影響MIPO技術(shù)治療骨干骨折生物力學(xué)因素的研究進(jìn)展

丁 寧 王涓涓 劉加寶 張 起 張 超 李 喆 古恩鵬

天津市濱海新區(qū)中醫(yī)醫(yī)院 300451

近年來(lái)骨折微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于臨床，其中微創(chuàng)經(jīng)皮鋼板內(nèi)固定技術(shù)(Minimally invasive percutaneous plate internal fixation operation，MIPO)治療骨干骨折深受骨折患者和醫(yī)生歡迎，由于對(duì)患者損傷小、恢復(fù)快，應(yīng)用Liss鋼板微創(chuàng)手術(shù)治療股骨干、脛骨干等長(zhǎng)骨干骨折已經(jīng)成為大多數(shù)創(chuàng)傷骨科醫(yī)生的首選，此技術(shù)符合BO生物力學(xué)理念，更好地保護(hù)了骨折斷端血運(yùn)，減少了骨折延遲愈合和不愈合的發(fā)生率。雖然MIPO技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍有很多失敗的教訓(xùn)，MIPO技術(shù)較常規(guī)鋼板固定技術(shù)治療骨干骨折的生物力學(xué)特點(diǎn)也不盡相同，并且直接影響手術(shù)療效，下面筆者就對(duì)影響MIPO技術(shù)治療骨干骨折的生物力學(xué)因素的研究進(jìn)行綜述。

1 骨折愈合的生物力學(xué)理論

1.1 從AO到BO AO理論的基礎(chǔ)是直接骨愈合方式即哈佛斯管的重建，它要求骨折解剖復(fù)位，堅(jiān)強(qiáng)固定，以達(dá)到早期功能鍛煉的目的。但是隨著理論和實(shí)踐的不斷發(fā)展，骨科醫(yī)生的理念發(fā)生了很大變化，逐漸由堅(jiān)強(qiáng)力學(xué)固定向生物力學(xué)固定轉(zhuǎn)變，強(qiáng)調(diào)骨折周圍軟組織保護(hù)，減少骨折周圍血運(yùn)的破壞，對(duì)解剖對(duì)位和堅(jiān)強(qiáng)固定的要求減弱，其理論基礎(chǔ)為間接骨折愈合理論即骨痂愈合理論。此理論認(rèn)為即使骨折未達(dá)到百分百解剖對(duì)位，只要骨折周圍血液循環(huán)良好，就會(huì)在骨折周圍形成骨痂，骨痂逐步改造形成骨連接最終達(dá)到骨折愈合，這是BO核心理論。

1.2 應(yīng)變理論 早期的研究發(fā)現(xiàn)骨折區(qū)域的應(yīng)變對(duì)骨折愈合產(chǎn)生重要影響，骨折應(yīng)變是指骨折在愈合過(guò)程中受到外力發(fā)生變形的程度。Perren[1]通過(guò)生物力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)骨折應(yīng)變<2%時(shí)骨折通過(guò)直接方式愈合，當(dāng)骨折區(qū)應(yīng)變?cè)?%～10%之間時(shí)，可以促進(jìn)間接骨折愈合，而當(dāng)應(yīng)變>10%時(shí)，則骨折部位發(fā)生不愈合，而對(duì)于粉碎骨折，愈合過(guò)程中發(fā)生的應(yīng)變被多個(gè)骨折區(qū)分擔(dān)，其骨折愈合所能夠承擔(dān)的最大應(yīng)變值也較簡(jiǎn)單骨折有所提高。

1.3 彈性模量與應(yīng)力遮擋 彈性模量是指材料所受應(yīng)力與產(chǎn)生應(yīng)變的比值，它表示材料發(fā)生變形的難易程度，其值越大，材料的硬度越大；其值越小，材料的彈性越大。應(yīng)力遮擋是指兩種材料結(jié)合在一起時(shí)，同時(shí)受到外力，彈性模量越大的材料分擔(dān)的應(yīng)力也越大，當(dāng)一種材料的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一種材料時(shí)，另一種材料可以不分擔(dān)或者分擔(dān)很小應(yīng)力，既應(yīng)力被彈性模量大的材料遮擋，兩種材料彈性模量值越接近，它們分擔(dān)的應(yīng)力就越平均。對(duì)于骨折愈合來(lái)說(shuō)，鋼板材料的彈性模量過(guò)大，骨折端受到的應(yīng)力就會(huì)被遮擋，而一定的應(yīng)力在骨折愈合的中后期具有促進(jìn)骨痂生長(zhǎng)和骨重建塑形的作用，缺乏應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)疏松，延緩骨折愈合，降低骨折愈合后的強(qiáng)度，不利于骨折的恢復(fù)。有的學(xué)者認(rèn)為[2-3]，這種應(yīng)力遮擋效應(yīng)只有取出鋼板才能消失，如果不取出鋼板應(yīng)力遮擋就會(huì)一直存在，不受應(yīng)力的骨質(zhì)必然疏松。因此人們希望研究出一種與骨彈性模量相當(dāng)，并且具有足夠的固定強(qiáng)度和良好生物相容性的鋼板材料[4-5]。

