股骨动力加压凹槽交锁髓内钉对稳定骨折治疗作用的生物力学研究
发表时间：2009-06-26 浏览次数：724次
作者:闫宏伟,刘凯,王宏刚,黄向
作者单位：1. 西安交通大学医学院第二附属医院骨科，陕西西安 710004；2. 铜川矿务局中心医院骨科，陕西铜川 727000 【摘要】 目的 研制新型股骨髓内钉并对其生物力学性能进行测评，探讨其在稳定骨折治疗中动力加压机制的表达与力学性能的优劣。方法 将新型股骨髓内钉与Orthofix进口交锁髓内钉及AO加压钢板等不同方式内固定在稳定骨折条件下的抗轴向压缩、抗侧弯、抗旋转力学性能进行测试与比较。结果 稳定骨折情况下，新型髓内钉对轴向压缩载荷的反应表现为断端间的动力加压作用，其应力遮挡效应明显低于髓内钉及钢板对照组；三点弯曲试验中，各组试样均表现出抗内→外弯曲能力较抗前→后弯曲能力强的特点，新型髓内钉的抗侧弯性能优于髓内钉对照组，钢板对照组抗侧弯性能最佳；钢板内固定的抗旋转能力均优于髓内钉内固定，新型髓内钉抗旋转性能优于髓内钉对照组。结论 新型髓内钉设计合理,力学性能优良，动力加压功能明显，应力遮挡效应低，固定稳定性好；髓内钉与髓腔匹配情况及骨髓腔形态亦是影响旋转及侧弯稳定性的重要因素。
【关键词】 股骨；内固定；骨折；研制；生物力学
基金项目：陕西省科技攻关资助项目(No.2002K10G1) Biomechanical study of a new grooved interlocking dynamiccompressing intramedullary nail for femoral fracture
Yan Hongwei, Liu Kai, Wang Honggang, Huang Xianghui, Song Jinhui, Wang Kunzheng, Zhang Kaifang, Liu Jun
1. Department of Orthopaedics, the Second Affiliated Hospital, Medical School of Xian Jiaotong University, Xian 710004;
2. Department of Orthopaedics,Tongchuan Mineral Bureau Center Hospital, Tongchuan 727000, China
ABSTRACT: Objective To develop a new femoral intramedullary nail and evaluate its biomechanical property, and study its dynamic compressing mechanism and mechanical characteristics in steady femoral fracture. Methods The antiaxile compression, antilateral bending and antitorsion properties of the new grooved interlocking dynamic compressing intramedullary nail (GIMN) were tested and compared with those of general imported interlocking intramedullary nail and dynamic compression plate in treating steady femoral fracture. Results Applied in steady femoral fracture, the new femoral intramedullary nail manifested a dynamic compressing effect when exerted to an axile compression and its stress shielding effect was significantly smaller than that of general interlocking intramedullary nail and dynamic compression plate (P<0.05). In bending test, the antilateral bending rigidity was stronger than antianteroposterior bending rigidity in all three groups, while the GIMN was more effective in antilateral bending than general interlocking intramedullary nail; dynamic compression plate was more effective than intramedullary nail in antitorsion property, while the GIMN was more effective than general interlocking intramedullary nail. Conclusion The new grooved interlocking dynamic compressing intramedullary nail is designed scientifically, with a reliable fixation, favorable dynamiccompressing effect and few stress shelter effects; the matching of intramedullary nail and medullary cavity as well as the shape of medullary cavity is important for antitorsion and antilateral bending stability.
