股骨髓內釘近端不同方向鎖釘對內固定穩定性的生物力學對比研究

葉積飛++++++葉方++++++蘇琳珠

[摘要] 目的 對股骨髓內釘近端不同位置置釘的整體穩定性進行生物力學測試，為改進股骨髓內釘近端鎖釘的置釘方向提供生物力學依據。 方法 選用2016年7～8月Sawbones股骨標準骨8個分成小粗隆置釘組，行股骨髓內釘內固定，近端鎖釘按照不同方向置入，制作股骨中段骨折模型后進行軸向壓縮實驗，觀察比較兩組在相同軸向載荷下的壓縮位移和壓縮剛度結果。 結果 在相同壓縮載荷下（除了載荷為100 N時）標準組平均移位均大于小粗隆置釘組，當壓縮載荷在400 N及以上時，兩組數據比較T波動在2.522～3.135，差異均有統計學意義（P<0.05）；在壓縮剛度上：當壓縮載荷在700 N及以上時，兩組數據比較T波動在2.481～3.275，差異均有統計學意義（P<0.05）。 結論 當壓縮載荷≥700 N時，小粗隆置釘組壓縮位移小于標準組，而其壓縮剛度明顯大于標準組，說明小粗隆置釘組有更強的抗壓縮能力，能提供更好的抗壓、抗彎曲性能和更穩定的內固定。

[關鍵詞] 股骨；生物力學；內固定；髓內釘

[中圖分類號] R683 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-9701（2017）31-0012-05

[Abstract] Objective To carry out biomechanical test for the overall stability of different positions of nail placement in proximal femoral intramedullary nail， so as to provide biomechanical basis for the improvement of nail placement directions in the locking nails of proximal femoral intramedullary nail. Methods A total of 8 Sawbones femur standard bones were selected from July to August 2016 were divided into the standard group and the small trochanter nail placement group. They were given internal fixation of femoral intramedullary nail， and the proximal locking nails were placed in different directions. The axial compression experiment was performed after the middle femoral fracture model was prepared. The results of compressive displacements and compressive stiffness of the two groups under the same axial load were observed and compared. Results Under the same compressive load（except when the load was 100 N）， the average displacements in the standard group were all greater than those in the control group. When the compressive load was at 400 N and above， the T fluctuation in the comparison of data in the two groups was 2.522-3.135（P<0.05）， and there were all statistically significant differences； in terms of the compressive stiffness： When the compressive load was at 700 N and above， the T fluctuation in the comparison of data in the two groups was 2.481-3.275（P<0.05） and there were all statistically significant differences. Conclusion When the compressive load is ≥ 700 N， the compressive displacement in the small trochanter nail placement group is smaller than that in the standard group， and its compressive stiffness is significantly larger than that in the standard group， indicating that the small trochanter nail placement group has a stronger anti-compressive ability， which can provide better compression and bending resistance and more stable internal fixation.

[Key words] Femur；Biomechanics；Internal fixation；Intramedullary nailendprint

隨著社會的發展和進步，高能量損傷越來越多，股骨干骨折的發生率也逐年增加，患者多為20～40歲的青壯年男性，對康復及預后要求高，多數選擇手術治療，手術內固定方式有髓內釘、接骨板或外固定支架固定，髓內釘是治療股骨干骨折的首選方案[1-3]。但髓內釘治療股骨干骨折存在一定的骨折不愈合率，文獻報道在1%～20% 之間[4-6]。結合文獻報道和我們的經驗，骨折不愈合的一個重要原因是骨折術后內固定穩定性不足[7]，所以增加髓內釘固定后的穩定性是預防骨折不愈合的一項重要措施。

股骨髓內釘近端可選擇1枚朝下置入股骨矩方向的鎖釘，目前市面上股骨髓內釘的近端鎖釘置釘方向與股骨冠狀位平行，因股骨小粗隆存在一定的后傾角，所以該螺釘均從小粗隆前方骨質較為疏松的股骨內側皮質穿出，無法進入骨密度高的小粗隆尖部，影響螺釘的把持力。為了研究將近端螺釘置入小粗隆是否能增加股骨髓內釘固定股骨骨折的穩定性，設計了本生物力學實驗。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

