股骨髓內(nèi)釘近端不同方向鎖釘對(duì)內(nèi)固定穩(wěn)定性的生物力學(xué)對(duì)比研究

葉積飛++++++葉方++++++蘇琳珠

[摘要] 目的 對(duì)股骨髓內(nèi)釘近端不同位置置釘?shù)恼w穩(wěn)定性進(jìn)行生物力學(xué)測(cè)試，為改進(jìn)股骨髓內(nèi)釘近端鎖釘?shù)闹冕敺较蛱峁┥锪W(xué)依據(jù)。 方法 選用2016年7～8月Sawbones股骨標(biāo)準(zhǔn)骨8個(gè)分成小粗隆置釘組，行股骨髓內(nèi)釘內(nèi)固定，近端鎖釘按照不同方向置入，制作股骨中段骨折模型后進(jìn)行軸向壓縮實(shí)驗(yàn)，觀察比較兩組在相同軸向載荷下的壓縮位移和壓縮剛度結(jié)果。 結(jié)果 在相同壓縮載荷下（除了載荷為100 N時(shí)）標(biāo)準(zhǔn)組平均移位均大于小粗隆置釘組，當(dāng)壓縮載荷在400 N及以上時(shí)，兩組數(shù)據(jù)比較T波動(dòng)在2.522～3.135，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；在壓縮剛度上：當(dāng)壓縮載荷在700 N及以上時(shí)，兩組數(shù)據(jù)比較T波動(dòng)在2.481～3.275，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。 結(jié)論 當(dāng)壓縮載荷≥700 N時(shí)，小粗隆置釘組壓縮位移小于標(biāo)準(zhǔn)組，而其壓縮剛度明顯大于標(biāo)準(zhǔn)組，說(shuō)明小粗隆置釘組有更強(qiáng)的抗壓縮能力，能提供更好的抗壓、抗彎曲性能和更穩(wěn)定的內(nèi)固定。

[關(guān)鍵詞] 股骨；生物力學(xué)；內(nèi)固定；髓內(nèi)釘

[中圖分類號(hào)] R683 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673-9701（2017）31-0012-05

[Abstract] Objective To carry out biomechanical test for the overall stability of different positions of nail placement in proximal femoral intramedullary nail， so as to provide biomechanical basis for the improvement of nail placement directions in the locking nails of proximal femoral intramedullary nail. Methods A total of 8 Sawbones femur standard bones were selected from July to August 2016 were divided into the standard group and the small trochanter nail placement group. They were given internal fixation of femoral intramedullary nail， and the proximal locking nails were placed in different directions. The axial compression experiment was performed after the middle femoral fracture model was prepared. The results of compressive displacements and compressive stiffness of the two groups under the same axial load were observed and compared. Results Under the same compressive load（except when the load was 100 N）， the average displacements in the standard group were all greater than those in the control group. When the compressive load was at 400 N and above， the T fluctuation in the comparison of data in the two groups was 2.522-3.135（P<0.05）， and there were all statistically significant differences； in terms of the compressive stiffness： When the compressive load was at 700 N and above， the T fluctuation in the comparison of data in the two groups was 2.481-3.275（P<0.05） and there were all statistically significant differences. Conclusion When the compressive load is ≥ 700 N， the compressive displacement in the small trochanter nail placement group is smaller than that in the standard group， and its compressive stiffness is significantly larger than that in the standard group， indicating that the small trochanter nail placement group has a stronger anti-compressive ability， which can provide better compression and bending resistance and more stable internal fixation.

[Key words] Femur；Biomechanics；Internal fixation；Intramedullary nailendprint

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，高能量損傷越來(lái)越多，股骨干骨折的發(fā)生率也逐年增加，患者多為20～40歲的青壯年男性，對(duì)康復(fù)及預(yù)后要求高，多數(shù)選擇手術(shù)治療，手術(shù)內(nèi)固定方式有髓內(nèi)釘、接骨板或外固定支架固定，髓內(nèi)釘是治療股骨干骨折的首選方案[1-3]。但髓內(nèi)釘治療股骨干骨折存在一定的骨折不愈合率，文獻(xiàn)報(bào)道在1%～20% 之間[4-6]。結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道和我們的經(jīng)驗(yàn)，骨折不愈合的一個(gè)重要原因是骨折術(shù)后內(nèi)固定穩(wěn)定性不足[7]，所以增加髓內(nèi)釘固定后的穩(wěn)定性是預(yù)防骨折不愈合的一項(xiàng)重要措施。

