空心釘及股骨頭減壓植骨固定股骨頸骨折的生物力學(xué)研究

李智勇　張奇　桑健　張英澤　田帥　王娟　劉躍駒　許斌

空心釘及股骨頭減壓植骨固定股骨頸骨折的生物力學(xué)研究

李智勇張奇桑健張英澤田帥王娟劉躍駒許斌

【摘要】目的探討AO空心加壓螺釘、游離髂骨塊固定股骨頸骨折的生物力學(xué)特點，為臨床應(yīng)用提供生物力學(xué)依據(jù)。方法選用10對成人防腐股骨標(biāo)本，隨機分入植骨組和對照組。所有標(biāo)本均制成股骨頸骨折模型，解剖復(fù)位后，對照組采用3枚AO空心加壓螺釘固定，植骨組采用3枚AO空心加壓螺釘及游離髂骨塊固定，空心釘呈正等腰三角型分布，髂骨塊從大轉(zhuǎn)子向股骨頭前下方置入，與空心釘成30°角。所有標(biāo)本均應(yīng)用Electroforce 3520-AT生物力學(xué)實驗機進行抗扭轉(zhuǎn)、抗壓、循環(huán)載荷及極限載荷實驗。結(jié)果抗扭轉(zhuǎn)實驗中使股骨頭扭轉(zhuǎn)3°和5°時，植骨組的扭矩值均大于對照組(P＜0.05)。抗壓實驗中在700 N和1 000 N的垂直載荷下，植骨組位移值與對照組比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P均＜0.05) ;所有標(biāo)本均成功完成了循環(huán)實驗，無疲勞骨折、內(nèi)固定失敗出現(xiàn)。在最大載荷方面，植骨組的最大載荷平均為(2 583±354) N，對照組平均為(2 475±253) N，2組比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。結(jié)論

成角度植入髂骨塊后，三枚空心加壓螺釘固定股骨頸骨折的抗旋轉(zhuǎn)能力增強，抗壓能力無改變，生物力學(xué)穩(wěn)定性沒有降低。從生物力學(xué)的角度，此手術(shù)方法可用于臨床股骨頸骨折的治療。

【關(guān)鍵詞】股骨頸骨折;骨折固定術(shù);植骨;生物力學(xué)

項目來源:河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展支撐計劃項目(編號: 122777169)

作者單位: 050051石家莊市，河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院(李智勇、張奇、張英澤、田帥、王娟、劉躍駒、許斌) ;武警江蘇總隊衛(wèi)生隊(桑健)

E-mail: liyong99423@163.com

股骨頸骨折是臨床常見的創(chuàng)傷，多發(fā)生于老年人，尤其是老年女性。隨著世界人口老齡化的加劇，其發(fā)生率逐年上升［1］。盡管近年來手術(shù)方法及內(nèi)固定器械不斷改進，然而骨折不愈合及股骨頭壞死依然是股骨頸骨折內(nèi)固定術(shù)后的主要并發(fā)癥，其發(fā)生率分別為10%～33%和24%［2］。游離骨塊植骨是減少術(shù)后并發(fā)癥的一種有效方法［3－6］，目前臨床上常用的植骨方法有些需要切開關(guān)節(jié)囊在股骨頸前外側(cè)開槽［3］，創(chuàng)傷比較大，有些因為生物力學(xué)穩(wěn)定性差術(shù)后需要石膏等外固定［5，6］，影響患者術(shù)后髖關(guān)節(jié)的功能鍛煉。為了解決以上問題，本研究設(shè)計了股骨頭減壓植骨、空心釘固定股骨頸骨折的方法，并測試其生物力學(xué)穩(wěn)定性，為臨床應(yīng)用提供理論依據(jù)，報道如下。

1　材料與方法

1.1標(biāo)本的制備及保存10具經(jīng)甲醛防腐處理的成年尸體標(biāo)本，均為男性，年齡57～78歲，平均年齡62歲。通過肉眼觀察，正、側(cè)位X-射線檢查，證實全部標(biāo)本無風(fēng)濕、結(jié)核、腫瘤等病變及解剖學(xué)變異。采用雙能X-射線全身骨密度測量儀檢測10對股骨近端標(biāo)本的骨密度。將股骨及同側(cè)髂前上棘處包括內(nèi)外板的骨塊從每具尸體標(biāo)本取下，剝離附著于骨的軟組織。將取好備用的標(biāo)本置于0.9%氯化鈉溶液中浸濕，雙層密封袋包裹以防止標(biāo)本脫水，－20℃冷凍保存，實驗開始前6 h室溫下消融。