選用由美國太平洋實驗室生產的第4代Sawbones標準股骨模型8根；內固定材料選用江蘇常州康輝醫療器械有限公司生產的股骨髓內釘。

1.2方法

8根股骨標準骨隨機分為標準組和小粗隆置釘組各4根。標準組按照股骨髓內釘置入步驟行內固定，小粗隆置釘組標本在置入股骨髓內釘后，暫不鎖定遠端2枚鎖釘，予適當旋轉髓內釘，使近端螺釘能從股骨小粗隆尖部穿出，最后再置入遠端鎖釘。兩組標本內固定完成后，所有標本均在距離股骨頭 20 cm 處將股骨干斜行截斷，完成AO分型A2型[8]股骨中段骨折模型的制備。為了模擬人單足站立時髖負重的力線，即在冠狀面股骨干內收位15°，在矢狀面上股骨干垂直，并保持5°～10°的內旋[9]，在水平截斷股骨髁部后，再楔形切除部分股骨遠端，是楔形尖部朝向股骨內側皮質。將股骨遠端包埋固定，近端股骨頭中心對準上方壓力傳動桿中心，壓力傳動桿探頭感應到的加載應力的改變，位移、應力的數據以連續曲線的形式在配套電腦上自動記錄。設定軸向加載速度2 mm/min，加載應力0～1500 N，每個標本分別加載4次，一次加載完成后將應力緩慢勻速撤除清零，間斷1 min 后繼續行第2次加載，以此類推，取第4次所得曲線，分別選取加載 100 N、200 N、300 N、400 N……1500 N（間隔 100 N）時的位移值，計算各種不同載荷下內植物固定后的壓縮剛度（載荷/位移）。

1.3統計學方法

將數據導入Excel 2013圖表，應用SPSS 19.0軟件分析，計量資料以均數±標準差（x±s）表示，采用t檢驗，P<0.05為差異有統計學意義。

2結果

2.1不同負荷作用下的位移比較

分別選擇8個實驗標本100 N 加載應力時的位移值，計算平均位移，同理記錄并計算200 N、300 N、400 N……1500 N（間隔100 N）時的平均位移值，并將上述平均值繪制成載荷-位移曲線圖。除加載100 N 壓縮載荷時標準組移位較小粗隆置釘組小，其余壓縮載荷下標準組移位均大于小粗隆置釘組，進一步t檢驗提示，當壓縮載荷在300 N 及以下時，兩組數據無顯著性差異；當壓縮載荷在 400 N 及以上時，兩組數據有統計學差異，即標準組位移明顯大于小粗隆置釘組，說明小粗隆置釘組有更強的穩定性。見表1。

2.2 不同壓縮載荷下的壓縮剛度比較

壓縮剛度的計算方式：載荷/位移。結果提示壓縮載荷在100～300N時壓縮剛度尚不穩定，但從 400 N 開始兩組的壓縮剛度均呈線性上升，且小粗隆置釘組壓縮剛度均大于標準組，進一步t檢驗顯示，當壓縮載荷在 600 N 及以下時，兩組壓縮剛度無統計學差異；當壓縮載荷在700 N及以上時，兩組壓縮剛度數據比較有統計學差異，即標準組的壓縮剛度明顯小于小粗隆置釘組，說明小粗隆置釘組有更強的抗壓縮能力。見表2。

3 討論

3.1 髓內釘治療股骨干骨折骨不愈合的原因分析

股骨干骨折是一種臨床上非常常見的骨折，骨折發生后采用閉合復位髓內釘內固定是治療股骨干骨折的首選方案[1-3]。但髓內釘治療股骨干骨折存在約1%～20% 之間的骨折不愈合率，骨不愈合的原因很多[10，11]，主要分為全身因素和局部因素。

全身因素[12]包括高齡、營養狀況不良、激素類藥物或抗凝及非甾體類抗炎藥物的應用、燒傷和放射性損傷等。一些學者[13-14]均通過對比研究發現，非甾體類抗炎藥（NSAID）在預防異位骨化時同時會顯著增加骨折不愈合的發生概率，因此他們建議股骨干骨折患者術后避免使用NSAID藥物。賈金生等[15]認為營養不良、慢性消耗性疾病、放化療治療、應用激素、吸煙等被認為是骨折不愈合的原因。與其相同觀點的，Taitsman LA等[16]也認為吸煙是髓內釘治療股骨干骨折術后骨不連的重要危險因素。