股骨髓內(nèi)釘近端可選擇1枚朝下置入股骨矩方向的鎖釘，目前市面上股骨髓內(nèi)釘?shù)慕随i釘置釘方向與股骨冠狀位平行，因股骨小粗隆存在一定的后傾角，所以該螺釘均從小粗隆前方骨質(zhì)較為疏松的股骨內(nèi)側(cè)皮質(zhì)穿出，無(wú)法進(jìn)入骨密度高的小粗隆尖部，影響螺釘?shù)陌殉至Α榱搜芯繉⒔寺葆斨萌胄〈致∈欠衲茉黾庸晒撬鑳?nèi)釘固定股骨骨折的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了本生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用由美國(guó)太平洋實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的第4代Sawbones標(biāo)準(zhǔn)股骨模型8根；內(nèi)固定材料選用江蘇常州康輝醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)的股骨髓內(nèi)釘。

1.2方法

8根股骨標(biāo)準(zhǔn)骨隨機(jī)分為標(biāo)準(zhǔn)組和小粗隆置釘組各4根。標(biāo)準(zhǔn)組按照股骨髓內(nèi)釘置入步驟行內(nèi)固定，小粗隆置釘組標(biāo)本在置入股骨髓內(nèi)釘后，暫不鎖定遠(yuǎn)端2枚鎖釘，予適當(dāng)旋轉(zhuǎn)髓內(nèi)釘，使近端螺釘能從股骨小粗隆尖部穿出，最后再置入遠(yuǎn)端鎖釘。兩組標(biāo)本內(nèi)固定完成后，所有標(biāo)本均在距離股骨頭 20 cm 處將股骨干斜行截?cái)啵瓿葾O分型A2型[8]股骨中段骨折模型的制備。為了模擬人單足站立時(shí)髖負(fù)重的力線，即在冠狀面股骨干內(nèi)收位15°，在矢狀面上股骨干垂直，并保持5°～10°的內(nèi)旋[9]，在水平截?cái)喙晒趋敛亢?，再楔形切除部分股骨遠(yuǎn)端，是楔形尖部朝向股骨內(nèi)側(cè)皮質(zhì)。將股骨遠(yuǎn)端包埋固定，近端股骨頭中心對(duì)準(zhǔn)上方壓力傳動(dòng)桿中心，壓力傳動(dòng)桿探頭感應(yīng)到的加載應(yīng)力的改變，位移、應(yīng)力的數(shù)據(jù)以連續(xù)曲線的形式在配套電腦上自動(dòng)記錄。設(shè)定軸向加載速度2 mm/min，加載應(yīng)力0～1500 N，每個(gè)標(biāo)本分別加載4次，一次加載完成后將應(yīng)力緩慢勻速撤除清零，間斷1 min 后繼續(xù)行第2次加載，以此類推，取第4次所得曲線，分別選取加載 100 N、200 N、300 N、400 N……1500 N（間隔 100 N）時(shí)的位移值，計(jì)算各種不同載荷下內(nèi)植物固定后的壓縮剛度（載荷/位移）。

1.3統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel 2013圖表，應(yīng)用SPSS 19.0軟件分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±s）表示，采用t檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2結(jié)果

2.1不同負(fù)荷作用下的位移比較

分別選擇8個(gè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)本100 N 加載應(yīng)力時(shí)的位移值，計(jì)算平均位移，同理記錄并計(jì)算200 N、300 N、400 N……1500 N（間隔100 N）時(shí)的平均位移值，并將上述平均值繪制成載荷-位移曲線圖。除加載100 N 壓縮載荷時(shí)標(biāo)準(zhǔn)組移位較小粗隆置釘組小，其余壓縮載荷下標(biāo)準(zhǔn)組移位均大于小粗隆置釘組，進(jìn)一步t檢驗(yàn)提示，當(dāng)壓縮載荷在300 N 及以下時(shí)，兩組數(shù)據(jù)無(wú)顯著性差異；當(dāng)壓縮載荷在 400 N 及以上時(shí)，兩組數(shù)據(jù)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，即標(biāo)準(zhǔn)組位移明顯大于小粗隆置釘組，說(shuō)明小粗隆置釘組有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。見(jiàn)表1。

