三足負重犬股骨頭壞死動物模型的相關研究.pdf

1、股骨頭壞死致殘率高且治療困難，是骨科的一大頑癥，被譽為“不死的骨癌”。其致殘的主要原因是晚期出現股骨頭軟骨面的塌陷，最終須行人工髖關節(jié)置換術來恢復關節(jié)功能。對于青年型患者，常選用保留自身股骨頭的治療方法。保頭治療的終極目標是重建壞死股骨頭的血運、防止股骨頭軟骨面的進一步塌陷，盡量延緩或避免人工髖關節(jié)置換。然而，現有的各種保頭治療方法，療效均不確實，臨床爭議較大。各種預防塌陷的新療法的發(fā)展和對現有不同修復方法進行客觀地評價需要一個能模仿人

2、類股骨頭塌陷進程的壞死動物模型。但至今仍缺乏一個能夠完全模仿臨床股骨頭壞死全過程的，能逐步進展至關節(jié)面塌陷的實驗動物模型。吻合血管的游離腓骨移植術是目前較為公認的、最有效的保頭治療方法，其不僅能重建缺血股骨頭的血運，還能有效地支撐起軟骨下骨，防止股骨頭的塌陷。然而，在臨床中，每個患者的壞死部位及大小均存在差異，如何針對患者的個體情況，制定腓骨植入的適宜位置？手術中將腓骨植入在哪個部位能最有效地重建股骨頭局部的生物力學環(huán)境？是進一步提高臨

3、床療效的關鍵。針對以上問題，本研究創(chuàng)新性地應用三足負重犬，強制其雙后肢負重，在此基礎上建立一個能逐步進展至股骨頭塌陷的壞死動物模型，并通過三維力學有限元分析的方法，從力學角度上對游離腓骨植入的適宜位置進行了分析。 第一部分三足負重犬動物模型的建立及其有效性評價 目的:建立能模仿人類髖關節(jié)應力的三足負重犬動物模型，觀察其雙后肢的動力學參數變化。 材料和方法:選用10只Beagle犬，一側腕關節(jié)屈曲90度位固定，建立

4、三足負重犬模型。于固定前后行三維步態(tài)分析，比較雙后肢的動力學參數變化。 結果:犬固定一側前肢后，可三足行走，雙后肢持續(xù)負重，步態(tài)發(fā)生明顯變化。雙后肢的垂直地面反力，同側后肢的峰值加速力明顯增加；雙后肢的峰值減速力明顯減小。 結論:三足負重犬可作為一個負重動物模型用來研究生物力學因素在髖關節(jié)相關疾病中的作用。 第二部分三足負重酒精滅活性犬股骨頭壞死模型的建立及其相關評價 目的:建立能夠逐步進展至關節(jié)面塌陷的

5、股骨頭壞死動物模型，對其進行影像學、組織學、圖像分析、Micro-CT三維骨計量學及生物力學評價。 方法:取雜種犬52只，分為三足犬組和四肢犬組。三足犬組克氏針固定一側腕關節(jié)，強制其三足負重。經股外側切口，在C臂機監(jiān)控下，自股骨大轉子處鉆孔至股骨頭內負重面下。在實驗側，經導管注入5ml無水酒精；在對照側注入等量的生理鹽水。分別于1、3、6、12周或動物出現明顯跛行時處死動物。取雙側股骨頭行影像學、大體及組織學觀察、圖像分析、Mi

6、cro-CT三維骨計量學及生物力學評價。 結果:酒精致壞死后12周時，四足犬活動未見異常；9只三足犬中有3只出現跛行。致壞死后第6周時，大體上可觀察到明顯的壞死區(qū)，中央液化，結構破壞；12周時，壞死區(qū)被纖維組織替代，局部可見新骨形成；出現跛行的3只動物中，可見負重區(qū)軟骨面的皺褶伴部分軟骨面缺損。酒精致壞死后6周，X線上可見股骨頭內密度不均；12周時，負重區(qū)下出現局部骨密度減低區(qū)。組織學檢測在酒精致壞死后3周可見明顯骨壞死；6周左

7、右骨壞死和修復反應并存，三足犬的壞死區(qū)向軟骨下骨區(qū)進展；12周左右出現軟骨面的皺褶和缺損。Micro-CT骨計量學顯示，隨壞死的進展，骨小梁的礦物質含量明顯降低，骨小梁三維構型也發(fā)生明顯變化。骨小梁面積和骨小梁厚度逐漸下降、骨小梁數目也逐漸減少、骨小梁分離度逐漸增大。以上變化在酒精致壞死后3周開始顯現，6周時最為明顯。生物力學檢測顯示酒精致壞死后整個股骨頭及其內松質骨的生物力學性能逐漸下降，在第6周時下降最為明顯。 結論:三足負

8、重酒精滅活性犬股骨頭壞死模型是一個可靠的股骨頭壞死動物模型。其能夠模擬人股骨頭壞死早期至晚期的病理改變，并能逐步進展至軟骨面塌陷。此動物模型適合對各種保頭療法尤其是吻合血管的骨移植術進行療效評價和比較研究，對新療法的研發(fā)提供了可靠的實驗平臺。 第三部分正常及股骨頭壞死犬股骨近端三維有限元模型的建立及相關力學分析 目的:建立犬股骨近端三維力學有限元模型，明確其應力分布特征；模擬不同部位及體積的壞死灶，明確最佳致壞死部位及壞

9、死體積；模擬不同位置及深度的游離腓骨植入，明確最佳的游離腓骨植入方案。 材料和方法:取雜種犬1只，將通過CT掃描獲取的圖像經有限元建模的方法在ANSYS軟件中建立正常犬股骨近端的三維力學有限元模型；在此基礎上建立具有不同大小、方向和深度的股骨頭壞死有限元模型，比較正常犬及壞死犬股骨頭的內部應力及壓力/強度比的變化；模擬不同方向和深度的腓骨植入，分析比較不同空間位置的腓骨移植后對壞死股骨頭內部應力的重建作用。 結果:經實體

10、和有限元建模后，得到正常犬股骨近端、不同空間位置壞死區(qū)和腓骨植入的三維力學有限元模型。通過此方法建立的犬股骨近端有限元模型具有逼真的解剖學外形；正常犬股骨近端模型具有19995個單元、27496個節(jié)點。正常犬股骨頭內部的應力大小從0.27致4.02MPa不等，主要按承重骨小梁的軌跡，沿股骨頭后內側經小轉子向下傳導；內部的應力/強度比分布范圍在0.013至0.196之間；最大應力/強度比主要出現在股骨頭負重區(qū)下松質骨部位。當股骨頭內出現壞

11、死區(qū)后，整個股骨頭內部的最大應力和應力/強度比出現重新分布；不同大小、深度和方向的壞死灶內的應力均有不同程度的增加；最大應力值均出現在壞死區(qū)內，相對固定于壞死區(qū)臨近壓力軸線的部位；大體積壞死灶的應力水平均高于小體積的壞死灶；越接近關節(jié)軟骨面的壞死灶，其內部的應力水平越高；最容易出現塌陷的部位位于負重區(qū)偏后的位置。模擬游離腓骨植入后，在處于壓力軸線偏后的壞死區(qū)，最佳的腓骨植入位置應位于壞死區(qū)的偏外側且與正常松質骨相鄰；當腓骨植入于壞死區(qū)中