动力性加压交锁髓内钉在股骨横断骨折中的生物力学研究

　　作者：徐　鉴,　姚占川,　马　克　　作者单位：宁夏医科大学第二附属医院骨1科

　　【摘要】 目的　通过测试动力性加压交锁髓内钉(dynamic compressional interlocking nail， DCIN)在股骨横断骨折模型中手动加压及机械加压情况下的生物力学指标，对比其与静力交锁髓内钉(Static intramedullary nail，SIN)之间的差异，探讨DCIN的生物力学特点。方法　 使用无骨病16根成人股骨标本制作成股骨横断骨折模型，分为两组，每组8根，分别使用史塞克公司生产的普通SIN及DCIN固定。测试两组模型在0～500N轴向载荷的手动加压过程中骨折断端应变及位移变化，再测试在500～4000N轴向载荷下骨折断端应变及位移变化。结果　 在手动加压过程中，DCIN的骨折模型其骨折端在轴向压缩方向上产生的应变及位移大于普通SIN(P<0.05)。两组抗弯曲能力性能基本相同，在扭转0～2.5N.m扭矩过程中，DCIN组发生扭转的角度小于SIN组(P<0.05)。在机械加压过程中，DCIN组骨折模型其轴向压缩方向产生的应变小于SIN组(P<0.05)，位移则与之相反。DCIN组在机械加压过程中随着载荷增大，锁钉发生剪切变形较SIN迟。结论　 DCIN手动加压过程使骨折端紧密接触，提供稳定、可靠的力学传导环境，其动力化设计增加了经骨折端的应力传导，并减少了锁钉剪力。

　　【关键词】 生物力学;动力性;交锁髓内钉;股骨;横断骨折

　　Abstract： Objective　To test the bio-mechanical index of dynamic compression interlocking nail in the femoral transverse fracture model at manual pressure and mechanical pressure process and to compared it with static interlocking nail， sum dynamic compressional intramedullary nail's biomechanical characteristics. Methods　Transverse femur fracture model was established With 16 adult specimens of the femur， excluding bone. They were divided into two groups. The models were fixed using the Shi Seke ordinary SIN and DCIN. 0～500N axial load during manual compression fracture strain and displacement in two models were tested. Then its 500～4000N strain fracture under axial load and displacement were determinded at the axial mechanical pressure. Results　In the manual compression process， compression produced by strain and displacement in the fracture model of DCIN in the axial direction was significantly greater than that of the normal SIN (P<0.05). In the process of mechanical pressure， DCIN set the direction of axial compression fracture model of the induced strain was significantly less than the SIN group did (P<0.05) and the displacement was the opposite. And in the mechanical pressure process of SIN with the load increasing， the nail shear deformation occured earlier than DCIN group did. Conclusion　SIN DCIN manual pressure group process and mechanical properties in torsion and bending was no significant difference. Mechanical compression process， DCIN group increased its power by stressing fracture conductivity and reducing nail shear.

　　Key words： biomechanics;dynamic;interlocking nail;femur;transverse fracture

　　股骨干骨折是一类严重的骨科创伤，给临床治疗带来不小难题。史塞克公司推出了一款在早期负重或功能锻炼时，锁定钉仍可在主钉近端长椭圆形锁定孔内纵向滑动实现髓内钉动力化的新式髓内钉。现这款新式的髓内钉手动加压过程，以及早期动力化过程中生物力学指标参数尚相对缺乏，为此，设计本了实验。

　　1　材料与方法

　　1.1　实验材料

　　1.1.1　股骨标本

　　经福尔马林处理成人(20～45岁)股骨标本16根(来源于宁夏医科大学基础医学院人体解剖学教研室，共8具尸体，男女比例5∶3)，大体观察及X线摄片排除骨病及其他骨质破坏，Singh指数[1]Ⅳ度、能承受2000N纵向加载，标本在结构、载荷、尺寸上制作一致，密封存放在-40℃冰箱，实验前12h室温生理盐水解冻。

　　1.1.2　髓内钉及内固定器械

　　加压交锁髓内钉(型号：361361，锁定钉采用无螺纹设计)与静力交锁髓内钉(型号121063)，长度均为360mm，直径11mm。骨科器械由宁夏医科大学第二附属医院手术室提供。

　　1.1.3　实验设备及材料

　　长春科新实验仪器设备有限公司生产WDW万能电子微控生物力学实验机、YJ-25静态电阻应变仪、P20R-25预调平衡箱、西门子500mA X光机、BX120-4AA电阻应变片(敏栅值为0.03～2mm、面积0.25mm×0.25mm) 、游标卡尺(上海精密仪器厂)。

　　1.2　方法

　　1.2.1　标本处理、准备

　　所有标本实验前12h室温生理盐水解冻，测量股骨大转子顶点至股骨髁间窝最低点之间的距离，在其中点，横行锯断股骨，制备横断骨折模型，模拟稳定骨折。在制作股骨骨折髓内钉固定标本前测量无固定情况下的股骨应变并记录。

