空心螺釘治療鎖骨骨折的生物力學研究

孫軍戰，王光輝，吳成如，高 升

鎖骨骨折是臨床常見的創傷，約占全身骨折的5.98%［1］。目前其內固定方法很多，主要是以鋼板固定為代表的髓外固定和以克氏針為代表的髓內固定兩大方式。各種內固定方法均有其手術方式缺陷及由此引發的相關并發癥的報道［2］，我們對目前常規的鎖骨手術方式進行改良，采用直徑6.5 mm空心螺釘進行鎖骨髓內固定，取得了滿意的臨床效果［3］，對采用的6.5 mm空心螺釘進行了體外生物力學測試，并與鋼板進行了比較。

1 材料與方法

1.1 材料 國產“S”型鎖骨鈦鋼板，直徑6.5 mm空心鈦合金螺釘(內徑2.6 mm，螺紋間距3 mm，螺紋長度18 mm);骨水泥為Palacos MV+G(德國);MTS公司生產的MTS809力學實驗機(美國)，最大載荷100 kN(中國科學技術大學工程力學實驗室提供);數據處理軟件OriginPro;安徽醫科大學解剖實驗室提供的10根尸體鎖骨骨骼標本。

1.2 實驗設計及模型制作 隨機分成鋼板(PS)組6根及空心螺釘(CS)組4根，擺鋸橫行截斷鎖骨中外1/3處，骨折后分別為空心螺釘及鋼板螺釘固定。鎖骨兩端均用骨水泥包裹固定呈接觸平臺，見圖1。分別進行三點彎曲負荷及軸向擠壓負荷測試，其中鋼板三點彎曲載荷分為正載荷(中點載荷方向自上向下)及負載荷測試(中點載荷自下向上)，軸向擠壓負荷測試為從鎖骨兩端沿中軸線加壓。加載速度1.4 mm/min，數據采集速率100次/s，數據實時傳送采集，OriginPro軟件處理并生成載荷曲線。

2 結果

2.1 各組實驗數據 所有負荷測試均以發生固定失敗或內植物明顯開始變形為結束標志，見表1、表2。載荷實驗數據結果經OriginPro處理軟件處理生成載荷曲線。

圖1 鎖骨力學實驗模型

表1 兩組三點彎曲負荷(N)

表2 兩組軸向擠壓負荷(N)

2.2 軸向擠壓負荷實驗 空心螺釘固定失效載荷在3034.99 N彎曲應變3.52 mm載荷點左右。測試過程中載荷曲線平穩上升，中間分別在1000 N及2300 N載荷點發生細微搏動，主要是考慮為空心螺釘遠近端膨大部在載荷情況下對髓腔內松質骨的壓縮導致，但未對整體曲線的走勢發生明顯影響。在3034.99 N載荷點螺釘近端破出鎖骨固定失敗，載荷瞬間丟失，見圖2a。鋼板固定失效在2470.13 N彎曲應變3.13 mm載荷點左右，但曲線在平穩上升階段中在1571.18 N彎曲應變1.39 mm記錄點左右發生了變化，為持續施加載荷時靠近骨折端的一枚螺釘發生松動釘道出現了微骨折導致，見圖2b，與羅軼等［4］測定的鋼板螺釘固定載荷(1348±121)N結果相近。對比可見空心螺釘在對抗鎖骨所受的軸向載荷強度上大大強于鋼板。

圖2 兩組軸向擠壓載荷曲線

2.3 三點彎曲載荷實驗 與空心螺釘髓內固定方式不同，鋼板屬于髓外單邊固定方式，故我們采用了相反方向不同載荷施加模式，正向為載荷中心施加于鋼板，負向為對側，分別測試。鋼板三點正向彎曲實驗，施加著力點為鋼板中央，載荷達270.29 N彎曲應變2.01 mm載荷點左右后，由于主要為鋼板發生變形，位移增加同時，上升曲線平緩，見圖3a;鋼板三點負向彎曲，載荷開始作用于骨折端鋼板對側骨質，在250 N左右對側接觸骨質發生破壞及壓縮后，再由鋼板及鎖骨骨折端共同承受，載荷上升至550 N彎曲應變4.37 mm，見圖3b。空心螺釘組三點彎曲測試，表明載荷上升平穩達1017.16 N彎曲應變3.47 mm載荷點左右時，空心螺釘對鎖骨的位置固定失敗，載荷降至886.08 N，載荷發生部分下降后大部分由空心螺釘承受，故又緩慢上升，見圖3c。

圖3 兩組三點彎曲載荷曲線

3 討論

3.1 空心螺釘應用于鎖骨骨折的基礎 鎖骨骨折好發于鎖骨中外 1/3［5］，最近一項 Meta分析提出［6］:手術治療成人鎖骨中段骨折較非手術治療存在優勢。骨科界對于移位性鎖骨中段骨折的治療理念已經轉為支持手術內固定治療，但是仍不明確哪種固定方法更具有優勢［7］，但常規鋼板與克氏針固定方式均存在較多的令人不滿意方面。空心螺釘在臨床采用廣泛，較彈性矩形釘，螺紋針，雙頭加壓螺釘［8］等更易獲得且費用低廉。有實驗表明［9］3.5 ～4.5 mm空心螺釘固定的鎖骨三點彎曲強度測量及彎曲剛度測量結果與正常鎖骨相似。髓內釘直徑增加＞2 mm，即能明顯增加結構穩定性和結構剛度［10］，我們設計了采用直徑6.5 mm空心螺釘微創行鎖骨骨折固定，在實際臨床上獲得了滿意的效果［11］。

3.2 空心螺釘及鋼板的生物力學實驗設計及測試結果 只設計三點彎曲實驗及軸向擠壓實驗的原因:引起骨折的因素絕大多數為肩部受到直接暴力，僅6%的鎖骨骨折由摔倒時因手部撐地而上傳的暴力引起。兩種受力方式均為鎖骨受到軸向加壓導致。作為一種新鎖骨內固定材料的應用需要檢測在軸向擠壓狀態下的力學結果。鎖骨由于受上肢重量與頸闊肌、胸鎖乳突肌的相反牽引，在術后內固定物的抗折彎能力需要足夠。抗扭轉實驗之所以沒有采用，主要是考慮在離體條件下無法復制重建喙鎖韌帶、關節囊韌帶等對“S”型鎖骨扭轉測試的影響。Harnroongroj等［12］實驗亦證明了這點。

3.3 實驗數據及所繪制曲線 在軸向擠壓測試中，空心螺釘的負荷極限遠遠超出了鋼板(3034.99 N對2470.13 N)，且在加載過程中極其穩定，而鋼板在加載過程中(1571.18 N)及發生了螺釘松動，空心螺釘在對抗鎖骨所受的軸向載荷強度上大大強于鋼板。三點彎曲測試中，鋼板固定組無論正向(270.29 N)及負向(443.76 N)上均遠遠低于空心螺釘組(1017.16 N)。

上述實驗得出:直徑6.5 mm空心螺釘治療鎖骨骨折從生物力學上來看，在抗軸向負荷及三點彎曲負荷上均優于目前常規使用的鋼板。結合在實際臨床觀察的效果，6.5 mm空心螺釘作為鎖骨骨折治療的內植物具有良好的力學效果。

［1］ 王亦璁.骨與關節損傷［M］.3版，.北京:人民衛生出版社，2003:496.

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［3］ 孫軍戰，鄭國海，趙克義.微創空心螺釘髓內固定治療鎖骨骨折［J］.中華骨科雜志，2013，33(7):695-700.

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