相對全身因素，局部因素涉及的原因則更多，如骨折的不同類型和局部血供不足、骨折的復位情況和髓內釘的選擇是否恰當、骨缺損與是否植骨、術后是否感染、術后功能鍛煉是否恰當等。Metsemakers WJ等[17]認為骨折分型不同是骨折不愈合的危險因素。Malik MH等[18]研究得出的結論是開放性骨折是術后骨不愈合的重要因素之一。當然，各種原因造成的血供不足也可導致萎縮型股骨干骨不愈合[19]，如手術操作欠妥、手術醫生操作不規范、開放復位、骨膜剝離范圍過大等都會影響骨折端血供，造成骨折不愈合。股骨干骨折后復位固定時處理盡量解剖復位，還需要選擇大小合適的髓內釘，保證內固定后的穩定性，因為力學上的不穩定是骨折不愈合的重要原因[7]，一些人[20-21]認為髓內釘置入后力學不穩定的主要原因：髓內釘直徑過小，與股骨髓腔不符；髓內釘長度不足；鎖定螺釘斷裂導致鎖定強度下降；髓內釘主釘、鎖定螺釘周圍的骨溶解導致松動。也有較多研究[4，22-23]表明，術中沒有擴髓是髓內釘治療股骨干骨折患者發生骨不愈合的主要原因。endprint

結合我們的經驗，骨折內固定的穩定是骨折愈合的重要因素，所以術中必須通過各種方式盡量增加骨折端的穩定性，才能降低骨折不愈合的發生率。

3.2 使用標準骨進行本研究的優勢

生物力學實驗中使用的實驗模型材料來源主要有兩種：尸體骨和人工骨材料。尸體骨為真實骨，其解剖和力學特性最接近和符合活體的實際情況，所以既往試驗中使用較多[24-27]。但使用尸體骨進行實驗有很多限制：①來源有限；②費用昂貴；③尸體骨多為福爾馬林中浸泡多時的非新鮮標本，因為水分丟失等原因，與活體骨標本存在一定的生物力學差異，影響實驗結果的準確性；④操作及保存不方便；⑤生物力學實驗要求實驗標本之間力學特征盡量一致，但由于不同年齡、性別及人種間的尸體骨均存在一定差異，尤其是骨密度的差異會對實驗結果產生很大的影響，所有這些都會影響到試驗的精確性。因此，如果樣本數不多，使用尸體骨模型得出的最終結論可能缺乏準確性。

而人工標準骨是根據正常人體解剖參數生產出來的仿生骨，其解剖特性和人體正常骨骼形態相仿，不同材料所制備的人工骨可分別代表與其性質特征相似的松質骨與皮質骨，目前已有很多報道證實人工骨產品與人體骨具有相似的材料及結構屬性，使用人工骨模型進行生物力學實驗的文獻報導也越來越多[28-30]，姜滔等[31]通過對Sawbone合成材料和尸體骨材料制作的股骨轉子間不穩定骨折模型間的力學性質差異進行比較，最后結論認為最新一代的人造生物力學材料模型（即第4代Sawbones標準股骨模型）不僅在外觀形態上，并且在物理性質上已經非常地接近人體骨骼，可以基本模擬正常人體骨骼系統，可替代傳統的尸體骨進行各種力學測試。本實驗所使用的第4代Sawbones股骨人工骨是由美國太平洋實驗室生產的，近年來，已有很多研究者在不同實驗條件下Sawbone人工骨的力學特性和尸體骨進行比較，結果提示，在以壓應力為主的受試條件下，其彎曲剛度與尸體骨基本相似，而其旋轉剛度較尸體骨差，所以在本研究所進行的軸向壓縮載荷實驗使用人工骨代替尸體骨對實驗結果的準確性不會產生任何不良影響。而且，使用人工骨模型最大的優勢在于標本間力學性質具有高度一致性，可以基本消除因樣本間的差異所導致的結果偏倚，實驗結果可信度更高。另外，與尸體骨模型相比，人工骨可以批量生產，來源不受限制，獲得容易，而且保存和操作較尸體骨簡單。所以，使用人工骨標準骨進行生物力學實驗將會越來越受歡迎。