1.2骨折模型的制備及固定將每對股骨及同側(cè)的髂前上棘骨塊隨機分入植骨組和對照組。所有股骨標(biāo)本近端均保留25 cm，用擺鋸于股骨頸中部并垂直于股骨頸軸線鋸斷，造成骨折模型。所有標(biāo)本的固定均由同一術(shù)者在C型臂X線透視儀下完成。

1.2.1對照組:骨折解剖復(fù)位后應(yīng)用3枚直徑7.3 mm空心加壓螺釘固定，三枚空心釘呈正等腰三角型分布。見圖1。

1.2.2植骨組，解剖復(fù)位后，平行打入3根導(dǎo)針，呈正等腰三角型分布。由大轉(zhuǎn)子處向股骨頭前下方打入第4根導(dǎo)針，與其余導(dǎo)針約成30°角。測深、攻絲后，首先擰入遠(yuǎn)端2枚空心釘。用直徑2.0 mm克氏針由股骨近端外側(cè)向股骨頭方向鉆孔3個，分別位于股骨頭上、中、下1/3處，至股骨頭軟骨下0.5 cm。然后用直徑8.5 mm空心鉆沿第四根導(dǎo)針做一骨性隧道，過骨折線約1.5 cm。根據(jù)隧道的大小及深度修剪髂骨塊，保留外側(cè)及上方皮質(zhì)，然后將骨塊打入骨性隧道，最后擰入近端空心釘。

1.3生物力學(xué)實驗標(biāo)本與夾具的固定:將股骨標(biāo)本遠(yuǎn)端固定于自制固定架中，使股骨與垂直面成25°夾角，前傾5°～10°，以模擬正常人單足站立時的負(fù)重情況［7］，采用自制股骨頭扭轉(zhuǎn)固定架及股骨頭受力夾具進行扭轉(zhuǎn)實驗及垂直壓縮實驗。見圖1、2。

圖2　抗壓實驗

圖1　抗扭轉(zhuǎn)實驗

1.3.1抗扭轉(zhuǎn)實驗:將固定架固定于生物力學(xué)實驗機上，給予股骨頭垂直加載應(yīng)力至10 N后，以0.5°/s的速度將股骨頭順時針扭轉(zhuǎn)5°，記錄其扭轉(zhuǎn)3°，5°時的扭矩。

1.3.2抗垂直壓縮實驗:將標(biāo)本恢復(fù)至初始位置，更換股骨頭固定夾具。首先給予股骨頭垂直加載100 N應(yīng)力，以消除股骨松弛，蠕變等時間效應(yīng)的影響。然后以20 N/s的速度垂直向下給予股骨頭加載應(yīng)力至1 000 N，記錄700 N，1 000 N時生物力學(xué)機顯示的位移數(shù)值。

1.3.3循環(huán)實驗:將標(biāo)本恢復(fù)至初始位置。以頻率2 Hz，給予股骨頭加載700 N的交變壓應(yīng)力，加載方式為正弦波加載，做1 000個循環(huán)。完成后對標(biāo)本再次進行扭轉(zhuǎn)和垂直壓縮實驗，方法同上。

1.3.4最大垂直載荷實驗:最后以20 N/s的速度對標(biāo)本進行垂直加載應(yīng)力，直至內(nèi)固定失敗。失敗的標(biāo)準(zhǔn)為:標(biāo)本出現(xiàn)骨折，股骨頸、股骨頭破裂，力位移曲線維持平直或下降，記錄內(nèi)固定失敗時的應(yīng)力。

1.4觀察指標(biāo)左、右側(cè)股骨標(biāo)本近端的骨密度值，垂直應(yīng)力為700 N及1 000 N時的位移值，股骨頭扭轉(zhuǎn)3°、5°時扭矩值及最大垂直載荷實驗中內(nèi)固定失敗時的應(yīng)力值。

2　結(jié)果

2.12組骨密度比較經(jīng)雙能骨密度儀檢測，左側(cè)股骨近端標(biāo)本的骨密度為(0.87±0.16) g/cm2，右側(cè)為(0.89±0.13) g/cm2，左、右側(cè)標(biāo)本的骨密度差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。

2.22組最大載荷比較植骨組的最大載荷平均為(2 583±354) N，對照組平均為(2 475±253) N，2組比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。

