点接触锁定加压接骨板固定骨质疏松粉碎性股骨干骨折的生物力学研究

　　作者：熊 雁，赵玉峰，王子明，杜全印，孙红振，吴思宇，陈卫军，王爱民 作者单位：重庆市科技攻关重大项目(CSTC，2006AA5014-1)400042重庆，第三军医大学大坪医院野战外科研究所骨科中心关节四肢外科(熊雁，王子明，杜全印，孙红振，吴思宇，王爱民);400042重庆，第三军医大学大坪医院野战外科研究所创伤科(赵玉峰);400038重庆，第三军医大学解剖教研室，重庆市生物力学重点实验室(陈卫军)

　　【摘要】 目的 对比研究新型点接触锁定加压接骨板(PCLCP)和动力加压接骨板(DCP)固定老年骨质疏松性粉碎性股骨骨折的生物力学特性。方法 选取12对老年骨质疏松性尸体股骨制成横断骨折，骨折间隙为1cm，模拟粉碎性骨折模型。每对随机选取一根用PCLCP固定，另一根用DCP固定。进行前后四点弯曲、轴向压缩及扭转实验，得到相应的弯曲、压缩和扭转刚度。结果 PCLCP固定骨质疏松性粉碎性股骨干骨折后的弯曲刚度强于DCP的83.3%、压缩刚度强于DCP的76.5%及扭转刚度强于DCP的18.7%，前两者具有显著统计学差异(P<0.05)。结论 新型接骨板PCLCP 固定骨质疏松性粉碎性股骨干骨折的生物力学特性优于DCP。

　　【关键词】 股骨骨折;接骨板;骨质疏松;生物力学

　　Biomechanical research on a new point contact locking compression platein an osteoporotic comminuted femoral fracture model

　　XIONG Yan1,ZHAO Yufeng2,WANG Ziming1,DU Quanyin1,SUN Hongzhen1,WU Siyu1,

　　CHEN Weijun3,WANG Aimin1

　　(1.Department of Orthopaedics,Daping Hospital,Third Military Medical University,Chongqing 400042,China;

　　2.Department of Trauma,Daping Hospital，Third Military Medical University,Chongqing 400042,China;

　　3.Biomechanical Key Laboratory of Chongqing,Department of Anatomy,Third Military Medical University,Chongqing 400038,China)

　　【Abstract】 Objective To compare the biomechanical comparison of a new point contact locking compression plate(PCLCP) and the dynamical compression plate(DCP) in an osteoporotic comminuted femoral fracture model.Methods Twelve pairs of aged cadaveric osteoporotic femurs with transverse fracture and 1cmwidth fracture interspace were created to simulate comminuted fracture and fixed with PCLCP or DCP respectively.Then the anteroposterior four point bending,axial compression and torsion tests were conducted to determine the bending,compression and torsion stiffness of the PCLCP and DCP.Results Compared with the DCP,the bending,compression and torsion stiffness of PCLCP were higher,showing significant differences in the bending and compression tests.Conclusion The new PCLCP has advantage of higher bending and compression stiffness when used to fix the osteoporotic comminuted femoral fracture.

　　【Key words】femoral fracture;bone plate;point contact;osteoporosis;biomechanics

　　对于股骨干骨折，20世纪70年代以前多数学者主张保守治疗，但畸形愈合、膝关节强直和创伤性关节炎等并发症很高，为降低这些并发症，设计了钢板和髓内钉等各种内固定物。但是对于节段性骨缺损、骨质疏松性骨折、粉碎性骨折，由于骨质量降低，螺钉的把持力降低，导致内固定的稳定性降低[1-2]。因此针对这种骨质量降低的长骨干骨折，许多新方法和新的内固定设计出现，并且取得较好的临床效果，如更长的接骨板、Schuli锁定螺钉、锁定加压接骨板、骨水泥和复合髓内接骨板等等[3-5]。我们在以往研制的点接触动力加压接骨板[6](point contactdynamic compression plate，PCDCP)基础上，研制出一种新型点接触锁定加压接骨板(point contactlocking compression plate，PCLCP)，结合点接触、动力加压和锁定功能于一体[7]，动力加压孔将对粉碎性骨块起到良好的加压复位作用，锁定孔将对骨质疏松性骨皮质起到更强的固定作用。本组部分实验利用骨质疏松性尸体股骨制作粉碎性骨折模型，对比研究PCLCP和DCP固定骨质疏松性粉碎性股骨干骨折的生物力学特性。

