雙頭空心加壓螺釘固定前交叉韌帶脛骨止點撕脫骨折的生物力學研究*

張志偉，楊程惠，劉俊才，李仁明，赫明亮，岳永川，李忠

（1.四川省自貢市第四人民醫院 骨科，四川 自貢 643000；2.電子科技大學 生物工程系，四川 成都 610066；3.西南醫科大學附屬醫院 骨與關節外科，四川 瀘州 646000）

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）脛骨止點撕脫骨折由PONCET在1875年提出，發生率約為每年3/10萬，占整個ACL損傷的14%，近年該骨折的發病率呈上升趨勢[1-3]。目前，針對常見的Ⅱ、Ⅲ型骨折（Meyers分型[4-5]），多數學者主張解剖復位及堅強內固定，以恢復ACL的生物力學及股骨-ACL-脛骨復合體（femur-ACL-tibia complex，FATC）的連續性[6-7]，常用的方法為關節鏡下復位螺釘或縫線內固定[8-9]。

雖然上述方式在臨床取得了滿意療效，但仍有缺陷，如：縫線固定手術技術較高、時間較長，術后制動時間較長，易致關節僵直，若經過骺板易致兒童生長受限[10]；錨釘固定手術技術較高、時間較長，費用較高[11-12]；空心拉力螺釘螺帽易致髁間窩撞擊，影響關節功能[13]；可吸收螺釘易致關節游離體，損傷關節軟骨。而雙頭空心加壓螺釘固定牢靠，螺帽可擰入骨質內，可避免發生髁間窩撞擊，其雙螺紋結構固定力量可能強于空心拉力螺釘及縫線。查閱文獻未見報道雙頭空心加壓螺釘固定ACL脛骨止點撕脫骨折的生物力學研究，故假設雙頭空心加壓螺釘固定ACL脛骨止點撕脫骨折的生物力學不差于空心拉力螺釘及縫線，且可避免發生髁間窩撞擊。

因此，本實驗擬通過雙頭空心加壓螺釘、空心拉力螺釘及縫線固定ACL脛骨止點撕脫骨折的生物力學強度比較，以探究雙頭空心加壓螺釘固定ACL脛骨止點撕脫骨折的生物力學效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本實驗為作者在西南醫科大學讀研究生期間完成（2016年1月-2017年2月，在四川大學生物力學實驗室完成標本造模、力學測試及數據收集；在西南醫科大學生物力學實驗室完成數據處理及分析）。選擇30例年齡約1歲、體重約100 kg、骨密度無明顯差異的豬膝關節（普通豬系）作為樣本。-20℃環境下保存，測試前常溫下放置24 h解凍。用手術刀剔除除FATC以外的組織，用自凝牙托粉（義齒基聚合物，山西長治齒科材料有限公司）包埋樣本兩端。使用骨刀將ACL脛骨止點制成30.0 mm（長）×15.0 mm（寬）×8.5 mm（深）的骨折塊，以模擬Ⅲ型骨折[14-15]。按隨機數字表法將30例樣本分為A組（雙頭空心加壓螺釘，常州華森醫療器械有限公司）、B組（空心拉力螺釘，常州華森醫療器械有限公司）及C組[縫線，強生（上海）醫療器械有限公司]，每組10例。3組樣本的年齡、體重、骨密度和骨折塊的大小比較，差異無統計學意義（P＞0.05），具有可比性。見表1。

1.2 固定步驟

1.2.1 A和B組步驟如下：①將膝關節屈曲90°；②在直視下解剖復位骨塊，并使ACL呈松弛狀態，以免影響骨折復位后的位置及內固定的置入位置；③以骨塊中心為入針點，通過電鉆從上到下、由前內向后外（與脛骨矢狀面及冠狀面呈30°）方向置入一直徑為2.5 mm的克氏針臨時固定骨塊；④C臂透視克氏針位置準確后，用空心鉆沿克氏針方向擴孔，測深器測量骨隧道深度；⑤根據所測的深度，A、B組分別置入一直徑3.5 mm、長42.0 mm的相應螺釘行單皮質固定；⑥記錄兩組螺帽埋入骨塊內情況。見圖1。