2.32組不同垂直載荷下位移植比較2組循環(huán)實驗前后700、1 000 N下位移植比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。見表1。

表1　2組不同垂直載荷下的位移值　mm，±s

表1　2組不同垂直載荷下的位移值　mm，±s

載荷　植骨組　對照組　t值　P值循環(huán)實驗前(N) 700　0.32±0.02　0.31±0.01　1.44　0.18 1 000　0.42±0.01　0.41±0.02　0.85　0.42循環(huán)實驗后(N) 700　0.26±0.02　0.27±0.02　1.20　0.26 1 000　0.36±0.02　0.37±0.02　0.93　0.38

2.42組不同扭轉(zhuǎn)角度下扭矩值比較2組循環(huán)實驗前后3°、5°下的扭矩值比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。見表2。

表2　2組不同扭轉(zhuǎn)角度下的扭矩值　N·m，珋±s

表2　2組不同扭轉(zhuǎn)角度下的扭矩值　N·m，珋±s

扭轉(zhuǎn)角度　植骨組　對照組　t值　P值循環(huán)實驗前3°　10.440±1.529　9.548±1.457　5.27　0.001 5°　14.720±1.422　14.115±1.384　2.94　0.017循環(huán)實驗后3°　10.562±1.622　10.018±1.355　3.02　0.014 5°　14.468±1.430　13.941±1.186　2.84　0.020

3　討論

骨折不愈合及股骨頭壞死是股骨頸骨折的兩大并發(fā)癥，至今尚未解決，因此股骨頸骨折有“不可能解決的骨折”之稱。植骨是降低股骨頸骨折術(shù)后并發(fā)癥的一種方法，包括帶肌蒂的骨塊移植、帶血管蒂的骨塊移植及游離骨塊移植等多種方法。Meyers等［8］和Baksi［9］較早采用了帶肌蒂的骨塊移植治療股骨頸骨折，但是這種方法創(chuàng)傷大，肌蒂提供的血供效果不確切，骨折不愈合率較高。帶血管蒂的骨塊移植治療股骨頸骨折臨床效果較好［10］，但是創(chuàng)傷也比較大，而且需要臨床醫(yī)師具有豐富的微創(chuàng)血管吻合技術(shù)，因此臨床應(yīng)用受到限制。相比之下，游離骨塊移植治療股骨頸骨折創(chuàng)傷小，能夠促進骨折愈合、降低股骨頭壞死率，目前在臨床上取得了良好效果［3－6］，然而這些方法有些需要切開關(guān)節(jié)囊，于股骨頸前外側(cè)開槽植骨，有些為了防止骨折二次移位，患者術(shù)后需采用髖關(guān)節(jié)石膏外固定或者持續(xù)牽引［5，6］，這必然會影響患者髖關(guān)節(jié)的功能活動。為了解決以上植骨方法存在的弊端，本研究設(shè)計了一種新型植骨方法，并測試其生物力學(xué)穩(wěn)定性，以便正確有效地指導(dǎo)患者術(shù)后進行功能鍛煉。

3.1股骨頭減壓植骨設(shè)計的原理及優(yōu)點

3.1.1絞汗原理: AO空心加壓釘能夠?qū)钦鄱思訅海湓诠晒穷i內(nèi)呈三角型分布使骨折端獲得良好的穩(wěn)定性，而且可以經(jīng)皮打入，創(chuàng)傷小，因此在國內(nèi)外已經(jīng)成為治療股骨頸骨折的首選方法。因此本研究設(shè)計的植骨方法采用了3枚空心釘及成角度植入的游離髂骨塊。雖然三枚空心釘呈“倒三角型”分布生物力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于“正三角型”分布［11］，但是由于大轉(zhuǎn)子區(qū)域沒有足夠的空間同時容納2枚空心釘及髂骨塊，因此本研究中三枚空心釘布局呈“正三角型”分布。股骨頭的上后1/4是植入內(nèi)固定的危險區(qū)域，擰入螺釘或鉆孔會導(dǎo)致股骨頭內(nèi)的血運遭到嚴(yán)重破壞而出現(xiàn)股骨頭壞死［12］，因此骨塊由大轉(zhuǎn)子向股骨頭的前下方向置入，而且股骨頭的前下方屬非負(fù)重區(qū)，植入骨塊術(shù)后不會出現(xiàn)股骨頭塌陷。

