可吸收螺釘張力帶固定橫行髕骨骨折的生物力學研究

張繼業，王新，楊琳，舒永輝，朱權，黃志平，李雯

(1.深圳市龍崗區第三人民醫院骨科，廣東 深圳 518115；2.南方醫科大學南方醫院脊柱骨科，廣東 廣州 510515)

髕骨骨折是臨床比較常見的關節內骨折，發生率約占全身骨折損傷的1%[1]。髕骨骨折的治療要求盡可能解剖復位，固定牢固，以利術后早期活動。術后越早功能鍛煉，發生關節黏連、僵硬的可能性就越小，早期功能鍛煉必須在堅強內固定條件下進行。目前被廣泛使用的克氏針張力帶鋼絲固定需要二次手術取出內固定，同時存在針尾、鋼絲觸痛、刺破皮膚的缺點，隨著生物材料工程的發展，可吸收材料的使用克服了這種缺點。盡管有很多研究報道可吸收螺釘張力帶固定橫行髕骨骨折，但其強度小于金屬固定物。為此，本研究通過生物力學試驗，為可吸收螺釘張力帶固定橫行髕骨骨折提供科學依據。

1 資料與方法

取新鮮成年膝關節標本12具，包括膝上18 cm股骨及膝下18 cm脛骨，保留股四頭肌肌腱、髕骨、髕腱及關節囊，剔除其余軟組織。雙層塑料袋密封，-20℃冰柜保存備用，測試前常溫下解凍。每例標本經X線攝片排除骨質疏松及退行性骨關節炎。

將股骨和脛骨包埋于自凝牙托粉中，用鋼鋸從膝關節側方進入關節中，在髕骨中點橫形鋸斷髕骨制作成橫行骨折模型，不損傷髕腱。骨折塊直視下復位，然后隨機將標本分為2組，每組6具標本，分別采用以下兩種方法固定：(A組)可吸收螺釘聯合PDS線張力帶固定，(B組)AO張力帶固定。

A組：兩根直徑3.5 mm可吸收螺釘平行固定，用雙股1-0 PDS線環扎；B組：用2枚直徑為2.0 mm的克氏針平行固定，18號鋼絲(直徑0.8 mm)環扎固定。可吸收螺釘購自成都迪康中科生物醫學材料有限公司，材料為聚-DL-乳酸(Poly-DL-Lacticacid，PDLLA)。鉆頭、絲錐為專用的配套器械。

將股骨端用固定器固定在工作臺上，同時用定制夾具將股四頭肌肌腱在髕上約2 cm處固定，并通過滑輪連接于Instron E 100材料試驗機上(美國Instron公司)，能牽拉膝關節伸曲自如。為了模擬小腿和足的重力，按照Carpenter JE[1]方法在脛骨下端裝一鐵棒，再在鐵棒上安裝一鐵餅，總重約4.5 kg，鐵餅距離膝關節16.5 cm，以前的研究顯示這種裝置相當于一個體重約70 kg的人的膝關節所承載的負荷[2]。在上下骨折端各安放一枚紅外線發光標志(Smart Marker)，用于檢測膝關節的三維運動，三維運動測量系統(Optotrack Certus，加拿大NDI公司)以50Hz的采樣頻率采集運動數據。開始以50N/s速度勻速對股四頭肌腱加載，使膝關節由屈曲90°伸直為0°，然后再以50N/s速度勻速卸載，使膝關節由伸直位0°變為屈曲90°，即時測量并記錄屈曲和伸直位骨折端的位移(三維運動測量系統的測量精度為0.1 mm)。當骨折端移位大于3 mm，表明內固定失效，同時記錄加載次數。

2 結 果

重復測量資料的方差分析結果顯示，無論膝關節是處于屈曲位，還是伸直位，除第1次加載，可吸收螺釘PDS張力帶組骨折端位移較AO張力帶組大(P<0.05)；兩組隨著循環加載次數的增加，骨折端位移逐漸增加(P<0.05)，且可吸收螺釘PDS張力帶組更加顯著(見圖1～2)，可吸收螺釘PDS張力帶組均在加載超過1 200次左右固定失敗(即位移大于3 mm)，而AO張力帶組加載超過2 000次均無固定失敗。t檢驗顯示，在可吸收螺釘PDS張力帶組，當加載500次和1 000次時，伸直位時骨折端位移較屈曲位時大(P=0.024和P=0.000)，而在第1次和100次無顯著性差異(P=0.846和P=0.867)；在AO張力帶組，屈曲位與伸直位骨折端位移均無顯著差異(P>0.05)。

3 討 論

Watkins等[3]研究證實髕骨有延長股四頭肌力臂，幫助伸膝的作用，切除髕骨后，伸膝活動中股四頭肌要多付出30%左右的力量，且髕骨有保護膝關節、增強股四頭肌肌力、在膝關節伸直到最后10°～15°起滑車作用。由于髕骨在膝關節活動中的功能，對髕骨骨折應盡量保留髕骨及使關節面恢復平整，減少髕股關節創傷性關節炎的發生，且治療骨折時，對股四頭肌腱擴張部有連續性中斷的，應加以修復。由于髕骨位于膝前皮下，易受到直接損傷，這些損傷常導致粉碎性或移位性骨折。間接損傷常由膝關節屈曲位股四頭肌強烈收縮所致。大部分髕骨骨折是由直接和間接暴力聯合作用所致。髕骨骨折造成的最重要影響為伸膝裝置的連續性喪失及潛在的髕股關節不協調。