　　材料与方法

　　1 实验用材料

　　1.1 PCLCP接骨板 PCLCP在接骨板螺孔两侧有凸台状结构，高1.5mm,底面长与螺孔直径相同，顶面为点状。螺钉帽与接骨板螺孔可行锁定，全长128mm，宽16mm，厚4.5mm。对称分布6个锁定螺钉孔和中间2个动力加压孔，螺钉为4.5mm标准锁定及加压皮质骨螺钉。PCLCP结合锁定、加压与点接触功能于一体。实验用接骨板、螺钉均为医用316L不锈钢制成，具有良好生物学相容性。(国家发明专利号：200510057114.0)

　　1.2 DCP接骨板 江苏省常州市康辉医疗器械有限公司采购，均为8孔医用316L不锈钢制造，螺钉为4.5mm加压螺钉。

　　2 实验方法

　　2.1 试件制备和分组 12对老年尸体(平均年龄72岁)股骨由重庆医科大学解剖教研室提供，于-20℃冰柜保存。对12对股骨利用美国Norland公司的双能X线机进行扫描，测定骨密度值(BMD)，选取8 对密度值符合骨折疏松标准骨的标本。每对标本随机选取一根用8孔PCLCP固定，作为PCLCP组;另一根用8孔DCP固定，作为DCP组。PCLCP不预弯，DCP预弯，用4.5mm皮质骨螺钉中立位将接骨板固定于股骨张力侧，其中PCLCP和DCP全部固定两端8 枚螺钉，锁定螺钉均与接骨板螺孔呈锁定固定。选取每个标本的中点用线锯锯断，做成1cm间隙，模拟粉碎性骨折模型(见图1)。固定骨折后的测试标本置于日本岛津万能力学测试机上，分别进行前后四点弯曲;置于美国MTS880材料试验机上进行轴向压缩实验;置于RGT5AT微机控制电子万能试验机上进行扭转实验。

　　2.2 生物力学测试 两组标本进行前后四点弯曲实验，标本置于前后位置下加载，两加载点间距15cm，两支点间距离30cm。接骨板固定侧位于张力侧，采用最大500N的载荷保护下，5mm/s匀速弯曲加载，在弹性变化范围进行弯曲实验。同步记录试件内应变值与弯曲挠度的关系，换算为加载力和固定试件的抗弯刚度。试件在四点弯曲过程中未破坏。

　　图1 PCLCP接骨板与DCP接骨板固定股骨干骨折实物图

　　两组标本进行轴向压缩实验，每个标本两端用牙托粉包埋固定成圆柱形，置于材料试验机下轴向压缩加载，接骨板固定于张力侧，采用最大1000N的载荷保护下，5mm/s匀速加载，在弹性变化范围进行轴向压缩实验。同步记录试件内应力值与弯曲挠度的关系，换算为加载力和固定试件的抗压刚度。试件在轴向压缩过程中未破坏。

　　两组标本进行扭转实验，每个标本两端用牙托粉包埋固定成圆柱形，后置于测试机下加载。接骨板固定于张力侧，采用最大50Nm的扭矩载荷保护下。5degrees/s匀速扭转加载，在弹性变化范围同步记录试件内扭矩与扭转角度的关系，换算为固定试件的抗扭刚度。

　　3 统计分析

　　实验结果用以±s表示，采用SPSS13.0统计软件包进行配对t检验分析，P<0.05有显著差异，直条图用Excel 2003绘制。

　　结 果

　　1 骨密度值比较

　　PCLCP组股骨颈区域平均骨密度值为(0.59±0.11)g/cm2;DCP组股骨颈区域平均骨密度值为(0.60±0.10)g/cm2。每个标本的BMD值均小于成年股骨骨峰量值的2个标准差以上，符合骨质疏松的诊断标准。两组BMD对比无明显统计学差异(P>0.1)，因此两组股骨标本具有可比性 (图2)。

　　图2 PCLCP组与DCP组骨密度值对比直条图

　　2 前后四点弯曲

　　在保持前后加载、最大载荷500N下，试件在弹性变化范围内，固定标本卸载后无残余畸形。据加载与变形关系，绘出前后四点弯曲试验载荷与挠度曲线图，计算出每个试件的前后四点弯曲抗弯刚度，比较PCLCP组和DCP组前后四点弯曲的平均抗弯刚度，PCLCP组的前后四点弯曲平均抗弯刚度高出DCP组83%，两者差异具有统计学意义(P<0.05)(表1)。

　　3 轴向压缩实验

　　在保持前后加载、最大载荷1000N下，试件在弹性变化范围内，固定标本卸载后无残余畸形。据加载与变形关系，绘出轴向压缩实验载荷与挠度曲线图，计算出每个试件的轴向抗弯刚度，比较PCLCP组和DCP组轴向压缩的平均抗弯刚度。PCLCP组的平均轴向压缩抗弯刚度高出DCP组77%，统计学分析两者差异显著(P<0.05)(见表1)。