KEY WORDS: femur; internal fixation; fracture; manufacture; biomechanics
随着生物学固定观点的提出和逐渐普及，交锁髓内钉内固定治疗股骨骨折的观念正逐渐被业界认同。静力性交锁髓内钉的广泛使用，使骨折延迟愈合、交锁钉断裂等问题逐渐显露出来，在此情况下，动力性交锁髓内钉应运而生。实践证明，防旋转、抗短缩功能差仍是目前内锁型动力交锁髓内钉尚未完全解决的问题[1]。静力性交锁髓内钉的动力化却难以克服需二次手术的缺点。
1 材料与方法
1.1 材料
实验组为新型股骨髓内钉20套，依据国人股骨髓腔测量结果进行钉体设计[2]，股骨钉直径9mm，长度310mm，原材料及加工制造均来自西北有色金属研究院。髓内钉对照组为Orthofix进口股骨髓内钉10套，规格与实验组相同; 钢板对照组为AO股骨10孔加压钢板10套。
1.2 实验设计、方法
男性健康成人股骨防腐尸骨湿标本40根，随机分左右侧进入不同实验组，分别于小转子顶点至股骨内外髁平面连线中点锯断制成骨折横断模型。按骨折髓内钉及加压钢板内固定的标准手术操作，进行标本的髓内钉及钢板内固定。固定完成后将标本两端适当修整，用自制圆形夹具夹持，标本与夹具间空隙用自凝牙托粉充满使固定牢靠并保持两端夹具尽量在同一轴线水平。实验组股骨20根、髓内钉及钢板对照组各10根—内固定复合体稳定骨折模型分别进行轴向压缩试验、三点弯曲试验和扭转试验，每一标本测试结束后将应变仪归零后测试下一标本。①轴向压缩试验：连续加载方式，加载速度1mm/mm，最大载荷设定为1800N；②三点弯曲试验：连续加载方式，加载速度1mm/mm，最大弯矩设定为4.0N/M，分别测试矢状面的前—后弯曲及冠状面的内—外弯曲；③扭转试验：内旋方向连续行同轴扭转加载，加载速度1°/mm，测定扭转刚度和扭转强度。
1.3 统计学处理
实验结果以均数±标准差(±s)表示，若组间方差不齐，组间比较采用非参数秩和检验；组间方差齐时，采用方差分析，组间两两比较采用LSDt检验。统计软件为SPSS11.0，显著性水平置于0.05。
2 结 果
2.1 轴向压缩试验
由结果可知，存在于骨折断端的压应变及由两断端互相靠近而产生的压缩位移均为实验组占优，说明实验组髓内钉能促使骨折断端相应嵌插，产生压缩力，其动力加压功能优良。当载荷为体重的3倍时，实验组发生的压位移为3mm，说明实验组既有一定的抗短缩能力且应力遮挡较低。而髓内钉对照组由于利用静力性固定，其固定虽然坚强，但加压功能较差。钢板对照组由于其具有骨折固定时的即刻加压功能，骨折断端在骨折固定操作过程中已产生紧密嵌插，故其产生的压缩位移及压应变反而最小(表1、表2)。表1 各组股骨干载荷位移变化（略）表2 各组股骨干载荷应变变化（略）
2.2 三点弯曲试验
从实验结果可以看出，在横向弯曲力矩及横向载荷作用下，试样均产生了断端周围的张应变及向下桡曲变形，即产生了桡度，其应变及桡度随着载荷的增加而增大。各组试样均表现出抗内→外弯曲能力较抵抗前→后弯曲能力强的特点。AO钢板对照组由于是一种坚强内固定，其在稳定骨折前提下因断端间的加压作用使断端发生紧密嵌插使其表现出的抗弯性能较实验组及髓内钉对照组均优，而实验组由于髓内钉与髓腔的匹配性良好，也表现出了较好的抗弯性能(表3-表6)。表3 各组股骨干弯矩应变情况（略）表4 各组股骨干弯矩应变变化（略）表5 各组股骨干弯矩桡度变化（略）表6 各组股骨干弯矩桡度变化（略）
2.3 扭转试验
将不同固定方式的抗扭强度和刚度进行比较也是对新型髓内钉进行生物力学评价的一个重要指标。扭转强度的大小，主要反映在扭矩的大小。扭转刚度的大小主要看扭角变形。从实验结果可以看出，加压钢板内固定在治疗稳定性骨折时抗扭转强度及刚度均优于髓内钉内固定，髓内钉实验组由于与骨髓腔的匹配性较好，其抗扭转强度与刚度较髓内钉对照组优良，力学性能可以满足临床治疗需要(表7)。表7 各组股骨干扭矩扭角/扭转刚度情况的比较（略）