1.2.2 C組步驟如下[14]：①將膝關節屈曲90°；②在直視下解剖復位骨塊后，并使ACL呈松弛狀態；③將ACL瞄準器設置在55°，從脛骨結節內側置入直徑為2.5 mm的導針，在骨塊中心外側10.0 mm處穿出；④將ACL瞄準器設置為48°，在脛骨結節第一孔內側1.0 cm處置入直徑為2.5 mm的導針，從骨塊中心內側10.0 mm處穿出；⑤用2.5 mm的過線導針將2條2號UltraBraid縫線[16]穿過隧道，將縫線從骨塊上方、ACL基底部前中、中后1/3處穿過韌帶后經內外側隧道導出；⑥再次復位骨塊后，拉緊縫線，打5個結固定。見圖2。

表1 3組樣本的基本資料比較 （±s）Table 1 Comparison of basic information among three groups （±s）

表1 3組樣本的基本資料比較 （±s）Table 1 Comparison of basic information among three groups （±s）

骨折塊的大小/mm長度 寬度 深度A組（n=10） 371.80±1.55 99.80±3.33 0.05±0.47 30.80±1.75 15.80±1.81 8.77±0.44 B組（n=10） 370.90±1.45 99.60±3.50 0.01±0.42 31.70±2.26 15.50±1.58 8.87±0.46 C組（n=10） 371.50±1.58 99.50±3.54 0.01±0.48 31.00±2.26 16.00±1.33 8.81±0.33 F值 0.90 0.02 0.96 0.50 0.25 0.15 P值 0.418 0.981 0.909 0.610 0.780 0.864組別 年齡/d 體重/kg 骨密度/T

圖1 A和B組螺釘復位固定ACL脛骨止點撕脫骨折Fig.1 Fixation of ACL tibial avulsion fracture with screw in group A and B

1.3 生物力學測試

1.3.1 實驗環境所有測試在常溫下進行，用0.9%氯化鈉保持樣本濕潤，以避免韌帶干燥，變性。將樣本安裝在電子萬能試驗機（AU-IS20，日本島津制作所）上，調整膝關節為60°位，以使得負載時作用力能最大程度的作用于ACL[17]。見圖3。

1.3.2 預處理測量前，用10 N的力量持續15 s對樣本作預處理。

1.3.3 循環負載測試通過施加60 Hz，0～40 N的作用力對樣本進行10圈的循環負載測試[15]，利用計算機（電子萬能試驗機的配套設備）獲得負載-位移曲線圖及初始位移數據。初始位移為第二圈至第九圈的平均值。有學者認為循環負載圈數至少需超過1 000圈，但本實驗主要是探究術后早期階段制動條件下的位移情況，10圈足以反映該初始位移[14]。

圖2 C組縫線固定ACL脛骨止點撕脫骨折Fig.2 Fixation of ACL tibial avulsion fracture with suture in group C

圖3 樣本安裝示意圖Fig.3 Sketch map of sam p le installation

1.3.4 失效負載測試通過對脛骨施加作用力，使脛骨近端以1 mm/s的速度向前移動來檢測失效負載，模擬前抽屜試驗，以50 Hz的頻率記錄施加的負載及ACL的延伸長度，制成負載-延伸曲線圖，并得出峰值負載及屈服負載的數值。

1.4 失效類型觀察

測試完成后，仔細觀察每個樣本的失效類型、ACL損傷、縫線損傷及釘道損傷情況。

1.5 統計學方法

實驗資料采用SPSS 17.0軟件進行統計分析。計量資料用均數±標準差（±s）表示。兩組比較用獨立樣本t檢驗，多組間比較用單因素方差分析，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 樣本處理情況