2.2 不同壓縮載荷下的壓縮剛度比較

壓縮剛度的計(jì)算方式：載荷/位移。結(jié)果提示壓縮載荷在100～300N時(shí)壓縮剛度尚不穩(wěn)定，但從 400 N 開始兩組的壓縮剛度均呈線性上升，且小粗隆置釘組壓縮剛度均大于標(biāo)準(zhǔn)組，進(jìn)一步t檢驗(yàn)顯示，當(dāng)壓縮載荷在 600 N 及以下時(shí)，兩組壓縮剛度無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；當(dāng)壓縮載荷在700 N及以上時(shí)，兩組壓縮剛度數(shù)據(jù)比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，即標(biāo)準(zhǔn)組的壓縮剛度明顯小于小粗隆置釘組，說(shuō)明小粗隆置釘組有更強(qiáng)的抗壓縮能力。見(jiàn)表2。

3 討論

3.1 髓內(nèi)釘治療股骨干骨折骨不愈合的原因分析

股骨干骨折是一種臨床上非常常見(jiàn)的骨折，骨折發(fā)生后采用閉合復(fù)位髓內(nèi)釘內(nèi)固定是治療股骨干骨折的首選方案[1-3]。但髓內(nèi)釘治療股骨干骨折存在約1%～20% 之間的骨折不愈合率，骨不愈合的原因很多[10，11]，主要分為全身因素和局部因素。

全身因素[12]包括高齡、營(yíng)養(yǎng)狀況不良、激素類藥物或抗凝及非甾體類抗炎藥物的應(yīng)用、燒傷和放射性損傷等。一些學(xué)者[13-14]均通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，非甾體類抗炎藥（NSAID）在預(yù)防異位骨化時(shí)同時(shí)會(huì)顯著增加骨折不愈合的發(fā)生概率，因此他們建議股骨干骨折患者術(shù)后避免使用NSAID藥物。賈金生等[15]認(rèn)為營(yíng)養(yǎng)不良、慢性消耗性疾病、放化療治療、應(yīng)用激素、吸煙等被認(rèn)為是骨折不愈合的原因。與其相同觀點(diǎn)的，Taitsman LA等[16]也認(rèn)為吸煙是髓內(nèi)釘治療股骨干骨折術(shù)后骨不連的重要危險(xiǎn)因素。

相對(duì)全身因素，局部因素涉及的原因則更多，如骨折的不同類型和局部血供不足、骨折的復(fù)位情況和髓內(nèi)釘?shù)倪x擇是否恰當(dāng)、骨缺損與是否植骨、術(shù)后是否感染、術(shù)后功能鍛煉是否恰當(dāng)?shù)取etsemakers WJ等[17]認(rèn)為骨折分型不同是骨折不愈合的危險(xiǎn)因素。Malik MH等[18]研究得出的結(jié)論是開放性骨折是術(shù)后骨不愈合的重要因素之一。當(dāng)然，各種原因造成的血供不足也可導(dǎo)致萎縮型股骨干骨不愈合[19]，如手術(shù)操作欠妥、手術(shù)醫(yī)生操作不規(guī)范、開放復(fù)位、骨膜剝離范圍過(guò)大等都會(huì)影響骨折端血供，造成骨折不愈合。股骨干骨折后復(fù)位固定時(shí)處理盡量解剖復(fù)位，還需要選擇大小合適的髓內(nèi)釘，保證內(nèi)固定后的穩(wěn)定性，因?yàn)榱W(xué)上的不穩(wěn)定是骨折不愈合的重要原因[7]，一些人[20-21]認(rèn)為髓內(nèi)釘置入后力學(xué)不穩(wěn)定的主要原因：髓內(nèi)釘直徑過(guò)小，與股骨髓腔不符；髓內(nèi)釘長(zhǎng)度不足；鎖定螺釘斷裂導(dǎo)致鎖定強(qiáng)度下降；髓內(nèi)釘主釘、鎖定螺釘周圍的骨溶解導(dǎo)致松動(dòng)。也有較多研究[4，22-23]表明，術(shù)中沒(méi)有擴(kuò)髓是髓內(nèi)釘治療股骨干骨折患者發(fā)生骨不愈合的主要原因。endprint

