鎖定板固定鎖骨骨折生物力學測試

竇慶寅　仰明莉廣東省深圳市松崗人民醫院骨科，廣東深圳518105

鎖定板固定鎖骨骨折生物力學測試

竇慶寅仰明莉
廣東省深圳市松崗人民醫院骨科，廣東深圳518105

目的比較鎖定鋼板與重建鋼板的生物力學特性。方法將2009年1月～2015年3月通過民政部門、醫院、福利院、遺體捐獻等途徑獲得的9具新鮮成人尸體（鎖骨標本9對），隨機分為重建鋼板組與鎖定鋼板組，各9根鎖骨標本。通過軸向壓縮實驗、三點彎試驗、扭轉實驗比較兩組生物學特性。結果在各級載荷點，鎖定鋼板組應變值及位移值均小于重建鋼板組，差異有統計學意義（P＜0.05），載荷越大差異越明顯。600 N載荷作用下，鎖定鋼板組軸向剛度值、應力遮擋率均顯著優于重建鋼板組（P＜0.05）。在各級載荷點，鎖定鋼板組撓度值均小于重建鋼板組，差異有統計學意義（P＜0.05），載荷越大差異越明顯；在20 N·m載荷作用下，鎖定鋼板組板側、對側加載彎曲剛度均顯著大于重建鋼板組（P＜0.05）。在各級扭矩作用下，鎖定鋼板組扭轉角度值均小于重建鋼板組，差異有統計學意義（P＜0.05），扭矩越大差異越明顯；在5 N·m扭矩作用下，鎖定鋼板組扭轉剛度顯著大于重建鋼板組（P＜0.05）。結論對于鎖骨骨折內固定患者，鎖定鋼板生物力學特性優于重建鋼板。

鎖骨骨折；鎖定鋼板；重建鋼板；生物力學

手術治療成為鎖骨骨折首選治療方式，其中髓內釘及鋼板是鎖骨骨折患者常用的兩種手術固定器械，但是髓內釘固定強度不夠，易折斷，且容易發生血管、肺損傷等并發癥［1-2］；鋼板分為“S”型重建鋼板及鎖定鋼板兩種，其中重建鋼板堅固性及解剖塑性均較差，鎖定鋼板固定鎖骨的生物力學研究較少，而與重建鋼板的比較研究未見報道。廣東省深圳市松崗人民醫院（以下簡稱“我院”）對9具新鮮成人尸體鎖骨標本進行鎖定鋼板與重建鋼板固定鎖骨骨折后生物力學研究，為臨床上鎖骨骨折選擇最佳內固定器械提供依據?，F報道如下：

1　材料與方法

1.1材料

以2009年1月～2015年3月通過民政部門、醫院、福利院、遺體捐獻等途徑獲得的9具新鮮成人尸體（鎖骨標本9對）為研究對象，其中男6例，女3例，均為急性死亡的青壯年，年齡21～39歲，平均（28.75± 4.90）歲。所有尸體均未曾進行解剖研究，將鎖骨標本完整解剖取出后，剔除軟組織，測量長度并使用X線透視及進行骨密度檢查，排除既往骨折等骨部疾病。采用隨機數字表法分為重建鋼板組及鎖定鋼板組，每組9根鎖骨。

1.2方法

1.2.1實驗儀器與材料C型臂X線透視機（荷蘭飛利浦制造）；WD-5液壓萬能試驗機（長春市月明小型試驗機有限責任公司）；YJ-14數顯式應變儀（華東電子儀器廠）；電阻應變片（河北省邢臺金力傳感元件廠）；鎖定鋼板及配套器械（天津市金興達實業有限公司）；重建鋼板及配套器械（德國Medicom公司）。

1.2.2骨折模型制備及固定方式將獲得新鮮鎖骨標本生理鹽水溶液浸泡30min，用干凈塑料袋密封，放置于-20℃冰箱中保存。實驗前將鎖骨標本25℃解凍。用標尺在鎖骨中段同一部位定截骨線。根據標定的截骨線用骨鋸截骨，長度為0.5 cm，制造出骨缺損。分別將重建鋼板與鎖定鋼板經過塑形后固定于鎖骨上側。