　　1.2.2　实验分组

　　分别设DCIN实验组和SIN对照组。每组8根成人股骨标本。

　　1.2.3　骨折模型的髓内钉固定

　　由同一人使用同一套器械完成固定，首先自大转子顶点开髓，导丝引导下扩髓满意，植入直径11mm髓内钉。钉孔周围缝隙以自凝牙托粉封闭，使之牢固。固定完毕后在模型上下用牙托粉制成方形托固定模型，上端预留钉尾加压螺栓孔。

　　1.2.4　应变片的安放

　　(1)应变片安放位置：每具内固定标本骨折断端上下5mm的内后。(2)应变片的安放：将连有导线的应变片用502胶黏贴于黏贴点，然后以环氧树脂胶包埋24h,4℃存放。

　　1.3　载荷选择

　　模拟人体生理位置、单足站立施加载荷。为保证生理载荷重复测量，分别分三步进行：第一步，以0～500N载荷做轴向加压模拟旋紧加压螺栓的手动加压过程;第二步，0～3N.m弯矩下逐级加载测试挠度;第三步，0～2.5N.m扭矩下测试扭转角度;最后以500～4000N进行轴向载荷极限承载试验。

　　1.4　统计学方法

　　应用SPSS 11.5统计学软件，组间比较采用方差分析，计量资料用(x-±s)表示，P≤0.05为差异有统计学意义。

　　2　结果

　　本实验股骨共16根，其中股骨最长386mm，最短368mm，髓腔直径最粗9.1mm，最细8.5mm，两侧标本方差齐性检验P>0.05，差异无统计学意义。　表1　16根股骨一般情况

　　2.1　轴向压缩实验

　　手动加压过程中，DCIN组股骨应变在轴向载荷达200N左右时即产生，并在此加压力量段内呈线性增长(表2)，SIN的钉-骨复合体产生的应变默认为0，两组应变差异有统计学意义(P<0.01)，见表2。在手动加压过程中，随着载荷不断增加，DCIN组股骨骨折端直到载荷达400N时才出现骨折端相对位移，而且相对位移的出现迟于应变的出现，而SIN将其骨折端位移变化默认为0，两组位移变化差异有统计学意义(P<0.01)，见表2。表2　不同固定方式股骨手动加压时的应变、位移变化

　　2.2　弯矩-挠度变

　　化　固定股骨两端支点，沿内后→前外方向缓慢施加载荷，结果显示，股骨在承载0～3N.m弯矩时， SIN组各组数值与双动力组差异无统计学意义(P>0.05)，表明DCIN及SIN在抗弯曲能力方面性能基本相同，见表3。

　　2.3　扭矩-扭角变化

　　在扭转0～2.5N.m扭矩过程中，DCIN组发生扭转的角度小于SIN组(P<0.05)，见表4。表3　不同固定方式股骨的弯矩-挠度变化表4　不同固定方式股骨的扭矩-扭角变化关系

　　2.4　机械加压时轴向载荷试验

　　2.4.1　机械加压时的载荷-应变关系

　　DCIN组中，当载荷增加至2000N左右后出现了应变的最大值，在载荷达到4000N左右时，应变降至非常低水平。而SIN组在载荷自500N增大至2000N过程中，应变较DCIN组大，在载荷达到2000N左右时出现了应变最大值，在载荷增加至3000N左右时，远近端锁定钉均出现了不同程度变形，再次出现应变小幅度上升，而且其应变超过了DCIN组，在载荷增加至4000N时远近段锁钉变形已非常明显，此时SIN组应变明显高于DCIN组。两组机械加压时的载荷-应变变化差异有统计学意义(P<0.01)，见表5。

　　2.4.2　机械加压时的载荷-位移关系

　　DCIN组在载荷达2500N左右后出现了位移的最大值，这比应变峰值来到推迟了500N左右，并在3500N时达到最大，此后，在载荷达到4000N左右时，位移增加再次出现一个峰值。而SIN组在载荷增大至2500N左右时出现了一个位移高峰，并在载荷增加至3000N左右时，位移出现了一次下降低值，在载荷增加至4000N时，位移达到最大值。两组机械加压时的载荷-位移变化差异有统计学意义(P<0.01)，见表5。表5　不同固定方式股骨机械加压时的应变、位移变化

　　2.5　应力遮挡的效应

　　根据应力遮挡的定量表达方式，即应力遮挡率(η)来描述应力遮挡效应：η=(1-σ有钉/σ无钉)×100%。式子中，σ有为股骨上有髓内钉固定时标本的应力，σ无为股骨无骨折情况下标本应力大小，共测试8对标本。结果显示：SIN组平均应力遮挡率达45%，而DCIN组平均应力遮挡率为20.9%，比SIN组降低了54%，两组应力遮挡率差异有统计学意义(P<0.01)，见表6。表6　不同固定方式股骨的应力遮挡率比较