下脛腓鎖定鈦纜與螺釘的生物力學比較

姚樹智，劉松春，左 浩，劉 磊，白 洋，苗旭漫

(解放軍208醫院骨科中心，吉林 長春130062)

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下脛腓鎖定鈦纜與螺釘的生物力學比較

姚樹智，劉松春，左 浩，劉 磊，白 洋，苗旭漫*

(解放軍208醫院骨科中心，吉林 長春130062)

在臨床上，較嚴重的踝關節骨折經常合并下脛腓聯合的損傷。為達到早期功能鍛煉的目的，手術治療仍是這類病人的有效治療手段。固定下脛腓聯合目前最常用的是全螺紋螺釘固定，屬于堅強固定，無法保證下脛腓聯合在各方向的微動，在負重前還需要手術取出固定下脛腓聯合的螺釘，增加一次手術的風險，又加重患者經濟負擔。在充分分析各種固定方法的優缺點的基礎上，筆者設計出下脛腓鎖定鈦纜固定裝置(專利號ZL201220440579.X)，更符合下脛腓聯合的生理狀態，可以作為治療下脛腓聯合損傷的有效手段。本實驗擬觀察下脛腓鎖定鈦纜固定裝置的生物力學性能，從分離位移及抗分離載荷兩方面評價其抗失效性能，并與拉力螺釘內固定進行比較。

1 材料與方法

1.1 下脛腓鎖定鈦纜固定裝置的結構 下脛腓鎖定鈦纜固定裝置的核心是靠鈦纜固定下脛腓聯合，借助外側卡塊及內側鎖塊將鈦纜固定，可配合腓骨接骨板使用，也可單獨應用于下脛腓聯合損傷。該裝置符合下脛腓關節的生理特性，既有足夠的橫向強度，又有旋轉及前后、上下方向的微動，符合踝部生物力學特點，跨四皮質固定可以保證固定強度，能夠克服拉力螺釘各方向堅強固定帶來的斷釘等并發癥(見圖1)。經前期生物力學測試，該裝置可避免堅強固定的應力遮擋，固定后即可提供足夠堅強的橫向抗分離作用。待損傷愈合后與接骨板一同取出，免除提前取釘的手術，即使固定幾個月后鈦纜斷裂，下脛腓韌帶已經牢固愈合，并且由于內外側跨四皮質固定，取出內固定也非常簡單。

圖1 下脛腓鎖定鈦纜固定裝置

1.2 標本制作和分組 取12個成人尸體小腿標本，左側6個，右側6個，經大體觀察及X線透視均證實無骨質破壞和結構異常。標本均從脛骨結節處水平截斷，脛腓骨近側斷端包覆牙托粉使其平整并與小腿長軸垂直，剝離踝部軟組織，保留踝關節周圍韌帶，切斷內踝三角韌帶深層，在距外踝尖8 cm處截斷腓骨，并向遠端切開骨間膜及下脛腓聯合韌帶，制做旋前-外展型Ⅲ度踝關節骨折模型，腓骨骨折處用接骨板固定，在距脛關節面上方3 cm處由腓骨向脛骨水平鉆孔，且與冠狀面成30度夾角。鈦纜組用自行研制的下脛腓鎖定鈦纜固定，螺釘組擰全螺紋螺釘固定。每組標本再隨機分為A、B組，各3個，B組分別進行10 000次充分屈伸活動模擬疲勞失效。所有標本制作均由同一臨床骨科醫生完成。生物力學測試均在吉林大學機械科學與工程學院力學實驗中心SCC-44100電子萬能試驗機上完成。踝關節取背伸10°體位，制作專門足墊，對所有標本進行壓力-分離試驗，每個標本加載3次，結果取均值。最后對所有標本行抗分離載荷試驗。分析比較2種方案的抗失效生物力學性能。所有標本制作后保存在零下20℃低溫冰箱，實驗開始前5小時取出室溫下緩慢復溫。

1.3 壓力-分離實驗 本實驗主要檢測固定裝置的橫向穩定性(見圖2)。在下脛腓聯合處的脛骨及腓骨上安裝豎直金屬卡塊，以百分表頂住卡塊，上下滑動標本并調整卡塊使其互相平行，將標本安裝于SCC-44100電子萬能試驗機上，足底墊足墊保持背伸10°體位，在實驗開始前，每具標本預先加載5次以消除韌帶蠕變?；A加載壓力100N，保證標本固定，安裝百分表，記錄基礎讀數，然后垂直加載200N、400N、600N、800N。各組均采取同樣的實驗方法實驗條件和加載負荷，加載后用百分表測量不同載荷下的分離位移值，每個標本加載三次，記錄每次分離值并與基礎讀數求差值，做為該次測量的值，三次測量的平均值做為該標本的實驗值。每組標本測量后將資料計入統計數據，得出均值及標準差，并做方差齊性分析。

1.4 最大分離載荷實驗 在各標本下脛腓聯合處安裝分離鉤，在SCC-44100電子萬能試驗機上逐漸加載分離拉力，直至固定失效下脛腓聯合處完全分離(見圖3)，記錄最大分離載荷值。每個標本測量后，進行統計學分析。

圖2 壓力-分離實驗

圖3 最大分離載荷試驗

2 結果

2.1 各組壓力-分離實驗的結果 各組標本在背伸10°體位下進行壓力-分離加載，測得分離值，經方差齊性分析，各組間方差的差別無統計意義，說明總體方差相等，可以進一步應用。

表1 各組壓力-分離變化值(與基礎壓力100N時比)

注：與鈦纜A組相比，鈦纜B組數值無統計意義差異；與螺釘A組相比，螺釘B組(1)P<0.05.