1.3觀察指標

1.3.1軸向壓縮試驗將鎖骨標本用義齒基托樹脂Ⅱ型牙托粉固定于夾具中，然后將夾具及標本置于WD-5液壓萬能試驗機上。首先于預骨折線以遠1 cm處后內側“T”形粘貼高精度標距電阻應變片，接入應變儀。軸向壓縮采用連續加載，軸向載荷設為0～600 N，設置100 N為分級載荷，記錄此時鎖骨的應變值和位移值。在600 N載荷作用下，計算軸向剛度和應力遮擋率；軸向剛度=軸向載荷/壓縮位移；應力遮擋率=（1-σ1/σ2）×100%（σ1表示鎖定鋼板或者重建鋼板固定后鎖骨應力大小，σ2表示鎖定鋼板或者重建鋼板未固定時鎖骨應力大小）。

1.3.2三點彎試驗以骨折處內側0.5 cm處為支點，鎖骨遠端上表面加壓，以4N·m等級加載，直至20N·m，加載方向垂直向下，計算機自動記錄從板側向對側加載及對側向板側加載各級載荷點撓度值。計算在20N·m載荷作用下彎曲剛度（彎曲剛度=鎖骨承受的彎距/鎖骨彎曲時的轉角）。

1.3.3扭轉試驗三點彎曲實驗完成后，從鎖骨遠端旋向前加載以使夾具產生阻止旋轉的扭轉載荷，扭轉載荷設為0～5 N·m，以1 N·m等級加載。在1、2、3、4、5 N·m時記錄此時鎖骨扭轉角度值。然后按公式計算在5 N·m扭矩作用下扭轉剛度（扭轉剛度=扭矩大小/絕對扭角）。

1.4統計學方法

采用SPSS18.0統計學軟件進行數據分析，計量資料數據用均數±標準差（x±s）表示，兩組間比較采用t檢驗；以P＜0.05為差異有統計學意義。

2　結果

2.1兩組軸向壓縮試驗結果比較

在各級載荷點，鎖定鋼板組應變值及位移值均小于重建鋼板組，差異有統計學意義（P＜0.05），載荷越大差異越明顯（表1～2）。在600 N載荷作用下，鎖定鋼板組軸向剛度值為（765±107）N/mm，應力遮擋率為（70.6±17.3）%，重建鋼板組分別為（378±63.2）N/mm、（87.3±8.30）%，鎖定鋼板組顯著優于重建鋼板組，差異有統計學意義（P＜0.05）。

2.2兩組三點彎試驗結果比較

在各級載荷點，鎖定鋼板組撓度值均小于重建鋼板組，差異有統計學意義（P＜0.05），載荷越大差異越明顯（表3～4）。在20 N·m載荷作用下，鎖定鋼板組板側加載彎曲剛度為（2018±358）N·cm/degree，對側加載為（1874±207）N·cm/degree，重建鋼板組分別為（887± 79）、（613±61）N·cm/degree，差異有統計學意義（P＜0.05）。

2.3兩組扭轉試驗結果比較

在各級扭矩作用下，鎖定鋼板組扭轉角度值均小于重建鋼板組，差異有統計學意義（P＜0.05），扭矩越大差異越明顯（表5）。在5 N·m扭矩作用下，鎖定鋼板組扭轉剛度為（715±108）N·cm/degree，重建鋼板組為（198±45）N·cm/degree，差異有統計學意義（P＜0.05）。

表1　兩組軸向壓縮試驗各級載荷作用下應變值變化（με，±s）

表1　兩組軸向壓縮試驗各級載荷作用下應變值變化（με，±s）

注：與重建鋼板組比較，*P＜0.05

組別100 N 200N 300 N 400 N 500N 600 N重建鋼板組（n=9）鎖定鋼板組（n=9）5.74±0.96 2.85±0.83*13.0±1.53 5.98±1.47*18.2±2.96 9.44±2.03*27.6±3.08 14.8±2.31*36.9±3.14 17.0±1.95*48.1±5.65 21.2±3.47*

3　討論

骨折治療的最終目的是使斷裂受損的骨頭愈合，恢復其生理功能。文獻報道［3-4］，骨折愈合受多種因素的影響，是一個較為復雜的生物學過程。鎖骨由于解剖位置的特殊性，既受到肌肉的牽拉力，又有通過韌帶作用的靜力及上肢產生的重力，當鎖骨發生骨折時，鎖骨受力大小及方向均處于失衡狀態［5-6］。此時，采用任何內固定器械固定骨折，均會在骨折斷端產生細微運動，而這種微力可能會造成骨痂的反復損傷，引起各種并發癥，進而影響患者預后。隨著生物力學固定概念的提出及研究的深入，發現良好的局部力學環境是骨折愈合的必要條件之一，應用鋼板內固定術后所出現的骨質疏松是由于內固定后骨的血運遭受破壞，而生物學固定能夠在內固定的進程中，使穩定程度與創傷程度處在一種微妙的平衡狀態，進而保護血運，刺激骨膜骨痂生長，為骨折愈合提供了足夠的穩定性。因此，把骨和骨折治療裝置看做是一個力學系統，評價治療器械的生物性力學性能，生物力學越穩定的器械，越有助于骨折愈合［7-9］。

