下部植入物的远端。此外，也可使用皮肤粘合剂替代缝线。
- 术后前三天，每12小时给予大鼠一次镇痛药，每24小时给予一次抗生素。当然，术后用药方案会因各研究人员所用药物的种类和品牌不同而有所差异（请参考药物说明书）。
- 手术后应频繁监测动物状态，确保其从麻醉中恢复后，方可送回饲养设施。术后最初几天应单独饲养，以确保无并发症发生。
- 术后监测动物的饮水、进食及体重变化，以确认其无疼痛或痛苦表现。若动物出现活动减少、行动困难（可能为植入物失效）、共济失调、毛发凌乱油腻、眼鼻周围有卟啉染色、弓背姿势、呼吸困难、摄食饮水减少等情况，应立即咨询兽医。
5. 体外固定器刚度的体内变化 In vivo
- 如果研究方案要求在愈合过程中改变固定器的刚度 体内 通过使用安装在手钻上的0.5 mm方头扳手，更换由特殊锁紧螺钉固定的连接部件即可实现。进行此操作时，需对大鼠实施麻醉（参见方案中的2.3步骤），并在操作时仅给予一次镇痛处理（参见方案中的2.4步骤）图6A).
- 使大鼠镇静，然后将0.50 mm的方头扳手尖端插入固定器侧面已安装的锁定螺钉中，小心地逆时针旋转，直至钢针退出一半位置（图6B）。此部分操作完成后，重复上述步骤，处理外固定板同侧的第二根钢针（图6C).
- 当同一侧的两根针拔出一半时，用镊子或夹钳轻轻移动，取下对侧的连接元件（图6D连接元件应能轻松取下，若无法取下，则需将两个锁紧螺钉再旋转几圈，以确保锁紧螺钉的尖端未嵌入连接元件中。
- 连接元件移除后，将所需刚度的连接元件滑入已移除元件的位置（图6E），然后从另一侧使用方孔扳手开始旋转，直至联锁螺钉从另一侧退出一半位置（图6F）。对第二个锁定螺钉重复相同的步骤（图6G重要提示：需要切换到板子的另一侧，以确保两个相互锁定的螺钉在更换连接元件的一侧已旋出一半 （图6H，I）.
- 完成此步骤后，取下第二个连接元件（图6J）并用与对侧更换的相同刚度的连接元件进行替换（图6K）。第二个连接元件就位后，开始旋入锁定螺钉，直至螺钉末端从钢板对侧穿出，且螺钉尖端在两侧穿出的长度相等（图6L）。对第二个锁定螺钉重复相同的步骤（图6M,N该操作过程约需15分钟完成。
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结果
设计规格
使用外固定系统稳定大鼠股骨可实现0.5至5 mm的截骨。该外固定系统为锁定式外固定器，由聚醚醚酮（PEEK - [主体部分]）和钛-铝-铌合金（TAN - [固定针]）制成，具有结构简单、可重复使用且可调节的优点，提供四种不同刚度：10%、40%、70%和100%（100%为标准型，刚性最强的固定器）图7） 。根据每位研究者的研究需求，决定是否需要进行植入物刚度调节 体内 随着骨愈合的进展，外固定板可为单一整体结构（图8）或带有两个连接元件（图9A）和两个主要模块（图9B用两个互锁的螺丝固定 (图9C) 需在手术前进行组装的图10A-F）。连接元件具有不同的厚度，因而具有不同的刚度，其设计目的是实现相当于10%（0.75 mm厚）、40%（1.70 mm厚）、70%（2.10 mm厚）和100%（2.50 mm厚；
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讨论
创建大段骨缺损的外科手术中最关键的步骤包括：1）选择合适体重的大鼠以匹配外固定器的尺寸；2）在手术过程中维持无菌环境；3）严格遵循外科手术操作规程。
本研究的主要目标是设计、制造并表征一种用于大鼠股骨大段骨缺损模型的新型可变刚度外固定器，并利用该固定器探究愈合过程中生物学因素与力学因素之间的相互作用。新固定器的力学性能在三个层面上进行了检测，其表征结果已发表于另一篇论文中30固定装置也被应用于大鼠股骨，并对其 体内 通过放射学方法监测治疗前后8周的疗效30,31.