1.4 鋼板固定對(duì)皮質(zhì)骨血運(yùn)的影響 鋼板對(duì)骨折血運(yùn)影響的研究主要集中在鋼板與骨的接觸方式上，傳統(tǒng)鋼板與骨緊密接觸，并通過(guò)螺釘加壓固定，進(jìn)一步壓縮鋼板與骨之間的距離，這種緊密接觸可以為固定系統(tǒng)提供可靠的穩(wěn)定性，但卻損害了骨皮質(zhì)下的血運(yùn)。Gunst等[6]在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鋼板固定家兔脛骨后10min就會(huì)出現(xiàn)鋼板下皮質(zhì)骨缺血，隨著時(shí)間延長(zhǎng)缺血范圍會(huì)不斷擴(kuò)大，3～4周后缺血范圍逐漸縮小，8～12周血供恢復(fù)。Perren等[7]通過(guò)活體動(dòng)物染色發(fā)現(xiàn)，鋼板應(yīng)力遮擋下的皮質(zhì)骨血供明顯減少，可導(dǎo)致骨萎縮和骨壞死。

隨著對(duì)骨折周圍血供重要性的認(rèn)識(shí)不斷提高，鋼板與骨的接觸形式得到改進(jìn)，改進(jìn)后的鋼板可以實(shí)現(xiàn)與骨面不接觸固定，并與微創(chuàng)的手術(shù)技術(shù)結(jié)合就可以極大較少鋼板固定對(duì)皮質(zhì)骨血運(yùn)的影響。

2 傳統(tǒng)鋼板固定與MIPO技術(shù)的生物力學(xué)差異

傳統(tǒng)鋼板是依靠鋼板與骨之間的摩擦力起作用，骨塊之間通過(guò)加壓結(jié)合在一起，骨與鋼板的摩擦力等于每一個(gè)螺釘扭力的串聯(lián)，骨折斷端沒(méi)有間隙，鋼板位置適當(dāng)，鋼板固定有效，但存在較高的風(fēng)險(xiǎn)，比如一個(gè)螺釘失效會(huì)影響整個(gè)內(nèi)固定的穩(wěn)定性，尤其在粉碎骨折中，不能達(dá)到解剖復(fù)位，骨折塊無(wú)法相互加壓達(dá)到穩(wěn)定，從而使螺釘易于松動(dòng)或斷裂，導(dǎo)致固定失效。在嚴(yán)重骨折中，為實(shí)現(xiàn)解剖復(fù)位往往需要廣泛剝離軟組織，從而加重骨折周圍的血運(yùn)破壞，影響骨折愈合。

MIPO技術(shù)在生物力學(xué)方面有明顯優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用Liss鋼板不依賴摩擦力，而是一種角穩(wěn)定裝置，是釘板與骨一體化，鋼板固定強(qiáng)度等于所有螺釘扭力的并聯(lián)，故單個(gè)螺釘松動(dòng)或斷裂不影響整個(gè)固定系統(tǒng)，從而獲得更好的生物力學(xué)優(yōu)勢(shì)。應(yīng)變理論證明:骨折達(dá)到完全愈合，非必須解剖復(fù)位，2%～10%的骨折應(yīng)可以促進(jìn)骨折愈合。Mckinbbin等[8]提出長(zhǎng)骨骨折愈合的理想固定是非完全堅(jiān)強(qiáng)固定。

應(yīng)用精細(xì)的微創(chuàng)外科技術(shù)能夠減少血運(yùn)破壞，促進(jìn)骨痂形成，減少骨萎縮、骨質(zhì)疏松的發(fā)生，最大限度地減少干擾因素對(duì)應(yīng)力遮擋效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)證明運(yùn)用MIPO技術(shù)處理骨干骨折，骨不連和其他嚴(yán)重并發(fā)癥的總體發(fā)生率較低。

