三叉形股骨膨脹式空心加壓螺釘抗旋出性能的生物力學(xué)研究

尹一然，陳 歌，魯曉波

（瀘州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨關(guān)節(jié)外科，四川 瀘州 646000）

股骨頸骨折主要由于骨質(zhì)疏松、老年人髖周肌肉群退變、反應(yīng)遲鈍或遭受?chē)?yán)重外傷所致的股骨頸斷裂［1］。且由于股骨頸處血運(yùn)和生物力學(xué)特點(diǎn)，具有較高的股骨頭壞死發(fā)生率［2］。由于老年人易存在骨質(zhì)疏松的特性，骨折難以愈合，且易發(fā)生嚴(yán)重并發(fā)癥，影響我國(guó)老年患者的生活質(zhì)量［3］。傳統(tǒng)的內(nèi)固定器械在手術(shù)后由于負(fù)載過(guò)大往往易出現(xiàn)內(nèi)固定物的松動(dòng)或拔出，影響治療效果。因此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者均致力于研制具有可靠生物力學(xué)特性的內(nèi)固定器械。本研究采用自行設(shè)計(jì)三叉形膨脹式空心加壓螺釘固定股骨頸骨折，與普通AO空心加壓螺釘比較，通過(guò)測(cè)定其抗旋出性能來(lái)探討三叉形股骨膨脹式空心加壓螺釘內(nèi)固定植入的穩(wěn)定性作用。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 標(biāo)本 新鮮豬股骨標(biāo)本12個(gè)（均為養(yǎng)殖1年以?xún)?nèi)公豬，自養(yǎng)殖場(chǎng)統(tǒng)一購(gòu)買(mǎi)），經(jīng)X線(xiàn)檢查排除明顯骨質(zhì)疏松、骨折及骨病。制備成標(biāo)準(zhǔn)股骨頸基底部骨折模型（Pauwels角＝50°）。

1.1.2 內(nèi)固定器械 三叉形膨脹式空心加壓螺6枚，普通AO空心螺釘6枚，由北京中智云天醫(yī)療器械公司按設(shè)計(jì)圖樣制造。

1.1.3 測(cè)量工具和儀器 64排64層CT、C臂X光機(jī)、萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)、四川大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室扭轉(zhuǎn)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、普通空心加壓螺釘（北京中智云天醫(yī)療器械公司）、電動(dòng)擺鋸等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 制備三叉形膨脹式空心加壓螺釘，見(jiàn)圖1。

圖1 三叉形膨脹式空心加壓螺釘Figure 1 The trigeminal form expansion cannulated screws注：a.主釘及內(nèi)栓；b.內(nèi)栓擰入主釘后

1.2.2 分組及固定 將12只新鮮豬股骨標(biāo)本隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組采用三叉形膨脹式空心加壓螺釘固定，對(duì)照組采用AO空心加壓螺釘固定。所有內(nèi)固定進(jìn)釘方法一致，X線(xiàn)下檢測(cè)復(fù)位效果滿(mǎn)意。

1.2.3 測(cè)定各組最大旋出力矩 在萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行軸向拔出實(shí)驗(yàn)。將股骨固定于特制夾具，使螺釘長(zhǎng)軸與試驗(yàn)機(jī)的扭轉(zhuǎn)軸處于同一軸線(xiàn)。沿長(zhǎng)軸方向以240°／min的角速度旋出螺釘，至螺釘松動(dòng)后停止。載荷信號(hào)由計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄，并由連接的測(cè)試軟件計(jì)算出螺釘?shù)淖畲笮隽亍２⒂?jì)算出角度－旋出力矩曲線(xiàn)下0～180°范圍的面積，即為螺釘旋出180°能量吸收值。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 12.0統(tǒng)計(jì)軟件分析處理，采用t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料以ˉs±s表示，P≤0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 外觀觀察 三叉形膨脹式空心加壓螺釘組和普通AO空心加壓螺釘組骨折復(fù)位和固定均符合臨床標(biāo)準(zhǔn)，各組標(biāo)本在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中螺釘均無(wú)斷裂、松動(dòng)等情況出現(xiàn)。標(biāo)本在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)其他骨折。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 螺釘類(lèi)型、最大旋出力矩、旋出180°能量吸收值及骨密度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。表1顯示，三叉形膨脹式空心加壓螺釘?shù)目剐鲂阅苊黠@優(yōu)于普通AO空心螺釘。

表1 兩組螺釘?shù)淖畲笮隽嘏c旋出180°時(shí)能量吸收值（n，）Table 1 The energy absorption value and the maximum rotating torque

表1 兩組螺釘?shù)淖畲笮隽嘏c旋出180°時(shí)能量吸收值（n，）Table 1 The energy absorption value and the maximum rotating torque

組別 螺釘類(lèi)型 最大旋出力矩（Nm） 旋出180°能量吸收值（J） 骨質(zhì)密度（g／cm2）P 3.23±0.68 7.63±1.58 0.85±0.07 0.05對(duì)照組 普通AO空心螺釘實(shí)驗(yàn)組 膨脹式空心加壓螺釘1.98±0.32 2.89±1.030.83±0.09 0.05