在鎖骨骨折中，鋼板成為使用最為廣泛的內固定器械［10-13］。常用生物力學功能鋼板有3.5mm的鎖定鋼板及“S”型重建鋼板。國外學者對于鎖定加壓鋼板及重建鋼板治療鎖骨骨折的生物力學強度進行了研究發現，相較于鎖定加壓鋼板，重建鋼板彎曲和轉矩負載下抵抗力較差［14］。而國內對于兩種鋼板的生物力學特性研究鮮有報道，對其生物力學特性尚未完全闡明。本研究采用鎖定鋼板及重建鋼板固定人體離體鎖骨中段骨折模型，進行軸向壓縮試驗、三彎點試驗及扭轉實驗，結果顯示：①軸向壓縮試驗中，在各級載荷點，鎖定鋼板組應變值及位移值均小于重建鋼板組，差異有統計學意義（P＜0.05），載荷越大差異越明顯，同時在600 N載荷作用下，鎖定鋼板組軸向剛度值顯著大于重建鋼板組（P＜0.05），提示鎖定鋼板抗軸向壓縮性能在任何載荷下均較重建鋼板強，且載荷越大差異越明顯。②三彎點試驗：在各級載荷點，鎖定鋼板組撓度值均小于重建鋼板組，差異有統計學意義（P＜0.05），載荷越大差異越明顯，同時在20 N·m載荷作用下，鎖定鋼板組板側及對側加載彎曲剛度均顯著大于重建鋼板組（P＜0.05），提示鎖定鋼板抗彎性能優于重建鋼板，但隨著載荷增大，抗彎性能越來越弱。③扭轉實驗：在各級扭矩作用下，鎖定鋼板組扭轉角度值均小于重建鋼板組，差異有統計學意義（P＜0.05），扭矩越大差異越明顯，同時在5 N·m扭矩作用下，鎖定鋼板組扭轉剛度顯著大于重建鋼板組（P＜0.05），提示鎖定鋼板抗扭轉性能在任何載荷下均較重建鋼板強。

表2　兩組軸向壓縮試驗各級載荷作用下位移值變化（mm，±s）

表2　兩組軸向壓縮試驗各級載荷作用下位移值變化（mm，±s）

注：與重建鋼板組比較，*P＜0.05

組別100 N 200N 300 N 400 N 500N 600 N重建鋼板組（n=9）鎖定鋼板組（n=9）0.29±0.07 0.14±0.06*0.58±0.12 0.24±0.09*1.07±0.20 0.39±0.11*1.62±0.31 0.56±0.15*1.84±0.26 0.61±0.17*2.16±0.38 0.75±0.21*

表3　三點彎試驗各級彎矩作用下鋼板板側至對側加載時兩組撓度比較（mm，±s）

表3　三點彎試驗各級彎矩作用下鋼板板側至對側加載時兩組撓度比較（mm，±s）

注：與重建鋼板組比較，*P＜0.05

組別4 N·m 8 N·m 12 N·m 16 N·m 20 N·m重建鋼板組（n=9）鎖定鋼板組（n=9）0.69±0.14 0.23±0.09*1.28±0.29 0.54±0.16*2.13±0.46 0.81±0.39*2.87±0.59 1.15±0.64*3.95±1.08 1.38±0.71*

表4　三點彎試驗各級彎矩作用下鋼板對側至板側加載時兩組撓度比較（mm，±s）

表4　三點彎試驗各級彎矩作用下鋼板對側至板側加載時兩組撓度比較（mm，±s）

注：與重建鋼板組比較，*P＜0.05

組別4 N·m 8 N·m 12 N·m 16 N·m 20 N·m重建鋼板組（n=9）鎖定鋼板組（n=9）0.78±0.13 0.31±0.12*1.44±0.35 0.59±0.18*2.38±0.41 0.92±0.41*3.01±0.69 1.30±0.58*3.87±0.83 1.45±0.64*

表5　扭轉試驗各級扭矩作用下兩組扭轉角度比較（±s）

表5　扭轉試驗各級扭矩作用下兩組扭轉角度比較（±s）

注：與重建鋼板組比較，*P＜0.05

組別1 N·m 2 N·m 3 N·m 4 N·m 5 N·m重建鋼板組（n=9）鎖定鋼板組（n=9）0.34±0.07 0.09±0.02*0.78±0.15 0.23±0.09*1.51±0.38 0.45±0.17*2.13±0.75 0.71±0.23*2.98±1.07 0.90±0.31*