通過比較表1中數值，可以發現，不同壓力下鈦纜A組及鈦纜B組的壓力-分離值無統計意義的差異；而螺釘組除200N壓力外，螺釘B組的壓力-分離值均比螺釘A組增大且有統計學差異(P<0.05)，也就是說經模擬疲勞失效試驗后，下脛腓鎖定鈦纜的壓力-分離值并沒有明顯變化，而螺釘組則明顯增大，說明在抗疲勞分離特性方面，下脛腓鎖定鈦纜要優于傳統下脛腓拉力螺釘。

2.2 最大分離載荷實驗的結果 見表2。將記錄的分離載荷值首先經方差齊性分析，各組方差的差別無統計意義，說明總體之差相等，可以進一步應用。

表2 最大分離載荷值

注：縱向，與鈦纜A組相比，螺釘A組(1)P<0.05，與鈦纜B組相比，螺釘B組(2)P<0.01；橫向，鈦纜A組與鈦纜B組相比無統計意義差異(P>0.05)，與螺釘A組相比，螺釘B組(3)P<0.05

經模擬疲勞失效試驗后，鈦纜B組與鈦纜A組相比，最大分離載荷值無統計意義差異，而螺釘B組則較螺釘A組明顯下降(P<0.05)，說明鈦纜固定下脛腓聯合比拉力螺釘固定具有更好的抗疲勞性能。實驗中鈦纜結合接骨板固定后，給予最大拉應力時是鈦纜最終斷裂導致固定失效的，而拉力螺釘固定是螺釘與脛骨之間的松脫導致失效，這也是鈦纜組的最大分離載荷均大于螺釘組的原因?？梢钥闯觯旅勲桠伬|固定比傳統螺釘固定具有更大的橫向抗分離性能，且抗疲勞性能也優于螺釘固定。

3 討論

踝關節損傷約占全身骨關節損傷的四分之一，其中下脛腓聯合損傷發生率最高可達10%以上，多與骨折脫位合并損傷，也可單獨發生。脛骨、腓骨下端的內外踝及距骨是構成踝關節的骨性結構，下脛腓聯合韌帶則是維持踝關節穩定的重要結構之一。如果下脛腓聯合有分離，踝穴的寬度增加，使距骨在踝穴內活動度增加，即可造成踝關節不穩定。臨床上常見的下脛腓聯合分離伴腓骨下端骨折會導致踝關節嚴重失穩，這時必須將腓骨下端骨折及下脛腓關節正確復位、牢固固定，以充分滿足踝關節的穩定性與負重要求；另一方面，正常下脛腓聯合是一個微動關節，在踝關節從跖屈到背伸，踝穴寬度可增加1.5 mm，并可有5°-6°的旋轉[1]，而在踝關節正?；顒訒r，腓骨還有相對脛骨向遠端的位移，這種解剖特點決定了其固定方式的特殊性。陳大偉等研究也證實，下脛腓聯合為微動關節，遠端腓骨相對運動與踝關節體位及受力方式有關，臨床治療下脛腓聯合損傷需考慮其生理微動性[2]。

臨床上應用最廣泛的下脛腓拉力螺釘，屬于堅強固定，在固定早期可提供足夠的抗分離拉力；但其缺點也是堅強固定，固定后無法保證脛腓骨間各方向的微動，隨著康復過程中踝關節的活動，其釘-骨界面會逐漸出現松動，其抗分離性能也隨之降低，數月后出現斷釘的情況亦不少見，因此要求臨床醫生在下脛腓韌帶愈合后、病人完全負重前要手術取出下脛腓拉力螺釘，這就增加了一次手術痛苦及手術風險。在臨床上，下脛腓聯合損傷的治療方法還有可吸收螺釘、拉環、絆鈕扣鋼板等，但在一定程度上存在早期折斷、拉力不足、安裝不便及應用局限等不足。臨床上治療下脛腓聯合損傷時應重視下脛腓聯合解剖特點，兼顧牢固固定和局部微動的方法將是更合理、更有利于功能恢復的治療手段。我們創造性地將醫用鈦纜應用于下脛腓聯合的固定中，設計了下脛腓鎖定鈦纜固定裝置，充分發揮鈦纜柔韌、堅固的特性，既能保證橫向的固定強度，又允許下脛腓間有縱向及旋轉微動。有文獻表明，鈦纜與傳統鋼絲相比，其拉力強度、抗疲勞能力及抗磨損程度均明顯增強，分別是同直徑鋼絲的3-6倍和9-48倍[3]。

本實驗采用鈦纜固定下脛腓聯合損傷，并與傳統螺釘固定進行對比測試，觀察模擬疲勞失效試驗對不同固定方法的影響。分析實驗數據可以發現，下脛腓鈦纜固定比傳統螺釘固定具有更大的橫向抗分離性能，同時局部微動的非剛性固定特點使其抗疲勞失效性能亦優于傳統下脛腓拉力螺釘，具有良好的應用前景。

[1]毛賓堯．踝足外科學[M]．第2版．北京：科學出版社，2007：399．

[2]陳大偉，李春光，李 兵，等．下脛腓聯合相對運動生物力學研究[J]．國際骨科學雜志，2015，36 (1)：57．

[3]葉添文，李 陽，歐陽躍平，等．醫用鈦纜在髕骨粉碎性骨折治療中的應用[J]．中國矯形外科雜志，2009，17(4)：268．

吉林省衛生計生委課題(2014ZC048)

1007-4287(2016)11-1920-03

姚樹智，醫學博士，副主任醫師，主要從事創傷骨科的基礎與臨床研究。

2016-02-14)

*通訊作者