3 討論

股骨頸骨折是臨床最常見(jiàn)的骨折之一，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為股骨頸骨折的發(fā)生隨年齡的增加骨折退化及女性絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松有關(guān)。國(guó)外資料統(tǒng)計(jì)約80%股骨頸骨折與骨質(zhì)疏松有關(guān)［4］；國(guó)內(nèi)研究顯示，股骨頸骨折中伴有骨質(zhì)疏松癥患者高達(dá)86.2%［5］。由于股骨頸解剖結(jié)構(gòu)及其骨折后病變特點(diǎn)，股骨頸骨折后股骨頭的血供受到破壞，關(guān)節(jié)囊內(nèi)出血使囊內(nèi)壓力增高，致使股骨頭血供進(jìn)一步遭到破壞。因而股骨頸骨折后骨折處不愈合及股骨頭壞死的發(fā)生率較高，不僅嚴(yán)重影響中老年人的身體健康和生活質(zhì)量，也是中老年人致殘、致死的主要原因之一［6］。

近年來(lái)中空加壓螺釘內(nèi)固定術(shù)由于簡(jiǎn)捷方便，損傷較小，療效較好，逐漸成為治療新鮮股骨頸骨折的首選方法［7］。有觀點(diǎn)認(rèn)為，無(wú)論何種類(lèi)型的股骨頸骨折（即使是無(wú)移位型或嵌插型），除非病人有明確手術(shù)禁忌癥，均應(yīng)考慮手術(shù)治療，可以有效地防止骨折再移位，并減少臥床時(shí)間，減少骨折合并癥發(fā)生［8］。但雖然內(nèi)固定術(shù)在骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折的治療中起著重要的作用，但臨床效果仍不十分令人滿(mǎn)意［9］。中空加壓螺釘固定的優(yōu)越性依賴(lài)于它能否獲得足夠的骨－螺釘界面握持力。老年人由于骨質(zhì)疏松，骨骼質(zhì)量差，其脆弱的骨質(zhì)不能給內(nèi)固定器械提供牢固的錨定點(diǎn)及骨支持，單純螺釘固定的支持作用較差，在骨－螺釘界面握持力不足或術(shù)后承載負(fù)荷過(guò)大時(shí)，可造成內(nèi)固定物松動(dòng)、退出及再次發(fā)生骨質(zhì)等并發(fā)癥，內(nèi)固定失效率較高［10］。眾多的學(xué)者專(zhuān)家一直著力于內(nèi)固定器械的設(shè)計(jì)以及材料的改進(jìn)，提高手術(shù)操作技術(shù)，以使得股骨頸骨折患者早期內(nèi)固定手術(shù)的可靠性得到更大的提高。

本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)采用的三叉形膨脹式空心加壓螺釘采用鈦合金制備，生物相容性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐磨蝕、抗磁性及抗疲勞，金屬惰性大，不易產(chǎn)生電離反應(yīng)，排異反應(yīng)小，對(duì)患者骨折愈合不良影響小。且鈦合金在X線(xiàn)、CT、MRI等影像學(xué)檢查中基本不產(chǎn)生偽影，便于早期在術(shù)后復(fù)查中發(fā)現(xiàn)股骨頭壞死。在傳統(tǒng)的AO空心加壓螺釘外形基礎(chǔ)上改良的三叉形膨脹空心加壓螺釘，增加了螺釘整體體積及與周?chē)琴|(zhì)的接觸面積，方法是通過(guò)擰入內(nèi)栓，使空心加壓螺釘前端的膨脹部直徑明顯增加，使得螺釘與周?chē)钦劢佑|面成角增加，剪切應(yīng)力增加，增加了螺釘?shù)陌殉至σ约皩?duì)骨折端的壓力，使得螺釘?shù)姆€(wěn)固性明顯增加。同時(shí)，內(nèi)螺釘采用擰入而非錘入，避免了在負(fù)載下骨折斷端間的分離。在評(píng)價(jià)螺釘?shù)姆€(wěn)定性的生物力學(xué)測(cè)試的眾多方法，軸向拔出力試驗(yàn)常被采用作為評(píng)價(jià)螺釘穩(wěn)定性的指標(biāo)。因最大軸向拔出力主要取決于螺釘與周?chē)琴|(zhì)的剪切應(yīng)力，即螺釘與周?chē)琴|(zhì)接觸面積越大，其剪切應(yīng)力也越大，可較好的反映螺釘?shù)纳锓€(wěn)定性。

4 結(jié)論

三叉形膨脹式空心加壓螺釘能有效增強(qiáng)內(nèi)固定的抗拔出力，抗扭轉(zhuǎn)效能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)AO空心螺釘，具有較傳統(tǒng)中空螺釘更好的固定作用，可顯著提高內(nèi)固定的穩(wěn)定性。應(yīng)用于臨床特別是具有骨質(zhì)疏松的患者具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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