新型鎖定鋼板與骨骼接觸特征及其固定下的骨折愈合觀察

趙玉峰,邢叔星,沈 岳,劉東北,王愛民△

(1.第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所全軍戰創傷中心,重慶 400042;2.重慶市機電設計研究院 400040)

新型鎖定鋼板與骨骼接觸特征及其固定下的骨折愈合觀察

趙玉峰1,邢叔星1,沈 岳1,劉東北2,王愛民1△

(1.第三軍醫大學大坪醫院野戰外科研究所全軍戰創傷中心,重慶 400042;2.重慶市機電設計研究院 400040)

目的對比研究新型鎖定鋼板(LP)與有限接觸動力加壓鋼板(LC-DCP)固定山羊新鮮脛骨時與骨骼的接觸特征;對比觀察LP與DCP固定對山羊脛骨橫斷骨折愈合的影響。方法首先分別用8孔3.5 mm LP及LC-DCP鋼板固定新鮮山羊脛骨,通過壓力敏感膜與應力、圖像分析系統對兩種鋼板與骨骼接觸面積、接觸壓力及應力進行分析。然后采用山羊脛骨橫斷骨折模型,左右側脛骨分別用8孔LP和 DCP固定,術后2、8周采用X線照片觀察骨折愈合情況,術后12周處死動物取出脛骨進行3點彎曲實驗。結果LP與骨面接觸面積較LC-DCP明顯減少,兩者差異有統計學意義(P＜0.05),LP與骨接觸應力較LC-DCP明顯升高,兩者差異有統計學意義(P＜0.05)。固定2周時,在X線影像學上LP和DCP組骨折線均清晰可見。固定8周時,在X線影像學上LP組骨折線消失,但DCP組骨折線仍可見。術后12周,LP固定組脛骨的彎曲強度和最大載荷均大于DCP固定組,兩者差異有統計學意義(P＜0.05)。結論LP能有效減少與骨表面的接觸面積,骨折愈合優于傳統鋼板。

骨內固定;鋼板;點接觸;骨折愈合

近年來,隨著人們對骨折愈合生物學特性認識的加深,生物學接骨術(biological osteosynthesis,BO)的理念已逐漸深入人心。為了適應生物學接骨術的要求,國內外學者對接骨板進行了重新設計,提出了減少接骨板與骨骼的接觸面積和內固定器的設計理念。作者新近研制了一種集點接觸、螺釘帽與螺釘孔可互相鎖定和動力加壓為一體的新型鎖定鋼板(locking plate,LP),研究發現LP與骨骼的接觸面積較有限接觸動力加壓鋼板(limited contact-dynamic compression plate,LC-DCP)顯著減少,采用山羊動物實驗發現LP固定下的骨折愈合優于動力加壓鋼板(DCP),現報道如下。

1 材料與方法

1.1 實驗用接骨板 實驗用 LP(圖1)全長 92 mm,寬11 mm,主板厚2.5 mm,在接骨板縱軸中點兩側各有1個橢圓型的標準動力加壓螺孔,其余為對稱分布的6個圓形帶有螺紋的鎖定螺釘孔。在接骨板的底面螺釘孔的兩側有高1.5 mm的長方形四棱錐狀結構,長方形四棱錐狀結構底邊長與螺孔直徑相等。實驗用接骨板使用兩種螺釘,3.5 mm皮質骨加壓螺釘和3.5 mm鎖定螺釘,其中鎖定螺釘的螺釘頭有與接骨板螺釘孔相匹配的螺紋。實驗用 LP接骨板、螺釘均由317L醫用不銹鋼制成,具有良好生物學相容性。實驗用8孔DCP和8孔LC-DCP由江蘇創生醫療器械有限公司提供。

圖1 點接觸鎖定壓力接骨板(LP)與3.5 mm鎖定及加壓螺釘

1.2 LP、LC-DCP與骨骼接觸特征 采用6對山羊新鮮脛骨進行實驗,實驗用接骨板為 8孔LP和8孔 LC-DCP。實驗時將接骨板中立位固定于完整脛骨的內側。LP固定時首先固定接骨板中份的兩枚加壓螺釘,然后再固定其余的鎖定螺釘。實驗時監測實驗室溫度與相對濕度,所有標本均在相同的溫度及相對濕度下完成實驗。首先以接骨板為模板在脛骨內側鉆孔(接骨板不進行預彎),然后將富士感壓紙(富士,日本)放置于接骨板與骨面之間,采用可控扭力螺絲刀(日本)以1.5 nm扭力擰入螺釘固定鋼板,然后立即從骨骼上拆下接骨板取出感壓紙。用電腦掃描儀掃描感壓紙并計算出著色面積。用FPD305富士感壓紙專用濃度計(富士,日本)測定感壓紙的著色濃度,用FPD306富士感壓紙專用壓力換算機(富士,日本)將其換算為接觸壓強(MPa),然后用ANSYS軟件計算接觸應力(N)。統計學分析采用方差分析,以P＜0.05為差異有統計學意義。

