爆炸 | 导致大鼠创伤性肢体骨折的良好爆炸控制实验方法研究

在这项研究中，我们使用3D打印平台重新开发了爆炸损伤模型，采用三点弯曲原理诱发肢体骨折。该平台实现了由爆炸引起的存活的肌肉骨骼损伤，且损伤程度一致。在不同爆炸压力（8-12巴）下，我们在体重范围为230-523克的大鼠中获得了非常一致的肢体骨折结果。我们还得出了孔密封条件和肢体固定位置对肢体骨折结果的显著影响。该平台为我们未来的体内研究提供了可控的术前条件，重点研究通过骨折区进行的截肢手术和接近截肢部位的异位骨化病理过程。此外，我们可以控制和量化施加在老鼠上的爆炸波强度。
我们改进的平台首次复制了纯爆炸波（初级爆炸损伤）引起的四肢骨折。初级爆炸负荷可能是导致严重骨折后创伤性愈合中高异位骨化率的潜在原因。与钝性冲击引起的肢体骨折不同，爆炸波作用在人体组织的方式截然不同。爆炸波是一种超音速压力波，具有瞬时上升的特点。  [23,25]可对爆炸附近的肢体表面施加动态压力。这些表面压力随后传递到肢体内部，形成应力波。压力产生的冲击力作用于肢体组成部分（骨骼和组织）的相对运动，[9]从而导致骨骼和软组织的剪切、剥离和压缩。[[27]，[28]，[29]]先前的研究强调了初级爆炸伤害与次级（碎片冲击）和三级爆炸伤害（身体冲击）的不同性质，爆炸波同时激活了系统性和局部反应。例如，与其他爆炸伤害的反应相比，在爆炸引起的脑部和肺部伤害中，发现初级爆炸伤害引发了最显著的系统性炎症、神经炎症和全身缺氧。  [[30],[31],[32],[33]].这种系统性反应，伴随着局部炎症和组织缺氧，已在近期研究四肢损伤引起的异位骨化形成中被观察到。  [11,13,34].
在初级爆炸伤害中，爆炸伤害组织（局部软组织和骨折骨骼）的分子机制可能会产生骨骼和肌肉组织细胞的快速缺氧，导致立即的炎症反应和细胞因子的过度产生（如缺氧诱导因子）。[34].这些细胞因子在刺激局部间充质细胞分化为软骨细胞和成骨细胞方面发挥关键作用，从而激活骨生成过程并促进异位骨形成（即异位骨化）。[35,36].对于全身的持续性系统性炎症反应，这可能由组织缺血引发，并可能发展为组织氧气供应不足，从而导致伤者远端器官功能障碍。[37].然而，具体机制尚不明确。这种系统性反应可能与其他爆炸伤害不同；众所周知，次级伤害（深部开放性伤口）和三级伤害（普遍的钝性伤）导致的出血和广泛性缺血，也可能引起系统性反应。[37].相比之下，初级爆炸伤害通常造成的软组织损伤较小，从而更难理解它们是如何引发系统性反应的。因此，研究初级爆炸伤害对异位骨化形成的影响，同时最小化次级和三级伤害的干扰，对于理解异位骨化的发病机制至关重要。然而，之前研究爆炸引起异位骨化时，仅通过爆炸波未能引起骨折。相反，骨折是通过非爆炸（例如钝性冲击）或混合机制引起的。[17,20].因此，爆炸波对异位骨化形成的独立影响仍不清楚。我们改进的平台可以用于未来研究，旨在探讨纯爆炸波暴露（初级爆炸伤害）对异位骨化形成的影响，而不受次级和三级伤害的干扰。
我们的平台可以模拟类似于开放战场爆炸中的初级爆炸引起的四肢损伤机制，从而在大鼠身上引起肢体骨折。爆炸波可以通过不同的机制引起肢体骨折。[38].例如，在我们之前的平台中，我们使用砧铁支撑胫骨，使下肢自由移动。在爆炸暴露期间，腿部向上撞击钢架，导致骨折。当动物被悬挂或保护不当时，会产生复合爆炸伤害（初级和三级爆炸伤害）。  [32].然而，这与开放场地爆炸情况不同，后者骨折可能是由于爆炸波（初级爆炸伤害）的直接耦合。在开放场地伤害中，骨折往往优先发生在骨干而非关节脱位（通常见于撕脱伤）。[9].此外，初级爆炸伤害通常伴随着较少的开放软组织损伤，并主要局限于骨折（截肢）区域。这与次级爆炸伤害不同，爆炸波的碎片会深深刺入软组织，而三级爆炸伤害则由压伤和广泛性钝性伤造成。[39].在战场上，士兵在开放场地爆炸中通常处于站立姿势，此时腿部受体重限制。在这种短时间（<30毫秒）的爆炸暴露情况下，可以假设脚和臀部保持固定。在这种负荷条件下，肢体骨折是由三点弯曲机制造成的。我们改进的平台遵循这一机制。我们在平台上将左腿的近端固定在胫骨近端，远端固定在踝关节。仅暴露左腿于爆炸波中，以在左胫骨上实现初级爆炸伤害，而在暴露过程中没有额外的钝性伤害。尽管次级和三级伤害中观察到的骨折机制也可能遵循三点弯曲机制，但重要的是要注意，这些伤害是由如弹片或身体与障碍物碰撞等间接方式引起的动态局部负荷，而不是爆炸波本身。  [38].在我们的模型中，所得出的一致的胫骨骨折结果仅由初级爆炸波引起，爆炸波施加了均匀的动态负荷，并遵循三点弯曲机制。