　　4 扭转实验

　　在保持最大扭矩50Nm下，试件扭转直至断裂。据加载与变形关系，绘出扭矩与角度曲线图，计算出每个试件的抗扭刚度，比较PCLCP组和DCP组扭转实验的平均抗扭刚度。PCLCP组的平均抗扭刚度高出DCP组18%，统计学分析两者差异无统计学意义(P>0.05)(见表1)。表1 PCLCP和DCP接骨板固定股骨干骨折的生物力学比较

　　讨 论

　　股骨干骨折临床常见，其正确治疗需要了解股骨干的解剖、生物力学及创伤机制，并根据骨折类型选择合适的固定方法[8]。以前的牵引和支具外固定可以得到可接受的临床效果，但是比内固定效果差。现今，股骨干骨折的治疗主要是髓内针、接骨板内固定和外固定架治疗。接骨板内固定的优势在于能够达到骨折解剖复位和坚强固定[9-10]。

　　传统的DCP接骨板被广泛应用于股骨干骨折的内固定。DCP板上的螺钉加压孔有一倾斜角度，当螺钉拧紧时，板上加压孔允许螺钉在纵向滑行，导致股骨相对板移动，使得断端间产生加压。这种设计开创了骨折坚强内固定板时代，结果导致以缺少骨皮质骨痂形成为特点的骨愈合模型。Xu等[11]通过尸体股骨完整骨及截骨后分别以等厚钢板固定，作模拟负重下的电测应力分析。结果表明等厚钢板不符合等强度原理，中间两螺孔间受力明显大于边缘部。截骨面在双肢站立时主要承受压应力，加载至体重2倍时，压应力明显大于完整骨。单肢站立时承受弯应力，截骨面压应力小于完整骨。应力遮挡和骨结构改变可通过钢板优化设计和肢体正常负重克服。

　　Ellis等[12]研究发现，在存在缝隙的粉碎性骨折模型中，螺钉尽量放置在接近骨折位点处才能最小化DCP板所受的应力。在没有缝隙的解剖复位的骨折模型中，间距宽的螺钉或者是远离骨折位点的螺钉才能最小化DCP所受的应力。DCP的优点是能够降低骨不连发生率，稳定的固定和不需要外限制器，允许邻近关节的早期运动。但是DCP还有一定的缺陷，包括延迟愈合，显微镜下可以检测到微小的骨折缝隙的持续存在，导致骨板去除后应力提高和板下的皮质骨丢失。Kessler等[13]的研究显示，在平均20.1个月后去除接骨板后仍然有再次骨折发生，28个再次骨折端的组织学检查确认骨折发生在缺少骨桥形成的位点。

　　随着交通事故的增多和社会人口老龄化，粉碎性骨折和骨质疏松性骨折将越来越多。在过去十年中，对于老年性皮质变薄的骨质疏松性粉碎性骨折，许多技术被用于探求其最佳的固定机制，包括骨水泥的应用、羟钉的应用、螺钉成角固定、锁定螺栓和各种锁定接骨板系统[14-16]。另外，Bottlang等[17]通过生物力学对比研究认为，在锁定接骨板末端改用加压螺钉能够减少接骨板末端的应力集中，增加固定结构的抗弯力量，更适合假体周围骨折这类股骨长骨干的骨折疏松性骨折。

　　由于合成股骨比尸体股骨标本的强度更高[18]，因此在本研究中，我们利用老年性骨质疏松性股骨作为标本，制作1cm间隙模拟粉碎性股骨干骨折的临床实际情况，对比研究PCLCP接骨板和DCP接骨板固定骨质疏松性尸体股骨干骨折模型的生物力学特性。研究发现PCLCP接骨板稳定性能明显强于DCP接骨板。在前后四点弯曲加载下，PCLCP接骨板的抗弯强度高出DCP接骨板83%;在轴向压缩加载下，PCLCP接骨板的抗压强度高出DCP接骨板77%;在扭转加载下，PCLCP接骨板的抗扭转强度高出DCP接骨板18%。在扭转加载下，PCLCP接骨板固定试件断裂同时发生在远端多个螺钉或是股骨的两端。其原因是由于锁定接骨板的螺钉均锁定在接骨板上，整体提高了螺钉的把持力[3，19]。

　　总之，本部分实验表明，在骨质疏松性粉碎性股骨干骨折模型中，PCLCP接骨板的生物力学特性明显优于DCP接骨板，能够提供更加稳定的生物力学性能，为下一步动物实验和临床应用提供了生物力学依据。

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