1.3 動物實驗

1.3.1 實驗模型 健康1歲左右性成熟山羊10只,體質量(15±2.3)kg。實驗采用雙側脛骨自身對照方法。速眠新注射液(長春農牧大學獸醫研究所)0.1～0.15 mL/kg肌肉注射麻醉后,側臥位,無菌條件下,脛骨中段內側切口,在脛骨中段擬截骨部位,縱行切開骨膜,將骨膜環形剝離后用線鋸橫斷截骨,骨折復位后隨機行LP和DCP中立位固定。術后任羊自由活動。

1.3.2 X線照片觀察 術后 2、8周,攝X線片觀察骨折愈合情況。

1.3.3 生物力學測試 術后12周處死動物,取出雙側脛骨,剝離周圍軟組織,取出接骨板及螺釘,于RGT-5A微機控制電子萬能試驗機(深圳瑞格爾儀器有限公司)上行3點彎曲力學測試。力學測試時,將標本固定于電子萬能試驗機上,緩慢勻速加載,直到骨斷裂,記錄斷裂瞬間最大載荷值,描繪載荷曲線,并計算出脛骨彎曲強度。統計學分析采用配對t檢驗,以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 LP、LC-DCP與骨骼接觸特征 LP與LC-DCP固定山羊新鮮脛骨時與骨骼接觸面積、接觸部位壓強與應力結果見表1。統計學分析顯示,LP與骨骼接觸面積顯著少于 LC-DCP(圖2),差異有統計學意義(P＜0.05)。LP接觸部位壓強稍高于LC-DCP,但差異無統計學意義(P＞0.05)。LP接觸部位應力顯著低于LC-DCP,差異有統計學意義(P＜0.05)。

表1 LP與LC-DCP固定山羊新鮮脛骨時與骨骼接觸面積、接觸部位壓強與應力比較(x ±s)

圖2 LP與LC-DCP固定山羊新鮮脛骨時與骨骼接觸形態學特點

2.2 骨折愈合 術后2周,X線照片見LP和DCP固定組骨折斷端對位、對線良好,骨折線均清晰可見,斷端附近有少許骨痂影(圖3)。術后8周,LP固定組骨折線消失,DCP固定組骨折線模糊,但仍隱約可見骨折線(圖 4)。

力學測試時,所有脛骨標本均于原截骨部位斷裂。力學測試結果顯示,LP固定組彎曲強度與最大破壞載荷均較DCP固定組為高,兩者差異有統計學意義(P＜0.05)(表2)。

圖3 術后2周X線照片觀察

圖4 術后8周X線照片觀察

表2 LP與DCP固定術后12周愈合脛骨力學性能比較(±s)

表2 LP與DCP固定術后12周愈合脛骨力學性能比較(±s)

*:與DCP組比較,P＜0.05。

鋼板類型 彎曲強度(MPa) 最大載荷(N)LP 32.04±9.02* 1 658.98±510.61*DCP 27.34±7.15 1 488.41±442.41

3 討 論

鋼板內固定是骨折治療的常用方法之一。傳統的鋼板內固定是通過螺釘的軸向作用力使接骨板與骨緊密接觸,依賴兩者界面間產生的巨大摩擦力將骨折固定。研究發現,鋼板與骨接觸導致局部骨骼血循環損害,骨缺血壞死后繼發骨重塑是導致板下皮質骨骨質疏松的重要原因之一[1]。鋼板接觸因素導致的局部骨缺血壞死增加了感染的概率,骨折愈合也受到干擾[2]。為了減少鋼板內固定對骨骼血運的損害,20世紀90年代初,Frigg[3]研制出LC-DCP,鋼板與骨骼的接觸面積較傳統接骨板減少了50%。為了進一步減少接觸面積,國際內固定研究學會(AO/ASIF)于20世紀90年代中期和21世紀初相繼推出螺釘孔與螺釘帽可以相互鎖定的新型鋼板-點式接觸內固定器(point contact-Fixator,PC-Fix)和鎖定加壓鋼板(locking compression plate,LCP)。PC-Fix通過螺釘帽與螺釘孔之間的鎖定設計,具有生物內固定器功能,但不具備傳統加壓鋼板對骨折斷端自動加壓功能,限制了其應用。LCP采用加壓孔和鎖定孔一體化設計,既可以對骨折斷端自動加壓,又可以起到生物內固定器功能,但對簡單骨折進行加壓固定時,鋼板與骨骼之間仍為面接觸。作者在以往研制點式接觸動力加壓鋼板的基礎上,進一步研制出新型鎖定鋼板,其設計特點是在結構上集點接觸、螺釘鎖定和自動加壓設計為一體,即使是在對骨折加壓固定時鋼板與骨骼之間仍僅有點接觸。本研究目的是通過體外實驗研究LP固定時與骨骼的接觸特征,然后通過山羊大動物實驗觀察LP固定對骨折愈合的影響。