3.3 實驗結果分析

在壓縮試驗中，壓縮剛度表示內固定的穩定程度，與骨折后內固定的穩定性呈正比，本實驗中，當壓縮載荷在600 N及以下時，兩組壓縮剛度無統計學差異，考慮壓縮載荷不大時，骨折斷端尚未完全接觸，內固定尚未完全穩定，故兩組壓縮剛度無明顯差異；當壓縮載荷在700 N及以上時，骨折端已完全接觸，而此時兩組數據存在明顯差異，標準組的壓縮剛度明顯小于小粗隆置釘組，說明小粗隆置釘組有更強的抗壓縮能力，可以提供更好的抗壓、抗彎曲性能。對于一個50～60 kg的股骨骨折患者來說，行標準組或小粗隆置釘組方式髓內釘內固定治療后，僅靜態負重情況下，兩組差異不大，但在進行行走、跑步、爬樓梯等動作時股骨頭需承擔等于體重多倍的應力，此時，如果行小粗隆置釘可以為髓內釘治療股骨骨折提供更好的穩定性，提高骨折愈合率，減少髓內釘內固定術后骨不愈合的失敗率。結合我們之前在解剖學研究上所得到的結果，我們有理由相信，小粗隆置釘組因為有更長的螺釘置入更堅硬的股骨小粗隆，螺釘擁有更好的把持力，所以更具有優勢。

3.4 本研究的意義

股骨髓內釘是治療股骨干骨折的首選治療方案，為了較少術后骨折不愈合的發生，需最大程度增加內固定的穩定性，除了既往常規方法，如增加髓內釘直徑、使用擴髓髓內釘等，我們更改了髓內釘近端螺釘的置釘方向，并通過設計生物力學實驗的方式，證實了更改后將股骨髓內釘近端螺釘置入小粗隆，能提供較普通置釘方法更強的穩定性，特別對于老年骨質疏松或股骨上下直徑髓腔差異較大而無法置入合適大小髓內釘的患者，我們的設計將能顯著提高他們內固定術后的穩定性。基于我們的研究結果，我們建議髓內釘生產廠家適當改變髓內釘近端鎖釘的位置和方向，以生產出更加合理的股骨髓內釘，減少術后骨折不愈合的發生率，造福于患者。

3.5 本實驗存在的不足

本研究的局限性在于實驗標本數量相對偏少，樣本量不足，各組數據之間誤差較大，結果可能會存在偏倚；在實驗模型制作過程中，每個標本之間造模無法完全一致；本研究僅進行了股骨骨折AO分型A2型的實驗，缺少其他類型骨折的實驗數據；未進行扭轉實驗，在扭轉剛度上兩組是否有差異無法得知。

通過上述生物力學實驗研究，我們知道當壓縮載荷到達一定時，小粗隆置釘組壓縮位移小于標準組，而其壓縮剛度明顯大于標準組，說明小粗隆置釘組有更強的抗壓縮能力，可以提供更好的抗壓、抗彎曲性能和更穩定的內固定，能減少內固定失敗率，提高骨折愈合率。

[參考文獻]

[1] Mohammad T，Sawati A，Ahmed A，et al. Outcomes in closed reamed interlocking nail in fractures of shaft of femur[J]. J Ayub Med Coll Abbottabad，2015，27（4）：811-816.

[2] Ricci WM，Gallagher B，Haidukewych GJ. Intramedullary nailing of femoral shaft fractures： Current concepts[J]. J Am Acad Orthop Surg，2009，17（5）：296-305.

[3] 李文銳，許碩貴，禹寶慶，等. 股骨骨折骨不連的生物力學因素及其對策[J]. 中華創傷雜志，2003，（10）：27-30.endprint

[4] Canadian OTS. Nonunion following intramedullary nailing of the femur with and without reaming. Results of a multicenter randomized clinical trial[J]. J Bone Joint Surg Am，2003，85-A（11）：2093-2096.

[5] Wolinsky PR，McCarty E，Shyr Y，et al. Reamed intramedullary nailing of the femur：551 cases[J]. J Trauma，1999，46（3）：392-399.

[6] Wu CC，Chen WJ. Treatment of femoral shaft aseptic nonunions：Comparison between closed and open bone-grafting techniques[J]. J Trauma，1997，43（1）：112-116.

[7] Park J，Kim SG，Yoon HK，et al. The treatment of nonisthmal femoral shaft nonunions with im nail exchange versus augmentation plating[J]. J Orthop Trauma，2010， 24（2）：89-94.

[8] Hak DJ，Neiman R，Hazelwood S. Biomechanical strain analysis of the proximal femur following retrograde intramedullary nailing[J]. Curr Orthop Pract，2010，21（4）：385-389.

[9] Bong MR，Patel V，Iesaka K，et al. Comparison of a sliding hip screw with a trochanteric lateral support plate to an intramedullary hip screw for fixation of unstable intertrochanteric hip fractures：A cadaver study[J]. J Trauma，2004，56（4）：791-794.