所有樣本造模成功，骨折塊完整，周圍結構完整，均解剖復位，3種內固定材料固定骨塊的位置準確無誤。整個實驗未見明顯的韌帶干燥，變性。

2.2 生物力學結果

2.2.1 A和B組A組的峰值負載及屈服負載明顯大于B組，差異有統計學意義（P＜0.05），A組的初始位移明顯短于B組，差異有統計學意義（P＜0.05），見表2、圖4和5。A組的螺帽均埋入骨塊內，B組的螺帽均明顯突出于ACL實質，見圖6。

2.2.2 A和C組表3顯示，C組中峰值負載與屈服負載是同一值。A組的峰值負載與C組無明顯差異（P＞0.05）。A組的屈服負載明顯小于C組，差異有統計學意義（P＜0.05）。A組的初始位移明顯短于C組，差異有統計學意義（P＜0.05），且A組所有樣本的初始位移均短于C組。

表2 A組與B組生物力學比較 （±s）Table 2 Comparison of biomechanical analysis between group A and group B （±s）

表2 A組與B組生物力學比較 （±s）Table 2 Comparison of biomechanical analysis between group A and group B （±s）

組別 峰值負載/N 屈服負載/N 初始位移/mm A組（n=10） 443.10±8.54 398.10±14.21 1.38±0.14 B組（n=10）361.70±18.76 324.80±17.50 1.94±0.12 t值 12.49 10.28 -9.42 P值0.0000.0000.000

表3 A組與C組生物力學比較 （±s）Table 3 Comparison of biomechanical analysis between group A and group C （±s）

表3 A組與C組生物力學比較 （±s）Table 3 Comparison of biomechanical analysis between group A and group C （±s）

組別 峰值負載/N 屈服負載/N 初始位移/mm A組（n=10） 443.10±8.54 398.10±14.21 1.38±0.14 C組（n=10） 457.00±26.53 457.00±26.53 3.98±0.19 t值 -1.58 -6.19 -34.92 P值0.1320.0000.000

圖4 A組的負載-延伸曲線圖Fig.4 Load-extension curve of group A

圖5 A組的負載-位移曲線圖（初始位移）Fig.5 Load-disp lacement curve of group A

2.3 失效類型

3組的失效類型見圖7。

2.3.1 A組從骨道脫出的樣本中發現，螺帽仍與骨塊牢靠固定；脫出后的骨道明顯變大，螺釘可隨意進出骨道。骨塊再次骨折的樣本中發現，骨塊均為橫行骨折，斷面有明顯的螺紋存在，螺釘遠端仍固定在脛骨骨道內。

2.3.2 B組從骨道脫出的樣本情況與A組類似。骨塊再次骨折的樣本中發現，骨塊均為橫行骨折，斷面未見螺紋，螺帽后方的骨質有明顯破壞、變形。

2.3.3 C組樣本ACL均有切割損傷，部分ACL纖維斷裂。所有樣本上方隧道口的骨質均被破壞，下方隧道口未見明顯破壞。骨塊再次骨折的樣本中發現，骨折形式均為從縫線經過的部位再骨折。

圖6 A和B組骨塊固定后的圖片Fig.6 Images of the A and B group after the fixation of the bone block

圖7 3組樣本的失效類型Fig.7 Failure types of three groups of sam ples

3 討論

本實驗最主要的發現是與空心拉力螺釘及縫線固定ACL脛骨止點撕脫骨折比較，雙頭空心加壓螺釘固定有相似甚至更大的初始固定強度，且初始穩定性最好。該結果也支持本研究最初的假設。

3.1 初始穩定性分析

盡管有大量文章報道關節鏡下復位固定ACL脛骨止點撕脫骨折能取得較好的療效，但有學者發現術后仍存在ACL部分松弛[7]。分析原因可能是由于術中骨塊復位不佳或固定不牢靠而導致的骨塊二次移位。而且不可靠的固定會產生復位失效的風險及延長術后制動時間，限制患者術后早期功能鍛煉，從而導致關節活動受限[7，18]。因此，強大的初始穩定性及初始固定強度是減少術后并發癥的關鍵。初始位移可以反映初始穩定性的大小，可以為術后早期康復計劃的實施提供參考。