3 影響鋼板固定骨干骨折的力學(xué)因素

3.1 鋼板的工作長(zhǎng)度 鋼板的工作長(zhǎng)度是指離骨折區(qū)最近兩個(gè)螺釘?shù)木嚯x。靜壓力試驗(yàn)證實(shí)：增加鋼板的工作長(zhǎng)度可以使骨折區(qū)應(yīng)變?cè)龃?。Stoffel等[9]通過(guò)有限元發(fā)現(xiàn)，鋼板的工作長(zhǎng)度越短，內(nèi)固定系統(tǒng)的強(qiáng)度越大，穩(wěn)定性越強(qiáng)；鋼板的工作長(zhǎng)度越長(zhǎng)，鋼板螺釘受到的應(yīng)力越小，其抗疲勞性越大。

3.2 鋼板的長(zhǎng)度 鋼板長(zhǎng)度是指在手術(shù)中選擇鋼板的總長(zhǎng)度。鋼板較短會(huì)導(dǎo)致固定強(qiáng)度下降；鋼板過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加手術(shù)切口范圍影響美觀。選擇合適長(zhǎng)度的鋼板在手術(shù)中至關(guān)重要，術(shù)者要根據(jù)不同類型的骨折選擇不同長(zhǎng)度的鋼板。對(duì)于簡(jiǎn)單骨折來(lái)說(shuō)，鋼板長(zhǎng)度應(yīng)比骨折區(qū)長(zhǎng)度長(zhǎng)8～10倍，而對(duì)于粉碎骨折，2～3倍即可。足夠長(zhǎng)度的鋼板會(huì)減少鋼板和螺釘所受的應(yīng)力，防止它們發(fā)生較大的應(yīng)變，從而避免鋼板、螺釘發(fā)生斷裂的可能性。骨折粉碎程度也影響著鋼板長(zhǎng)度的選擇，對(duì)于嚴(yán)重粉碎骨折來(lái)說(shuō)，無(wú)論骨折區(qū)長(zhǎng)短，選擇長(zhǎng)鋼板跨越式橋接固定能取得更好的力學(xué)效果。Johnston等[10]在實(shí)驗(yàn)研究中證明長(zhǎng)鋼板的生物力學(xué)性能優(yōu)于短鋼板。Dennis等[11]用尸體長(zhǎng)骨做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用長(zhǎng)鋼板固定的長(zhǎng)骨比短鋼板固定的長(zhǎng)骨能夠承受更大的變形應(yīng)力。Sanders等[12]在比較長(zhǎng)鋼板和短鋼板的生物力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)。長(zhǎng)鋼板在四點(diǎn)彎折實(shí)驗(yàn)和軸向扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的生物力學(xué)性能均優(yōu)于短鋼板。

對(duì)于嚴(yán)重粉碎骨折來(lái)說(shuō)，無(wú)論骨折區(qū)域范圍大小，應(yīng)用長(zhǎng)鋼板都具有更好的生物力學(xué)性能，雖然軟組織剝離增多，但是距離骨折較遠(yuǎn)的區(qū)域剝離軟組織并不會(huì)加重骨折區(qū)的缺血，如果應(yīng)用MIPO技術(shù)這些影響可以忽略[13]。

3.3 螺釘?shù)臄?shù)量 螺釘數(shù)量是內(nèi)固定系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素。螺釘數(shù)量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致骨折區(qū)應(yīng)力集中，當(dāng)受到疲勞應(yīng)力時(shí)，可發(fā)生鋼板斷裂；螺釘密度太小，會(huì)降低固定系統(tǒng)強(qiáng)度，引起固定失效。在使用MIPO技術(shù)固定骨折時(shí)，推薦的螺釘系數(shù)為釘孔的40%～50%，這就要求鋼板稍長(zhǎng)一些，以達(dá)到力學(xué)平衡；骨折處要空出2～3孔，這樣可以減少骨折處的應(yīng)力集中，避免骨折處變形或者鋼板斷裂。Laurence等[14]認(rèn)為每塊鋼板上四枚螺釘就已經(jīng)足夠完成固定強(qiáng)度需要，但是如果出現(xiàn)其中的一枚螺釘失效，那么提前增加固定螺釘是必要的。Field等[15]在長(zhǎng)骨鋼板固定結(jié)構(gòu)的壓縮、扭轉(zhuǎn)和折彎試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：以12孔鋼板固定骨折為例，發(fā)生相同應(yīng)變所需的應(yīng)力，6枚螺釘固定結(jié)構(gòu)與8枚螺釘固定結(jié)構(gòu)無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。Stoffel等[9，16]研究發(fā)現(xiàn)在骨折兩端各用3枚螺釘固定不比用2螺釘固定能夠承受更多的軸向壓力，骨折兩端用4螺釘固定不比用3枚螺釘固定能承受更大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

