交锁钉与加压钢板固定尺骨骨折的生物力学比较

            作者：言湛军，郑祖根，王以进，董启榕 

【摘要】  ［目的］对交锁髓内钉与动力加压钢板固定尺骨骨折的生物力学性能进行测试，为临床应用提供理论依据。［方法］采用12根新鲜尺骨标本，制作成中段横形骨折模型，分别用交锁髓内钉和6孔3.5 mm动力加压钢板固定，髓内钉规格为?4 mm，长200～230　mm。将标本固定于MTS试验机，对其进行抗轴向压缩、抗弯曲、抗扭转的生物力学测试，比较分析抗压刚度、抗弯刚度、抗扭刚度和抗压强度、抗弯强度、抗扭强度。［结果］交锁髓内钉固定的抗轴向压缩刚度、抗弯曲刚度和抗扭转刚度依次为（450.00±38.42） N／mm、（45.64±5.24） N·cm／Deg、（11.42±1.21） N·cm／Deg； 6孔3.5mm动力加压钢板固定的抗轴向压缩刚度、抗弯曲刚度和抗扭转刚度分别为（405.40±29.26） N／mm、（41.00±4.78） N·cm／Deg、（10.05±1.32） N·cm／Deg。在1 000 N轴向压缩载荷作用下，交锁髓内钉和加压钢板固定时尺骨的位移分别为（2.20±0.11） mm和（2.48±0.15） mm;在5 N·m弯曲载荷下，采用交锁髓内钉固定的尺骨的最大桡度为（3.25±0.15）mm，加压钢板固定的最大桡度为(3.60±0.21) mm;在扭转试验中，交锁髓内钉固定能承受扭矩最大达(2.40±0.13) N·m，而加压钢板固定能承受的扭矩为(1.90±0.10) N·m；实验所得的数据采用SPSS.10软件处理，再进行t检验显示具有显著性差异(P<0.05)。可见交锁髓内钉在力学刚度和强度上均优于6孔3.5mm动力加压钢板固定。［结论］交锁髓内钉具有良好的生物力学性能，固定可靠，符合生物学固定的原则。

【关键词】  交锁髓内钉； 加压钢板； 尺骨骨折； 生物力学

    Abstract：［Objective］Ulnar fractures fixed by interlocking intramedullary nails or dynamic compression plates were tested to compare their biomechanical function,in order to provide the theoretical basis for clinical practice.［Method］In the experiment,12 pieces of fresh ulnars were used to produce middle?part transverse fracture models;which were fixed by interlocking intramedullary nails or six?hole 3.5　mm  dynamic compression plates seperately.The diameter of intramedullary nail was 4mm,and the length was 200-230mm.The specimen was set on the MTS test machine.The rigidity and strength of ulnar fractures fixed by interlocking intramedullary nails were compared with those of ulnar fractures fixed by six?hole 3.5 mm dynamic compression plates in the anti?axial test,anti?bending test,anti?torsional test.［Result］In the anti?axial test,anti?bending test and anti?torsional test,the rigidity of ulnar fractures fixed by interlocking intramedullary nails was 450.00±38.42 N/mm,45.64±5.24 N·cm/Deg,11.42±1.21N·cm/Deg in sequence;while the rigidity fixed by dynamic compression plates was 405.40±29.26 N/mm,41.00±4.78 N.cm/Deg,10.05±1.32 N·cm/Deg accordingly.Burdened 1000N axial pressure,the displacement of interlocking intramedullay nail fixing specimen was 2.20±0.11 mm,and the compression plate fixing specimen was 2.48±0.15 mm.Given a 5 N·M bending burden,the maximum radial bending degree of interlocking intramedullay nailfixing specimen was 3.25±0.15 mm,which was 3.60±0.21 mm of compression plate fixing specimen.In the anti?torsional test,the interlocking intramedullay nail and compression plate fixing specimen could burden 2.40±0.13 N·M and 1.90±0.10 N·M respectively.The experimental data were analyzed by software SPSS.10,which came to a distinguished difference by t?test(P<0.05).Not only on the anti?axial rigidity,anti?bending rigidity and anti?torsional rigidity,but also on the anti?axiai strength,anti?bending strength and anti?torsional strength,interlocking intramedullay nails were superior to dynamic compression plates.［Conclusion］The interlocking intramedullary nails has fine biomechanical characteristics and is able to provide firm fixation for ulnar fractures,which fit the principles of biological osteosynthesis.