橫行骨折的縱向壓應力有利于骨折愈合，但是鋼板的使用會造成應力遮擋效應。應力遮擋率是指當不同彈性模量的物體并聯承擔載荷時，彈性模量的高低與承擔的載荷呈正比，在骨折內固定領域，應力遮擋率主要指器械對骨骼生理壓應力分流現象，高應力遮擋率會誘發板源性的骨質疏松，嚴重者會導致內固定取出后再骨折的嚴重并發癥［15-18］。本研究中在600 N載荷作用下，鎖定鋼板組應力遮擋率顯著小于重建鋼板組（P＜0.05），提示相較于重建鋼板，鎖定鋼板可以增加骨折端的應力刺激而促進骨折愈合，載荷越大差異越明顯，考慮是由于其彈性模量較小有關。值得一提的是，本研究存在以下不足：①文獻報道，為了方便骨折模型的制備，常常使用福爾馬林對骨進行處理，但是防腐標本的制備過程中會出現鈣磷丟失情況，降低骨密度，進而改變其生物學特性［19］。本研究中采用的尸體標本均為防腐處理標本，對生物力學特性測試結果可能存在一定程度的影響，同時本研究中為離體研究鎖定鋼板固定鎖骨中段骨折的生物性能，不能完全反映活體的受力情況。②本研究僅選擇了9具尸體進行分析，樣本量較小，臨床上還需要擴大樣本量，期望多中心、大樣本的實驗能夠更好評價兩種鋼板的生物學特性。③文獻報道，上置、前置、三維等不同放置方法會對鋼板的生物學特性存在影響［20］。本研究中均為上置（塑形后固定于鎖骨上側），具有一定的局限性。④本研究中均為鎖骨中段骨折，不能完全反映所有鎖骨骨折的類型，是否對其他類型的鎖骨骨折有效，是否與其他內置物有差別，應進行深入研究。

綜上所述，鎖定鋼板固定鎖骨中段骨折在抗短縮、抗彎、抗扭剛度方面優于重建鋼板，且應力遮擋率低，對于鎖骨骨折內固定患者，鎖定鋼板生物力學特性優于重建鋼板。

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Biomechanical testing of locking p late fixation for clavicle fracture

DOU Qingyin YANG Mingli
Department of Orthopedics，Songgang People＇s Hospital of Shenzhen City，Guangdong Province，Shenzhen 518105，China

Ob jective To compare the biomechanical characteristics of the locking plate and the reconstruction plate. M ethods 9 fresh adult cadavers（9 pairs of clavicle specimens）acquired from the civil affairs department，hospital，orphanage，body donation and other ways from January 2009 to March 2015 were randomly divided into the reconstruction plate group and the locking plate group，with 9 clavicle specimens in each group.The biological characteristics of the two groups were compared by the axial compression experiment，three-point bending test and torsion experiment. Resu lts At all levels of load point，the strain and displacement values in the locking plate group were less than those in the reconstruction plate group，the differenceswere statistically significant（P＜0.05），and the difference increased with the load significantly.In the 600 N of loading，the axial stiffness value，stress shielding rate in the locking plate group were significantly better than those in the reconstruction plate group（P＜0.05）.At all levels of the load point，the deflection values in the locking plate group were less than those in the reconstruction plate group，the differenceswere statistically significant（P＜0.05），and the difference increased with the load significantly.Under the load of 20 N·m，the load bending stiffness of the plate side and opposite side in the locking plate group were significantly greater than those in the reconstruction plate group（P＜0.05）.Under the action of all levels of torque，the torsion angle values in the locking plate group were less than those in the reconstruction plate group，the differences were statistically significant（P＜0.05），and the difference increased with the torque significantly.Under the action of 5 N·m torque，the torsional stiffness in the locking plate group was significantly larger than that in the reconstruction plate group（P＜0.05）.Conclusion The biomechanical properties of locking plate is better than reconstruction plate for patientswith clavicle fracture fixation.

Clavicle fracture；Locking plate；Reconstruction plate；Biomechanics

R318.01

A

1673-7210（2016）06（c）-0089-04

廣東省深圳市寶安區科技計劃項目（2009486）。

竇慶寅（1963.2-），碩士，主任醫師；研究方向：骨科。

（2016-03-22本文編輯：程銘）