[10] 金軍偉，趙剛. 股骨骨不連二次手術原方案固定的合理性分析[J]. 中國骨傷，2016，（1）：48-51.

[11] 劉炎，丁真奇. 鎖定鋼板輔助固定治療股骨髓內釘術后骨不連[J]. 中國骨傷，2016，（12）：1150-1153.

[12] 吳啟順，劉亮，栗樹偉，等. 鎖定接骨板治療長骨骨折術后骨不愈合的療效分析[J]. 中華創傷骨科雜志，2016，18（4）：355-358.

[13] Giannoudis PV，MacDonald DA，Matthews SJ，et al. Nonunion of the femoral diaphysis. The influence of reaming and non-steroidal anti-inflammatory drugs[J]. J Bone Joint Surg Br，2000，82（5）：655-658.

[14] Burd TA，Hughes MS，Anglen JO. Heterotopic ossification prophylaxis with indomethacin increases the risk of long-bone nonunion[J]. J Bone Joint Surg Br，2003，85（5）：700-705.

[15] 賈金生，范步新，劉書茂，等. 股骨干骨折帶鎖髓內釘固定術后骨折不愈合臨床原因分析[J]. 生物骨科材料與臨床研究，2012，（5）：42-45.

[16] Taitsman LA，Lynch JR，Agel J，et al. Risk factors for femoral nonunion after femoral shaft fracture[J]. J Trauma，2009，67（6）：1389-1392.

[17] Metsemakers WJ，Roels N，Belmans A，et al. Risk factors for nonunion after intramedullary nailing of femoral shaft fractures： Remaining controversies[J]. Injury，2015，46（8）：1601-1607.

[18] Malik MH，Harwood P，Diggle P，et al. Factors affecting rates of infection and nonunion in intramedullary nailing[J]. J Bone Joint Surg Br，2004，86（4）：556-560.

[19] 黃海安. 30例股骨干骨折骨不連原因分析及治療對策[J]. 中國實用醫藥，2013，（8）：110-111.

[20] 張勇，黃立新，董天華. 股骨骨折髓釘固定術后延遲愈合及不愈合原因分析[J]. 實用骨科雜志，2011，17（3）：218-223.

[21] 馬顯志，張伯松，王滿宜，等. 輔助鋼板治療股骨干骨折髓內釘固定術后骨折不愈合的生物力學研究[J]. 中華創傷骨科雜志，2016，18（2）：158-162.endprint

[22] Duan X，Li T，Mohammed AQ，et al. Reamed intramedullary nailing versus unreamed intramedullary nailing for shaft fracture of femur：A systematic literature review[J]. Arch Orthop Trauma Surg，2011，131（10）：1445-1452.

[23] 曾凌風，艾昌淼，朱國權，等. 對行帶鎖髓內釘固定術的股骨干骨折患者發生術后骨折端延遲愈合及不愈合原因的分析[J]. 當代醫藥論叢，2015，（6）：205-207.

[24] 王新家，李晶. 改良梅花型交鎖髓內釘固定股骨粗隆下骨折的生物力學研究[J]. 中國骨與關節損傷雜志，2013，（6）：520-521.

[25] 陳龍，水小龍，陳輝，等. 兩種方法治療股骨轉子間骨折的生物力學比較[J]. 浙江創傷外科，2010，（6）：705-707.

[26] 蘇嘉，張鴻振，郭曉山. 前臂縱向不穩定的生物力學研究[J]. 浙江創傷外科，2013，（1）：16-18.

[27] 余可和，洪建軍，陳臨煒，等. 空心螺釘與重建鋼板固定恥骨聯合分離的生物力學穩定性比較[J]. 醫用生物力學，2010，（6）：475-478.

[28] Han W，Song J，Wang GZ，et al. A new kinematics method of determing elbow rotation axis and evaluation of its feasibility[J]. Beijing Da Xue Xue Bao，2016，48（2）：218-223.

[29] Park CN，Nawabi DH，Christopher J，et al. Robotic-assisted femoral osteochondroplasty is more precise than a freehand technique in a Sawbone model[J]. J Hip Preserv Surg，2015，2（2）：136-144.

[30] Hill C，Wingerter S，Parsell D，et al. Vertebral compression model and comparison of augmentation agents[J]. Evid Based Spine Care J，2011，2（1）：23-27.

[31] 姜滔，呂一，沈建國，等. Sawbones人工合成骨和尸體骨的生物力學比較研究[J]. 中醫正骨，2010，（5）：15-18.

（收稿日期：2017-08-19）endprint