3.4 螺釘?shù)奈恢?AO組織提出長(zhǎng)骨骨干骨折用長(zhǎng)鋼板固定，除骨折粉碎無(wú)法打釘處的釘孔不上螺釘外，其他釘孔均需應(yīng)用螺釘固定，但對(duì)于MIPO技術(shù)間接復(fù)位后使用的橋接鋼板，骨折兩端應(yīng)用2～3枚釘就可以滿足力學(xué)固定[13]。Stoffel等[16]用14孔鋼板固定長(zhǎng)骨，中間兩孔為骨折區(qū)，離骨折區(qū)最近的兩端為1號(hào)螺孔和螺釘，最遠(yuǎn)的兩端為6號(hào)。在張力帶模式的垂直壓縮實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)(1+5+6)的屈服強(qiáng)度明顯強(qiáng)于結(jié)構(gòu)(1+2+6)，結(jié)構(gòu)(1+2+6)、(1+3+6)、(1+4+6)、(1+5+6)的軸向剛度依次遞減，但扭轉(zhuǎn)剛度無(wú)差別。說(shuō)明螺釘位置分布可以影響內(nèi)固定系統(tǒng)的強(qiáng)度。許多實(shí)驗(yàn)[12,17-19]證明固定鋼板的螺釘數(shù)量、螺釘排列的位置均會(huì)對(duì)內(nèi)固定系統(tǒng)的生物力學(xué)性能造成影響。Stoffel等[9]在扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和四點(diǎn)折彎實(shí)驗(yàn)均表明結(jié)構(gòu)(1+3+5)的穩(wěn)定性高于結(jié)構(gòu)(1+2+5)，結(jié)構(gòu)(1+2+5)高于(1+4+5)。

3.5 鋼板放置的位置

3.5.1 鋼板與骨的距離：MIPO技術(shù)固定骨折時(shí)，鋼板與骨膜有一定距離，從而避免了骨折周圍血運(yùn)破壞，良好的血運(yùn)刺激骨痂生長(zhǎng)，使骨折二期愈合。為了解決傳統(tǒng)鋼板技術(shù)對(duì)骨折區(qū)血運(yùn)的影響，現(xiàn)代鋼板的設(shè)計(jì)凹凸不平或帶有一定弧度，與骨面不完全接觸[20]。從生物學(xué)角度出發(fā)，鋼板與骨膜接觸越少，骨折區(qū)血運(yùn)破壞就越少[21]。Ahmad等[22]通過(guò)生物力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，骨與鋼板的距離>5mm時(shí)，固定系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和軸向壓縮強(qiáng)度均明顯降低，而距離<2mm時(shí)固定強(qiáng)度無(wú)明顯改變，由此在應(yīng)用MIPO技術(shù)固定骨折時(shí)鋼板與骨的距離不應(yīng)該>2mm。

3.5.2 鋼板與骨夾角：正常情況下，鋼板放置應(yīng)與長(zhǎng)骨力線或長(zhǎng)骨縱軸一致，但是在使用MIPO技術(shù)操作時(shí)，由于軟組織剝離不充分或者骨折復(fù)位不徹底，會(huì)導(dǎo)致鋼板與長(zhǎng)骨干縱軸存在一定角度，這也就是導(dǎo)致螺釘?shù)钠墓潭?，降低鋼板螺釘裝置的固定強(qiáng)度。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)斜置鋼板角度>10°時(shí)，會(huì)增加骨折應(yīng)變，影響骨折愈合。

4 小結(jié)與展望

在長(zhǎng)骨骨干骨折中，代表BO的MIPO技術(shù)在生物力學(xué)方面的特點(diǎn)與代表AO的傳統(tǒng)鋼板固定技術(shù)有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn)，傳統(tǒng)AO手術(shù)強(qiáng)調(diào)骨折局部骨塊解剖對(duì)位，堅(jiān)強(qiáng)固定，而MIPO技術(shù)更注重對(duì)血運(yùn)的保護(hù)，肢體整體力線的調(diào)整以及彈性固定從而更符合骨折愈合的生物力學(xué)特性。展望未來(lái)，中醫(yī)治療長(zhǎng)骨干骨折有一套完整的復(fù)位固定方法，并且不斷發(fā)展，其特點(diǎn)是閉合復(fù)位、不切開，皮外功能固定，以非手術(shù)或閉合穿針固定為代表的CO在生物力學(xué)的優(yōu)越性將更顯突出。