結(jié)合我們的經(jīng)驗(yàn)，骨折內(nèi)固定的穩(wěn)定是骨折愈合的重要因素，所以術(shù)中必須通過(guò)各種方式盡量增加骨折端的穩(wěn)定性，才能降低骨折不愈合的發(fā)生率。

3.2 使用標(biāo)準(zhǔn)骨進(jìn)行本研究的優(yōu)勢(shì)

生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒牧蟻?lái)源主要有兩種：尸體骨和人工骨材料。尸體骨為真實(shí)骨，其解剖和力學(xué)特性最接近和符合活體的實(shí)際情況，所以既往試驗(yàn)中使用較多[24-27]。但使用尸體骨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有很多限制：①來(lái)源有限；②費(fèi)用昂貴；③尸體骨多為福爾馬林中浸泡多時(shí)的非新鮮標(biāo)本，因?yàn)樗謥G失等原因，與活體骨標(biāo)本存在一定的生物力學(xué)差異，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性；④操作及保存不方便；⑤生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)標(biāo)本之間力學(xué)特征盡量一致，但由于不同年齡、性別及人種間的尸體骨均存在一定差異，尤其是骨密度的差異會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，所有這些都會(huì)影響到試驗(yàn)的精確性。因此，如果樣本數(shù)不多，使用尸體骨模型得出的最終結(jié)論可能缺乏準(zhǔn)確性。

而人工標(biāo)準(zhǔn)骨是根據(jù)正常人體解剖參數(shù)生產(chǎn)出來(lái)的仿生骨，其解剖特性和人體正常骨骼形態(tài)相仿，不同材料所制備的人工骨可分別代表與其性質(zhì)特征相似的松質(zhì)骨與皮質(zhì)骨，目前已有很多報(bào)道證實(shí)人工骨產(chǎn)品與人體骨具有相似的材料及結(jié)構(gòu)屬性，使用人工骨模型進(jìn)行生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)也越來(lái)越多[28-30]，姜滔等[31]通過(guò)對(duì)Sawbone合成材料和尸體骨材料制作的股骨轉(zhuǎn)子間不穩(wěn)定骨折模型間的力學(xué)性質(zhì)差異進(jìn)行比較，最后結(jié)論認(rèn)為最新一代的人造生物力學(xué)材料模型（即第4代Sawbones標(biāo)準(zhǔn)股骨模型）不僅在外觀形態(tài)上，并且在物理性質(zhì)上已經(jīng)非常地接近人體骨骼，可以基本模擬正常人體骨骼系統(tǒng)，可替代傳統(tǒng)的尸體骨進(jìn)行各種力學(xué)測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)所使用的第4代Sawbones股骨人工骨是由美國(guó)太平洋實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的，近年來(lái)，已有很多研究者在不同實(shí)驗(yàn)條件下Sawbone人工骨的力學(xué)特性和尸體骨進(jìn)行比較，結(jié)果提示，在以壓應(yīng)力為主的受試條件下，其彎曲剛度與尸體骨基本相似，而其旋轉(zhuǎn)剛度較尸體骨差，所以在本研究所進(jìn)行的軸向壓縮載荷實(shí)驗(yàn)使用人工骨代替尸體骨對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性不會(huì)產(chǎn)生任何不良影響。而且，使用人工骨模型最大的優(yōu)勢(shì)在于標(biāo)本間力學(xué)性質(zhì)具有高度一致性，可以基本消除因樣本間的差異所導(dǎo)致的結(jié)果偏倚，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度更高。另外，與尸體骨模型相比，人工骨可以批量生產(chǎn)，來(lái)源不受限制，獲得容易，而且保存和操作較尸體骨簡(jiǎn)單。所以，使用人工骨標(biāo)準(zhǔn)骨進(jìn)行生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)將會(huì)越來(lái)越受歡迎。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在壓縮試驗(yàn)中，壓縮剛度表示內(nèi)固定的穩(wěn)定程度，與骨折后內(nèi)固定的穩(wěn)定性呈正比，本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)壓縮載荷在600 N及以下時(shí)，兩組壓縮剛度無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，考慮壓縮載荷不大時(shí)，骨折斷端尚未完全接觸，內(nèi)固定尚未完全穩(wěn)定，故兩組壓縮剛度無(wú)明顯差異；當(dāng)壓縮載荷在700 N及以上時(shí)，骨折端已完全接觸，而此時(shí)兩組數(shù)據(jù)存在明顯差異，標(biāo)準(zhǔn)組的壓縮剛度明顯小于小粗隆置釘組，說(shuō)明小粗隆置釘組有更強(qiáng)的抗壓縮能力，可以提供更好的抗壓、抗彎曲性能。對(duì)于一個(gè)50～60 kg的股骨骨折患者來(lái)說(shuō)，行標(biāo)準(zhǔn)組或小粗隆置釘組方式髓內(nèi)釘內(nèi)固定治療后，僅靜態(tài)負(fù)重情況下，兩組差異不大，但在進(jìn)行行走、跑步、爬樓梯等動(dòng)作時(shí)股骨頭需承擔(dān)等于體重多倍的應(yīng)力，此時(shí)，如果行小粗隆置釘可以為髓內(nèi)釘治療股骨骨折提供更好的穩(wěn)定性，提高骨折愈合率，減少髓內(nèi)釘內(nèi)固定術(shù)后骨不愈合的失敗率。結(jié)合我們之前在解剖學(xué)研究上所得到的結(jié)果，我們有理由相信，小粗隆置釘組因?yàn)橛懈L(zhǎng)的螺釘置入更堅(jiān)硬的股骨小粗隆，螺釘擁有更好的把持力，所以更具有優(yōu)勢(shì)。