我们改进平台的一个独特优势是对大鼠身体进行了良好的保护，可通过以下两点得到证实：（1）高速视频片段显示最小的身体运动（表明大鼠身体其余部分的爆炸损伤最小）；（2）X射线图像未显示腹腔气体（表明器官损伤最小）以及目标区域外的非计划骨折。身体运动被认为是我们之前研究中二级身体伤害（例如非计划骨折）的主要原因。[20].对于器官损伤，先前的研究表明，爆炸波可以引起急性器官（尤其是肺、脑和肝脏）损伤，导致随后的出血性休克和多脏器衰竭。[26].这可能解释了以前爆炸引起的异位骨化研究中报告的高死亡率。[18].因此，避免额外的器官损伤和目标外区域的伤害非常重要。我们改进的平台最小化了身体运动和次级爆炸伤害。因此，我们认为该平台会降低大鼠的死亡率，但实际的死亡率需要在我们接下来的活体动物研究中确认。此外，改进平台的身体保护概念和方法还可以供其他爆炸伤害实验（如爆炸性脑伤和爆炸性肺伤）参考，提供有关如何适当地保护目标以外区域的方法。例如，目前对爆炸性脑伤的研究要么不采取任何保护措施，要么使用护罩保护动物头部以下的身体，这可能导致其他区域的附加伤害。我们的平台可以为这种护罩的设计提供见解，并给予一些重要的设计特性，例如如何密封护罩周围的开口，以阻止爆炸波的传播。
参数研究表明，有两个因素会影响骨折结果。由于肢体骨折是由作用在腿部的力引起的，经论证，我们得出作用的力受两个因素的影响：其一是平台上的孔洞，爆炸波可以通过孔洞分散，从而减少作用在腿上的负荷；其二是两个固定点之间的距离。实验表明，将固定点从脚踝移动至远端胫骨不会导致肢体骨折。这是因为暴露在爆炸下的区域减少了，降低了胫骨中部的力量和弯曲力矩，从而降低了骨折的可能性。这些原理也可以推广到未来开发用于爆炸引起骨折的大型动物模型的研究中。
我们的模型能够更好地控制真实初级爆炸伤害，并具有高度的重复性。这解决了爆炸伤害研究中的转换研究问题，包括尸体和活体动物间的研究，以及动物数据和实际爆炸结果间的研究。[40].这种由爆炸引起的肢体骨折的大鼠模型为未来的体内研究铺平了道路，可通过骨折区域进行截肢手术。通过排除次级和三级伤害的干扰，这个模型体现了开放场地爆炸波暴露期间初级爆炸引起的四肢伤害的真实情况。在我们进一步的活体动物研究中，如果纯爆炸波引起的骨折未能导致异位骨化形成，这表明爆炸波不再是引起异位骨化（由战斗伤害导致）的必然要素，或者需要其他伤害负荷机制共同存在。我们的模型还可以用来研究各种其他因素在纯爆炸波条件下对异位骨化形成的影响，如初步治疗方案（负压伤口治疗）和外科方案（如清创方法）。
这项研究有一些局限性。首先，我们通过使用不同的爆炸压力来改变爆炸波的强度，这主要改变了爆炸波的压力大小，而不改变正相持续时间。我们没有研究正相持续时间对肢体骨折的影响，因为当前研究重点是开发一种实验方法，该方法使用纯爆炸波引起肢体骨折。以前的研究表明，压力大小和正相持续时间都会影响伤害的严重程度，[20,24]   这两者可能会影响异位骨化的发病。我们未来的体内研究应该通过改变冲击管驱动腔的体积来研究正相持续时间对异位骨化形成的影响。其次，尽管我们重点关注保护大鼠的身体，并检查是否存在腹腔自由气体或测试期间的非计划身体运动来评估次级伤害，但可能仍有通过孔边缘的有限爆炸波侵入造成大鼠身体的轻微伤害。我们应通过长期测量和活体大鼠的解剖来进一步研究这些潜在的伤害。第三，由于肢体骨折是局部导致的，所以大鼠胫骨属性（如肌肉和骨强度）应该是最理想的度量标准，以代表动物体型对肢体骨折的影响。然而，由于缺乏适当的设施，我们无法确定胫骨属性。因此，我们采用大鼠重量作为替代指标来代表动物体型的影响。这个决定基于假设胫骨属性与动物重量呈线性关系，因为本研究使用的大鼠来自同一物种、性别（雄性）并在相同条件下饲养。
总之，我们引入了一个改进的平台，为大鼠身体提供了适当的保护，并有效地控制了因纯爆炸波暴露直接引起的大鼠肢体骨折。我们的设计可以为未来的爆炸伤害研究提供指导，包括其他器官如肺部或脑部的研究。    

编辑：陈微，曹文丽

审核：田丽