本研究顯示,LP較LC-DCP與骨骼接觸面積顯著減少,從減少接骨板與骨面的接觸面積可以保護骨皮質血運的觀點來看,LP可以最大限度地減少對骨皮質血運的破壞。

接骨板的設計并不是影響其與骨接觸面積的惟一因素,其他如螺釘的扭力大小、骨表面形態學等均對其有影響[4]。Field等[5]研究表明LC-DCP易受骨表面形態學的影響,骨表面較凸起的則LC-DCP與骨的接觸面積顯示增加,在某些骨表面不能完全起到有限接觸的作用,本研究結果也表明,LC-DCP受骨表面形態特點影響較大,在不同骨表面接觸面積有明顯差異。在扭力相同的情況下,骨表面形態對點接觸LP與骨接觸面積的影響則較小,LP在不同骨表面有較一致的接觸面積。

在與骨骼接觸部位,LP固定的壓強較LC-DCP稍高,差異無統計學意義。但LP與骨骼接觸部位的應力較LC-DCP顯著升高,Field等[5]的研究也發現類似現象。作者以往的研究發現,點接觸部位組織學上可見局部皮質骨吸收,但對骨骼整體力學性能無明顯影響[6]。該現象尚需進一步研究。

牢穩的固定和充足的血運是骨折愈合的必要條件。傳統接骨板與骨面緊貼導致板下皮質骨血運的損害和骨壞死,從而影響骨折的愈合,尤其是在接骨板下區域[2]。Tepic等[7]使用羊脛骨干半閉合骨折模型,隨機對照研究了DCP和PC-Fix固定下12、24、48、96周的骨折愈合情況,發現 PC-Fix固定組各時相點骨折愈合強度均優于DCP,組織學切片觀察到PC-Fix固定組無皮質骨骨質疏松發生,骨折部周圍存在未受破壞的環狀骨痂。本研究結果顯示,采用大動物(山羊)脛骨橫斷骨折模型,術后8周X線觀察LP固定組骨折愈合優于DCP固定組,術后12周生物力學測試結果顯示脛骨的彎曲強度和最大載荷均顯著高于DCP固定組,說明作者研制的新型鎖定鋼板在骨折愈合方面明顯優于傳統鋼板,為將來的臨床應用提供了理論依據。

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[2] Miller DL,Goswami T.A review of locking compression plate biomechanics and their advantages as internal fixators in fracture healing[J].Clin Biomech(Bristol,Avon),2007,22(10):1049.

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Interface contact profiles of a new design locking plate and its effect on fracture healing in a goat tibia fracture model

ZHAO Yu-feng1,XINGShu-xing1,SHEN Y ue1,et al.
(1.Department of Traumatic Surgery,Research Institute of Field Surgery,Daping Hospital,Third Military Medical University,Chongqing400042,China;2.Chongqing Institute of Electromechanical Design,Chongqing400040,China)

ObjectiveTo evaluate the interface characteristics of the new design locking plate(LP)and LC-DCP and to compare the fracture healing between LP and DCP in a sheep tibia fracture model.MethodsEight-hole LP and LC-DCP were applied to the same aspect of fresh goat tibiae in a reproducible manner.The average pressure,force and interface contact area were calculated using Fuji prescale pressure sensitive film interposed between the plate and the bone and image analysis system.Eight-hole LP and LC-DCP were applied to each tibia in a sheep tibia fracture model.The fracture healing was evaluated by X-ray photography in 2 and 8 weeks postoperative.The goats were sacrificed in 12 weeks postoperative.Three-point bending test was conducted in the tibiae.ResultsThe LP system was lower,in terms of interface contact,than the LC-DCP(P＜0.05).The LP system was higher,in terms of interface contact force,than the LC-DCP(P＜0.05).Radiographs revealed a clearly visible fracture line in both intervention groups at 2 weeks.At 8 weeks,the fracture line was not visible in the LP group,while the fracture line was visible in DCP group.At 12 weeks,the bending strength and bending load of fractured tibia was higher in LP group than in DCP group repectively.ConclusionThe new design locking plate can significantly decrease the contact area on the bone interface,it further provides better fracture healing than conventional plate.

fracture fixation,internal;bone plate;point contact;fracture healing

R687.32;R683.05

A

1671-8348(2010)09-1071-03

△通訊作者。

2009-11-25)

?論 著?