该固定器的主要创新之处在于能够更换稳定性连接元件，以选择不同且标准化的刚度。由于在装置连接动物后仍可更换稳定性连接元件，因此可在愈合过程的不同阶段调节刚度。根据本方案所述，连接元件需逐个更换，以防止缺损边缘错位以及新生组织遭到破坏。目前可提供四种不同的刚度，但通过向植入系统生产商订购不同厚度的连接元件，即可轻松实现更多刚度等级。
固定针和主框架分别由...
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披露
作者 Romano Matthys 是瑞士达沃斯 RISystem AG 公司的员工，该公司生产植入物及植入物专用器械 & 本文所使用的耗材。作者 Vaida Glatt 无任何竞争性经济利益。
致谢
本工作由AO基金会（S-08-42G）和RISystem AG资助。
我们谨向瑞士达沃斯AO研究学院Stephan Zeiter团队致以最诚挚的"感谢"，感谢他们慷慨提供手术室设施，使我们得以顺利完成本手术操作视频的拍摄工作。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| RatExFix 简易型 100% | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.612.120 | |
| RatExFix 简易型 70% | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.612.123 | |
| RatExFix 简易型 40% | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.612.121 | |
| RatExFix 简易型 10% | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.612.122 | |
| RatExFix 连接元件 100% | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.612.130 | |
| RatExFix 连接元件 70% | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.612.131 | |
| RatExFix 连接元件 40% | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.612.132 | |
| RatExFix 连接元件 10% | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.612.133 | |
| RatExFix 主体部分 | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.611.101 | |
| RatExFix 锁紧螺钉 | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.412.110 | |
| RatExFix 安装销 0.85 mm | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.412.100 | |
| RatExFix 锯导板 100% 5 mm | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.312.100 | |
| Accu Pen 6V+ | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.390.211 | |
| 手钻 | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.390.130 | |
| 钻头 0.79 mm | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.593.203 | |
| Gigly 金属丝锯 0.22 mm | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.590.100 | |
| 方头扳手 0.70 mm | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.590.112 | |
| 方头扳手 0.50 mm | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.590.111 | |
| 定心钻头 1.00 mm | RISystem AG Davos, 瑞士 | RIS.592.205 | |
| 手术刀柄 | Fine Science Tools | ||
| 手术刀片（15号） | Fisher Scientific | ||
| 组织镊 | Fine Science Tools | ||
| 剪刀 | Fine Science Tools | ||
| 牵开器 | Fine Science Tools | ||
| 持针器 | Fine Science Tools | ||
| Henahan 骨膜剥离器 | Fine Science Tools | ||
| S形弯解剖与结扎镊 | Fine Science Tools | 2 | |
| 敷料镊 | Fine Science Tools | 2 | |
| 无菌带孔洞手术巾 | Fisher Scientific | 用于手术 | |
| 无菌纱布 | Fisher Scientific | 用于手术 | |
| 5 ml 注射器 | Fisher Scientific | 用于冲洗缺损区 | |
| 24–27G 针头 | Fisher Scientific | 用于冲洗缺损区 | |
| 1 cc 胰岛素注射器 | Fisher Scientific | 用于药物注射 | |
| 无菌生理盐水 | Fisher Scientific | 用于骨缺损区冲洗 | |
| 无菌手套 | Fisher Scientific | 用于实施手术 | |
| 氯己定 | Fisher Scientific | 手术部位消毒液 | |
| Vicryl 缝线 4-0 带 SH-1 针 | Fisher Scientific | 用于缝合肌肉 | |
| Ethibond 缝线 3-0 | Fisher Scientific | 用于缝合皮肤 | |
| 异氟烷 | Sigma-Aldrich | 用于麻醉 | |
| 布托啡诺 | Sigma-Aldrich | 术中及术后镇痛 | |
| 头孢唑林 | Sigma-Aldrich | 术中及术后抗生素 | |
| Sprague-Dawley 大鼠或其他品系 | Charles River Laboratories International, Inc. (Wilmington, MA 美国) |
参考文献
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