3.4 本研究的意義

股骨髓內(nèi)釘是治療股骨干骨折的首選治療方案，為了較少術(shù)后骨折不愈合的發(fā)生，需最大程度增加內(nèi)固定的穩(wěn)定性，除了既往常規(guī)方法，如增加髓內(nèi)釘直徑、使用擴(kuò)髓髓內(nèi)釘?shù)?，我們更改了髓?nèi)釘近端螺釘?shù)闹冕敺较?，并通過(guò)設(shè)計(jì)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的方式，證實(shí)了更改后將股骨髓內(nèi)釘近端螺釘置入小粗隆，能提供較普通置釘方法更強(qiáng)的穩(wěn)定性，特別對(duì)于老年骨質(zhì)疏松或股骨上下直徑髓腔差異較大而無(wú)法置入合適大小髓內(nèi)釘?shù)幕颊?，我們的設(shè)計(jì)將能顯著提高他們內(nèi)固定術(shù)后的穩(wěn)定性。基于我們的研究結(jié)果，我們建議髓內(nèi)釘生產(chǎn)廠家適當(dāng)改變髓內(nèi)釘近端鎖釘?shù)奈恢煤头较?，以生產(chǎn)出更加合理的股骨髓內(nèi)釘，減少術(shù)后骨折不愈合的發(fā)生率，造福于患者。

3.5 本實(shí)驗(yàn)存在的不足

本研究的局限性在于實(shí)驗(yàn)標(biāo)本數(shù)量相對(duì)偏少，樣本量不足，各組數(shù)據(jù)之間誤差較大，結(jié)果可能會(huì)存在偏倚；在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鬟^(guò)程中，每個(gè)標(biāo)本之間造模無(wú)法完全一致；本研究?jī)H進(jìn)行了股骨骨折AO分型A2型的實(shí)驗(yàn)，缺少其他類型骨折的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；未進(jìn)行扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，在扭轉(zhuǎn)剛度上兩組是否有差異無(wú)法得知。

通過(guò)上述生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，我們知道當(dāng)壓縮載荷到達(dá)一定時(shí)，小粗隆置釘組壓縮位移小于標(biāo)準(zhǔn)組，而其壓縮剛度明顯大于標(biāo)準(zhǔn)組，說(shuō)明小粗隆置釘組有更強(qiáng)的抗壓縮能力，可以提供更好的抗壓、抗彎曲性能和更穩(wěn)定的內(nèi)固定，能減少內(nèi)固定失敗率，提高骨折愈合率。

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（收稿日期：2017-08-19）endprint