    Key words：interlocking intramedullary nails;  compression plate;  ulnar fracture;  biomechanical

    加压钢板内固定已被公认为移位尺骨骨折的金标准。1913年Schone采用银棒治疗尺骨骨折，随后出现了Rush、Sage钉等各种类型的髓内钉，但它们控制骨折旋转的能力仍有限。近年来出现的以Lefevre、Foresightm钉为代表的前臂交锁髓内钉固定系统弥补了这一缺陷。为此将它与加压钢板固定治疗尺骨骨折的生物力学性能进行比较测试，以期为临床应用提供理论依据。

    1  材料与方法

    1.1  标本制作与分组

    12根青壮年新鲜尺骨标本(由苏州大学医学院解剖教研室提供)，剔除软组织后，摄X线片排除骨病。随后将标本分成2组，每组6根。第1组用交锁髓内钉固定，第2组用钢板固定。尺骨髓内钉规格为?4 mm，长200～230 mm，钢板为6孔3.5 mm动力加压钢板，均由常州康辉医疗器械有限公司生产，系317 L不锈钢材质。将每组标本制作成中段横形骨折，按照标准手术操作将内固定器械打入尺骨，在尺骨标本断端上布置高精度小标距应变片。

    1.2  测试方法

    在上海生物力学工程研究所实验室，将制好的尺骨标本用夹具固定后装于MTS试验机，安装上载荷位移传感器，将应变片接入多点预调平衡箱内，调节数字式应变仪YJ?14。先进行预载(1／10负荷)以消除尺骨的松弛蠕变效应的时间影响。根据前臂的工作受力状态和受力分析，确定所加的生理载荷为0～1 000　N，扭转载荷1 N·m／度，分级加载，加载速度为1.5 mm／min，分别进行轴向压缩试验、三点弯曲试验，扭转试验。位移采用高精度数显光栅位移传感器(KG-101，精度1％)加以测量，扭角数值由扭角仪读出。

    1.3  数据处理

    实验所得的数据以均数±标准差表示，采用SPSS 10软件进行处理，2组内固定器械的实验数据一一对应进行t检验。

    2  结  果

    2.1(表1)表1  交锁髓内钉与3.5 mm动力加压钢板以上数据表明在轴向抗压刚度、抗弯刚度和抗扭刚度上，交锁髓内钉与3.5 mm动力加压钢板固定有差异，且这种差异具有显著性(P<0.05)。刚度是指构件在外力作用下抵抗变形的能力。结果表明在抵抗轴向变形的能力方面，交锁髓内钉与3.5 mm动力加压钢板固定相差11％；在抵抗弯曲变形能力和抵抗扭转变形方面交锁髓内钉也优于3.5 mm动力加压钢板固定，力学性能良好。

    2.2  交锁髓内钉与加压钢板固定尺骨的强度性能结果

    在1 000 N轴向压缩载荷作用下，交锁髓内钉和加压钢板固定时尺骨的位移分别为（2.20±0.11） mm和（2.48±0.15） mm；在5 N·m三点弯曲载荷下，交锁髓内钉固定的尺骨的最大桡度为(3.25±0.15) mm的位移，加压钢板固定时最大桡度为(3.60±0.21) mm；在扭转试验中，交锁髓内钉固定能承受扭矩最大达(2.40±0.13) N·m，而加压钢板固定能承受的扭矩为(1.90±0.10) N·m；统计显示具有显著性差异(P<0.05)。强度是指载荷条件下抵抗破坏的能力，这充分说明交锁髓内钉固定优于动力加压内固定，不易发生松动。

    3  讨  论

    3.1  骨折愈合的生物力学基础

    骨折过程中都必须遵循生物学和力学原则，即注意保存骨的血液供应，维持骨的生理和力学环境［2］。影响骨折愈合的因素有生物学和机械性因素，生物学因素包括骨折断端血供情况，矿物质含量，以及成纤维细胞生长因子(FGF)、血小板衍生生长因子(PGGF)、转化生长因子-β(TGF?β)、骨形态发生蛋白(BMP)等各种生长因子的浓度和分布［3］。血供是一切损伤修复的生物学基础，骨折愈合需要充分的营养，血供充分才能有细胞的充分活动和蛋白合成。髓内动脉系统供给皮质骨内侧约2／3部分的血运，骨膜动脉系统供给皮质骨外侧约1／3部分的血运。骨折时很容易造成髓内动脉系统的中断，此时骨膜动脉系统对局部血供起重要的代偿作用，因此尽可能避免对局部骨膜的破坏、保护局部血供对骨折愈合来说至关重要。一般骨折后，只要周围软组织损伤不严重，血供基本完整，则骨愈合的过程则可能主要由机械性因素，即骨折断端的活动度和骨折间隙的大小决定，这个活动度是由骨折处的负荷和骨折固定的稳定性决定的。坚强固定使骨断端间活动度最小，减少了骨痂形成过程中的机械刺激；而骨折愈合期间，骨折断端如有一定的生物力学条件刺激可能会加速细胞分化，刺激各种骨细胞的大量增生，形成骨痂。