3 讨 论
3.1 新型髓内钉的生物力学优势
以Miiller为首的瑞士内固定协会(AO/ASTF)在总结了过去内固定失败经验的基础上于20世纪60年代初提出了骨折内固定的AO理论，即：①解剖复位；②坚强内固定；③无痛功能训练；④无创或微创外科技术。加压钢板和静力性交锁髓内钉即是AO理论的产物。AO理论及其相应的内固定器材，如钢板、髓内钉等，在骨折的治疗上发挥了重要的作用，取得了良好的治疗效果。但随着临床应用和生物力学研究的不断发展，有关AO理论及其相应内固定器材的缺点逐渐被业界认识和重视，骨折内固定的理念和模式亦逐渐向BO理论演变[34]，BO理论的四大内固定原则正逐渐成为骨折内固定和相关内固定器械发展的指导方向，即：①变坚强内固定为生物学固定；②充分重视骨与软组织的血供；③微创技术最大限度恢复骨折解剖结构的稳定；④早期功能锻炼合理化、个性化。
加压钢板属坚强内固定，其偏心固定方式显然不如轴心固定后应力的分布和传导佳，其对骨折和软组织的血供破坏较大，固定后产生的应力遮挡效应亦影响骨折愈合。静力性交锁髓内钉骨折端加压作用小，会导致骨折愈合时间延长或骨不连[5]，交锁钉断钉、退钉及交锁钉穿钉困难比较常见[6]，而动力化交锁髓内钉存在的问题是抗旋转功能差，不能对抗分离和短缩移位[1]。
从本研究的生物力学试验结果可知，新型动力加压凹槽交锁髓内钉治疗稳定骨折的生物力学性能显然具有优越性。比较不同方式固定的轴向压缩试验可以发现，新型髓内钉在股骨的稳定骨折，其动力加压功能明显优于对照组，其既有一定的抗短缩能力，应力遮挡效应又较低。由于新型髓内钉与国人骨髓腔的匹配性好，其在实心钉的基础上对锁孔进行的凹槽设计，不但使髓内钉的负重截面积增大，也使其惯矩和强度较空心钉大，故在稳定骨折治疗中能有效控制侧弯应力和旋转移位，有利于骨折愈合。通过对三点弯曲试验结果的分析可以看出，髓内钉与髓腔匹配性的好坏及骨髓腔形状亦是影响侧弯稳定性的重要因素。髓内钉形状与骨髓腔的良好匹配亦会提高其抗扭转能力，远端锁孔的椭圆形及凹槽设计，不但未降低其抗侧弯及抗旋转、抗短缩能力，反而使其动力加压功能更符合生物力学和生物学标准，呈弹性、动态固定，且应力遮挡效应低。通过生物力学研究发现，新型交锁螺钉临床应用的退钉、弯钉、断钉风险低[7]。 3.2 动力加压机制的表达与利弊
横断骨折(稳定骨折)静力固定时，部分纵向加压载荷会转换成髓内钉与锁钉间的剪力，剪力阻挡了骨折断端间的加压，这是发生骨折延迟愈合或不愈合的重要原因[89]。当剪力超过锁钉的疲劳极限，就会导致锁钉的断裂或弯曲。对于粉碎骨折(不稳定型骨折)多采用静力性固定，虽然稳定性很好，但由于缺乏骨折端对外力的吸收和分担，载荷大多表达为髓内钉与锁钉间的剪力，因而更易出现断钉。新型髓内钉在横断骨折纵向加载时，首先克服的是钉骨间的摩擦力，当载荷大于钉骨间的摩擦力，骨折端开始逐渐接触加压，随着载荷的增加，骨折端的压力也不断增加，锁钉会在椭圆形锁孔内滑动，此时髓内钉与锁钉之间并不产生剪力，从而产生动力加压作用。由于近端交锁螺钉的限制，不但可以防旋转，也可限制髓内钉的退出。对于多段骨折，髓内钉体部的多个凹槽锁孔可供选择，可限制多段骨折任一骨折段的旋转或发生短缩，动力加压功能同样有效。在粉碎骨折复位固定后，如果早期负重，动力加压装备会使骨折碎块产生分离倾向，但由于远端椭圆形锁孔的设计仅允许锁钉发生向上或向下3mm的滑动距离，故不会造成严重的骨折移位；当继续加载时，造成的后果是以髓内钉与锁钉间的剪力表达来继续保持骨折端的复位，以防止发生更大的碎骨块分离移位或肢体短缩。通过对交锁螺钉的力学测试表明，新型髓内钉的交锁螺钉无论在抗拔出强度或抗弯、抗断裂性能上均具有一定优势[7]，因此，新型髓内钉并非粉碎骨折的绝对禁忌。
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