圖1 可吸收螺釘PDS張力帶組與AO張力帶組伸直位時骨折端位移

圖2 可吸收螺釘PDS張力帶組與AO張力帶組屈曲位時骨折端位移

目前髕骨骨折手術治療的目的是：最大限度地恢復關節面的形態，力爭骨折解剖復位、關節面平滑，在恢復伸膝裝置連續性的基礎上，使膝關節盡早活動，發揮髕骨的生物力學功能，恢復關節功能，減少或避免繼發性創傷性關節炎的發生。

生物力學研究發現橫行髕骨骨折最牢固的固定方式是AO張力帶固定，包括一些改良的克氏針鋼絲張力帶固定，這也是目前臨床中應用最多且行之有效的固定方式。它具有固定強度大、價格低廉、操作簡便等優點，但是其亦有諸多不足之處。用克氏針鋼絲張力帶固定，由于針尾或鋼絲反復刺激軟組織形成滑囊炎、皮下觸痛，克氏針滑脫、鋼絲松動斷裂，甚至穿破皮膚引起感染、潰爛。由于克氏針、鋼絲強度大，應力遮擋作用明顯，影響骨折愈合，發生髕骨骨質疏松；骨折愈合后需二次手術取出內固定是此方法最大的不足之處，使患者遭受相當于第一次大小的手術創傷，影響膝關節功能恢復，有病例報道甚至發生內固定取出后再骨折，增加患者的經濟和精神負擔。這些并發癥的發生率大概是47%，而且15%與二次手術取出內固定有關[4]。Patel等[5]采用克氏針Ethibond不可吸收縫線張力帶固定橫行髕骨骨折能獲得牢固的固定，但還是無法避免再次手術取出內固定，可能手術創傷較前次手術有所減小。

理想的固定方式既要獲得固定的牢固性和穩定性，又能避免內固定造成的并發癥和二次手術所產生的創傷。可吸收螺釘作為一種新型的內固定材料，已有不少文獻報道，由于無需二次手術取出，近10余年來已得到廣泛應用。其具有良好的組織相容性及可降解性，無毒、無抗原性和致癌性，其成分為超高分子量PDLLA，在體內最終水解為H2O和CO2，應力逐漸轉移至骨組織，利于骨的重建，故能防止應力遮擋，其完全降解時間報道不一，通常12～18個月可完全降解吸收。可吸收螺釘存在一些其他內固定不具備的優點，可吸收材料在植入人體2 h后開始發生徑向膨脹，縱向收縮，產生自動加壓作用，可以使固定更加牢固；其拉伸強度大于等于40 MPa，彎曲強度大于等于80 MPa，與松質骨相當，其初始固定強度維持時間可達3個月，完全能滿足髕骨骨折固定時間的需要。允許骨折端產生微動，有利于骨折愈合。隨著其逐漸降解，應力逐漸轉移到愈合的骨折面上，利于骨密度的增加，減少骨質疏松的發生。PDS線可以維持強度56 d，3個月后開始降解吸收，6個月左右完全吸收，單股1-0 PDS線的最大拉力為97.48 N[6]，足以支撐骨折愈合獲得遠期效果，同時避免了二次手術所帶來的創傷，減輕了患者的經濟和精神負擔。

采用可吸收材料的張力帶可以解決金屬張力帶存在的部分缺陷，避免了二次手術，減少了患者的痛苦[7]。目前有很多臨床研究報道可吸收螺釘聯合PDS張力帶固定橫行髕骨骨折取得良好效果[8，9]，甚至認為可吸收螺釘聯合PDS張力帶可以取代AO張力帶固定橫行髕骨骨折，但多數術后采用石膏托外固定2～3周才開始膝關節功能鍛煉。雖然有研究[10]認為可吸收釘的生物強度已經能達到松質骨強度的20倍，能滿足髕骨骨折固定的強度要求，本研究亦發現可吸收螺釘聯合PDS張力帶固定橫行髕骨骨折不及AO張力帶固定牢固，輔助石膏或支具等外固定一段時間是必不可少的。謝楊等[11，12]用“微喬”1-0可吸收線與0.8 mm鋼絲張力帶行拉力試驗和疲勞試驗，認為可吸收線張力帶治療髕骨骨折的生物力學性能比鋼絲張力帶好，完全可替代鋼絲，由于可吸收線具有一定的彈性，單純使用可吸收線固定強度可能不夠，本研究結果顯示可吸收螺釘聯合PDS張力帶固定組骨折端位移在加載時(伸直位)與卸載時(屈曲位)有顯著性差異，這種彈性可能會導致退釘現象。

本研究表明：可吸收螺釘和PDS可吸收線雖然具有免除二次手術的優點，具有一定的彈性，但是其剛度不足，在試驗中螺釘對釘道的把持力不足，所以其固定的穩定性不佳，術后早期(2～3周內)應行外固定支具固定制動，待骨折端形成骨痂后去除外固定，在醫生指導下逐步進行關節鍛煉，與傳統的克氏針鋼絲張力帶法比較，其術后康復指導更為重要。由于長時間膝關節固定，勢必會產生關節僵硬，影響術后功能恢復，所以術者要充分衡量其利弊，即使目前很多文獻報道可吸收螺釘固定髕骨骨折取得良好的效果。

總之，可吸收螺釘彈性模量與松質骨相當，目前主要應用于松質骨骨折，髕骨骨折是松質骨骨折，也是關節內骨折，是很好的手術適應證。可吸收螺釘生物相容性好，又能避免二次手術取出內固定物，可避免金屬內植物的不良反應，但是其強度不及克氏針、鋼絲，抗扭轉能力差，擰入前必須先攻絲，螺釘對釘道的把持力差，加上PDS可吸收線具有一定彈性，固定牢固性不及AO張力帶，對于膝關節這類負重關節，內固定術后輔助外固定支具保護是必要的，并盡早進行膝關節的非負重功能鍛煉，避免術后發生關節僵硬。

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