    3.2  关于交髓锁内钉固定

    由前述实验结果可知，在轴向压缩试验、三点弯曲试验、扭转试验中，交锁髓内钉在轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度上均比动力加压钢板大。可见交锁髓内钉固定可靠，能为骨折提供良好的稳定性，可早期进行功能锻炼，防止骨间膜、肌肉挛缩及关节僵直。尺骨交锁髓内钉固定，多数情况下可以闭合穿钉，不剥离骨膜，对周围软组织和血供影响小，对肢体的生物力学干扰少［4］。扩髓型髓内钉可使髓内血供破坏，但能通过骨膜血供来代偿，并且扩髓后髓内血供可以重建。Seifelnar认为非扩髓型髓内钉不要求紧密的骨髓内接触，使钉与骨皮质内壁的空隙增大，扩大了髓内血管再生的空间，更有利于骨折部位的血液供应，有利于骨折断端的修复。此外，尺骨交锁髓内钉固定亦是弹性固定，允许骨折端有一定的力学刺激，有利于骨痂形成，促进骨愈合。

    3.3  关节动力加压钢板内固定

    动力加压钢板内固定在固定的生物力学性能上不及交锁髓内钉，但大多已能满足尺骨骨折治疗的需要。坚强的加压钢板固定，使钢板下皮质骨在负重和活动时的生理刺激消除，使骨得不到应力的作用，断端间的应变减少或消失，因而影响成骨过程的细胞活动，加之钢板内固定手术创伤相对较大，骨膜剥离较广泛，进一步加重了骨折局部的软组织和血供损伤，影响了骨折的愈合，也制约了它在骨折治疗中发挥更大的作用。Alexander指出以前报道再骨折的发生率10％～19％不等，他的研究结果是前臂骨折行钢板内固定取出的病人并发症率为16％，而其中再骨折发生率就有11％，并且再骨折平均在内固定取出后6个月发生。术后再骨折的发生与下列因素有关：(1)骨强度下降，Bostmen曾实验证明：钻孔处的骨强度较未钻孔前下降50％；(2)骨缺血，Rhinelandler等通过动物实验表明，钢板下的骨通常是处在一种缺血状态，同时还影响到钢板周围的骨质，他们指出取出钢板后的3个月内这种薄而无血运的骨质其抗应力减弱，术后10个月内这种现象仍然存在；(3)应力遮挡作用：坚强的内固定后使骨质新受应力减少，因而出现骨萎缩，强度下降，弹性模愈合接近骨质的内植物应力遮挡小，骨质愈合好，骨强度高。为克服上述缺点，Femandz等［5］报道利用点接触钢板治疗前臂骨折减少了应力遮挡，促进了骨折愈合。

    近年来，AO学派［6］从原来强调解剖复位，坚强内固定的观点，逐渐过度到强调重视骨折局部软组织及骨的血供，推荐弹性内固定，不强求解剖复位的观点。研究表明交锁髓内钉固定在力学性能上优于动力加压钢板，而且符合骨折治疗的生物学原则。

【文献】
  ［1］ Weckbach A，Blattert TR，Weiber CH．Interlocking nailing of forearm fractures［J］．Arch Orthop Trauma Surg，2006，126：309-315.

［2］ 胥少汀，葛宝丰，徐印坎．实用骨［Ｍ］．第3版，北京：人民军医出版社，2006，52．

［3］ 王亦璁．骨与关节损伤［M］．第4版，北京：人民卫生出版社，2007，181-185．

［4］ 周来喜，林本丹，钟志刚，等.胫骨骨折不同手术固定器材的生物力学研究及其临床意义［J］．矫形外科杂志，2001，6：542-544．

［5］ Fernandez Dell'oca AA，Tepie S，Frigg　R，et　al．Treating forearm fractures using an internal fixator［J］．Clin Orthop，2001，389：196．

［6］ Thomas PR，William U M．王满宜，杨庆铭，曾炳芳，等译．骨折治疗的AO原则［M］．北京：华夏出版社，2003，3-4．