初始位移是指復位固定后在接受反復的小于峰值負載的力量牽拉時骨塊的位移大小，它可以模擬該骨折患者術后早期康復鍛煉的受力情況。MONTGOMERY等[18]回顧了17例保守治療患者，29%的患者達到臨床愈合，其余的均發生膝關節松弛或活動受限等并發癥，最終得出這些并發癥與初始位移有密切關系。盡管本實驗是在固定骨塊后立即行初始位移檢測，但仍可作為早期康復階段骨塊固定失效的潛在參考指標[19]。本實驗得出：A組的初始位移明顯短于B、C組，說明術后早期康復階段，雙頭空心加壓螺釘固定的初始穩定性明顯高于空心拉力螺釘及縫線，可以考慮行早期功能鍛煉，既有益于骨折的愈合，又可減少術后并發癥的發生。

3.2 初始固定強度分析

失效負載反映該骨折患者術后的初始固定強度，它有兩個指標（峰值負載及屈服負載）。峰值負載指骨塊固定后所能承受的最大力量，它反映該骨折患者在術后遭受意外受力事件時的固定情況。屈服負載指復位固定后發生不可逆性破壞（即失效）時的力量。本實驗得出：A組的峰值負載和屈服負載均明顯高于B組，說明術后康復階段，雙頭空心加壓螺釘固定的患者能承受更大的外來應力，更不易失效，更利于早期功能鍛煉。A組的峰值負載與C組沒有明顯差異，但A組的屈服負載明顯小于C組，說明雙頭空心加壓螺釘與縫線固定承受外來應力的大小相似，即對骨塊移位的影響沒有明顯差別。

3.3 螺帽埋入骨塊情況分析

本研究發現A組螺帽均埋入骨塊內，B組螺帽均明顯突出于ACL實質。其原因主要為A組的螺帽帶有螺紋，可擰入骨質，B組的螺帽較大，難以擰入骨塊內，若強行擰入，易致骨塊碎裂。這說明B組更易發生髁間窩撞擊。反映到臨床，可以認為使用空心拉力螺釘固定該骨折的患者術后發生髁間窩撞擊、關節軟骨損傷等并發癥的概率明顯大于雙頭空心加壓螺釘。

3.4 失效類型分析

A組的失效類型主要為骨塊再次骨折，且因骨塊再骨折失效的樣本的峰值負載均大于因螺釘從骨道滑脫失效的樣本。分析原因可能為：①骨塊的強度低于本實驗施加的拉力，且低于雙頭空心加壓螺釘的固定強度；②由于ACL限制，施加前向拉力時骨塊與脛骨平臺后部擠壓而再骨折；③以上原因的綜合結果。B組中90%是骨塊再次骨折失效，其中50%樣本螺帽后方的骨質有明顯破壞。與A組類似，這些樣本的峰值負載均大于其他失效類型樣本的峰值負載。總結失效原因，除與A組相同原因外，還可能是突出的螺帽對骨塊有向后的擠壓作用，以致骨塊破裂。C組：骨塊再次骨折的原因可能為：骨塊的強度低于實驗施加的拉力，且低于縫線的固定強度。縫線斷裂原因可能是縫線的強度較低。雖然使用更粗的縫線固定可能會得到更好的固定效果，但有學者發現這些更粗的縫線固定所產生的位移對早期恢復及骨折愈合的影響更大[19]。

3.5 實驗不足

本實驗存在不足之處，比如只能單一的反映ACL的功能，不能反映整個膝關節的功能；只研究了前向穩定性，不能反映ACL的屈曲、旋轉等穩定性；在開放環境下操作，不能完全反映關節鏡下手術情況。但以上研究結果，國內外仍未見明確報道。

綜上所述，雙頭空心加壓螺釘固定ACL脛骨止點撕脫骨折的早期生物力學強度明顯優于空心拉力螺釘及縫線，且與空心拉力螺釘相比不易造成髁間窩撞擊。目前，雙頭空心加壓螺釘在臨床治療該骨折的療效尚不清楚。因此，進一步明確其臨床療效，必將為減少術后并發癥、促進早期恢復帶來新的突破。

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