3.1.2優(yōu)點:①空心釘及骨塊均可經(jīng)皮微創(chuàng)打入;②髂骨塊同時包含皮質(zhì)骨及松質(zhì)骨，因此可促進骨折愈合及股骨頭的再血管化，預(yù)防股骨頭壞死;③股骨頸骨折后由于骨折端出血，關(guān)節(jié)囊內(nèi)壓增高，股骨頭靜脈回流瘀滯，骨內(nèi)壓增高［13］，而對股骨頭減壓可起到降低骨內(nèi)壓、預(yù)防股骨頭壞死的作用。

3.2實驗結(jié)果分析循環(huán)實驗前，在700 N及1 000 N的垂直應(yīng)力下，植骨組的位移大于對照組，而循環(huán)實驗后，植骨組的位移小于對照組，但差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。這種改變的原因可能是由于在進行循環(huán)實驗時，髂骨塊與股骨頸的松質(zhì)骨被壓實，因此循環(huán)實驗完成后，植骨組的位移反而小于對照組。然而2組比較所有數(shù)據(jù)差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，說明在植入骨塊后，在700 N及1 000 N的靜態(tài)壓力下空心釘固定股骨頸骨折的生物力學(xué)穩(wěn)定性沒有改變。

實驗結(jié)果顯示循環(huán)實驗前、后，使股骨頭扭轉(zhuǎn)3° 及5°時，植骨組所需扭矩均大于對照組，2組比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，說明股骨頸骨折采用空心釘固定后，成角度植入游離髂骨塊，其抗扭轉(zhuǎn)能力有了一定程度的增強。

所有標(biāo)本均成功完成了循環(huán)實驗，無疲勞骨折或者內(nèi)固定失敗出現(xiàn)，說明成角度植入游離髂骨塊后，患者部分負(fù)重(700 N)下進行功能鍛煉，空心釘固定股骨頸骨折的穩(wěn)定性不會降低。

植骨組承受的最大垂直應(yīng)力大于對照組，雖然差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但是還是說明植骨塊對骨折端有一定的支撐作用。內(nèi)固定失敗時植骨組承受的垂直應(yīng)力為(2 583±354) N，約為正常人體重(70 kg)的3～4倍，足以承受術(shù)后患者部分負(fù)重下進行功能鍛煉。

總之，成角度植入游離骨塊后，三枚空心釘固定股骨頸骨折的抗旋轉(zhuǎn)能力增強，而抗壓能力及極限載荷無改變。造成這種改變的原因是由于髂骨塊兩面帶有皮質(zhì)，并與三枚空心釘呈一定角度，可以起到“生物釘”的作用，具有一定的支撐及防旋轉(zhuǎn)能力。

3.3本實驗設(shè)計的優(yōu)缺點為減少個體差異的影響，本研究采用配對研究。通過雙能X-線骨密度儀對所有股骨近端標(biāo)本進行檢測，證實左右側(cè)標(biāo)本骨密度值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，這樣就排除了骨密度對實驗的影響。所有骨折均制作成頸中垂直于股骨頸模型［14］，骨折面均較光滑，避免了粗糙的、不規(guī)則的骨折面對固定的影響，并且所有骨折均達(dá)解剖復(fù)位，這樣就把骨折端對實驗的影響降到最低。本實驗股骨標(biāo)本與垂直方向成25°，模擬正常人站立時股骨股骨頭的受力方向［15］。所有的手術(shù)操作均由臨床經(jīng)驗豐富的同一名骨科醫(yī)師完成，髂骨塊及空心釘均在X線透視儀下置入，最大限度的降低了系統(tǒng)誤差。本實驗的缺點包括: (1)標(biāo)本數(shù)量少，雖然本實驗采用配對研究，使每對標(biāo)本標(biāo)準(zhǔn)化具有可比性，但是小樣本的標(biāo)本仍然可能對實驗結(jié)果造成誤差; (2)使用防腐標(biāo)本; (3)沒有模擬髖部肌肉的如內(nèi)收肌、外展肌等的作用。

成角度植入髂骨塊后，三枚空心加壓螺釘固定股骨頸骨折的抗旋轉(zhuǎn)能力增強，抗壓能力無改變，生物力學(xué)穩(wěn)定性沒有降低。從生物力學(xué)的角度，此手術(shù)方法可用于臨床股骨頸骨折的治療。

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(收稿日期:2014－11－12)

通訊作者:張奇，050051石家莊市，河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院;

doi:10.3969/j.issn.1002－7386.2015.10.016

【文章編號】1002－7386(2015) 10－1492－04

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【中圖分類號】R 683.421