雙側鎖定接骨板固定干骺端粉碎性股骨遠端骨折的生物力學研究

范志遠 鄧鄉怡 王偉 陳羿丞 陳基施展 陸驊

對于干骺端粉碎性股骨遠端骨折，功能復位、橋接鋼板固定、骨折二期愈合是這類骨折的最佳治療方案［1，2］。盡管鎖定鋼板現已成為治療股骨遠端骨折常見的內固定方式，并在臨床應用中取得了較好的治療效果［3，4］，然而隨著外側鎖定接骨板固定的應用增多，骨折愈合相關的并發癥也越來越多見［3-7］，尤其對于干骺端粉碎性股骨遠端骨折，骨不連等并發癥的發生率明顯高于其他骨折類型［5，6］。Cui等［8］認為單純外側鎖定鋼板治療干骺端粉碎性股骨遠端骨折存在固定穩定性不足、骨折斷端間存在明顯移動的情況，同時應力長期集中于外側鋼板，容易誘發鋼板斷裂而致使內固定失敗［9-12］。增加內側接骨板理論上可為骨折端內側提供有效的支撐，減小骨折斷端應變，為骨折愈合提供穩定的生物力學環境［13］。

本研究旨在驗證這一假設，比較單純外側鎖定接骨板與內、外兩側鎖定接骨板結合固定干骺端粉碎性股骨遠端骨折的生物力學性能，為臨床應用雙側接骨板治療干骺端粉碎性股骨遠端骨折提供參考依據。

材料與方法

一、分組并制作骨折固定模型

采用16根第4代力學檢查專用左側人工股骨（Sawbones 3414，Pacific Laboratories Inc，美國）建立股骨髁上粉碎性骨折（AO分型為C2.3型）模型。距髁間窩6 cm處，垂直于股骨解剖軸用鋸條截除長度約為2 cm的骨段，再從髁間截斷內外側髁。

將所建模型分為2組，每組8根，對照組采用外側股骨遠端解剖鎖定接骨板（8孔5.0 mm系列鎖定加壓鋼板，康朋醫療設備有限公司，中國）固定；觀察組應用同種外側股骨遠端解剖鎖定接骨板結合內側已塑型的鎖定加壓接骨板（7孔3.5 mm系列鎖定加壓鋼板，康朋醫療設備有限公司，中國）固定；外側接骨板在骨折線近側分別擰入4枚長度分別為20、26、36、40 mm的鎖定螺釘，骨折線遠端分別擰入4枚長度分別為70、75、80、75 mm的鎖定螺釘；內側接骨板遠近端各擰入2枚長度為20 mm的鎖定螺釘（圖1）。

圖1 股骨干骺端粉碎性骨折內固定模型外觀圖

所有模型由固定的2位骨科醫生完成。

二、研究方法

對建好的2組模型分別進行生物力學測試，測試內容包括扭轉負荷測試、軸向負荷測試、軸向循環負荷測試和軸向極限負荷測試。其中5根人工骨依次進行扭轉負荷測試、軸向負荷測試和循環軸向負荷測試，檢測扭轉剛度、軸向剛度、股骨遠端平均內側壓縮位移和內側骨折端的微動；剩余3根進行極限負荷測試。在扭轉和軸向負荷測試中，每個模型測試3次，以確保結果的可重復性；除極限負荷測試外，其余測試均在模型彈性形變范圍內進行；每個模型均以相同的順序進行測試。

（一）扭轉負荷測試

每組中取5根人工骨進行扭轉負荷測試。通過“U”型夾具將人工骨模型兩端固定于SANS微機控制電子扭轉試驗機（MTS公司，美國）上，最初不施加任何外力，而后分別從順時針和逆時針兩個方向對模型以0.1 Nm/s的速度加載至8 Nm的扭矩，并通過PowerTest V3.0軟件記錄的扭矩-角度曲線計算標本的扭轉剛度（圖2 a）。

（二）軸向負荷測試

完成了扭轉負荷測試的人工骨進一步進行軸向負荷測試。將人工骨模型于外翻7°固定在電子材料試驗機（Z100，ZwickRoell，德國）上，軸向負荷通過股骨的力學軸，模擬正常成人步行時股骨的受力狀態。預先以100 N載荷將人工骨固定，而后以10 mm/min的速度加壓至3 kN。記錄其載荷-位移曲線，根據公式（軸向剛度=載荷/彈性形變）計算模型的軸向剛度。在軸向剛度測試中，盡量選取位移量較小的階段進行計算，以確保股骨模型仍在線性彈性區域內（圖2 b）。

（三）軸向循環負荷測試

將模型以外翻7°固定于電子萬能材料試驗機（5569R1812，Instron，美國）上，預加100 N載荷，并將可發出近紅外線的標記點固定在骨折斷端內側，作為位移標記點與動作捕捉系統（NDI公司，加拿大）相對應。然后以1 Hz的頻率從0.1～2.0 kN循環軸向加壓10 000次，待循環結束后再次將標本以100 N負載固定。循環期間動作捕捉系統通過捕捉主動發光的標記點所發出的近紅外線，實時得到每個標記點在不同時刻的三維空間坐標信息，利用position sensor軟件測量模型于循環期間骨折斷端內側的位移變化，即微動位移，并計算相應骨折端內側應變：應變=微動位移/骨折間距。待循環結束時，再測量循環實驗前后骨折斷端內側的位移變化，即壓縮位移。

（四）軸向極限負荷測試

由于股骨近端尤其是股骨頸強度明顯小于股骨遠端內固定強度，會對實驗造成影響，故將人工骨距外側鎖定鋼板近端1.5 cm以上部分用鋸條水平截斷，并將截斷面打磨以保證其平整。將其預先以100 N負載固定于設備上，以10 mm/min的速度加載，直至螺釘彎曲、松動、鋼板彎曲或骨折間隙縮窄大于1 cm［14］，其加載負荷即達到內固定的極限載荷，記錄內固定失敗前的最大負荷。

三、統計學處理

采用SPSS 18.0統計軟件（IBM公司，美國）進行統計學分析。計量資料首先使用Shapiro-Wilk檢驗判斷數據是否符合正態分布，對于符合正態分布且方差齊性的數據，以均數±標準差（）表示，采用獨立樣本t檢驗進行組間比較。以P＜0.05認為差異具有統計學意義。

結 果

所有扭矩-角度和載荷-位移數據顯示模型沒有發生塑性或永久性形變的跡象。兩組模型在扭轉負荷測試、軸向負荷測試、軸向循環負荷測試中均沒有發生內固定失敗的情況。

扭轉負荷測試中，觀察組的扭轉剛度為（4.28±0.43）Nm/deg，明顯高于對照組的（2.26±0.09）Nm/deg（圖3 a）。軸向負荷測試中，觀察組的軸向剛度為（1 850.14±99.88）N/mm，明顯高于對照組的（884.02±68.15）N/mm（圖3 b）。軸向循環負荷測試中，對照組內側骨折塊的微動位移為（3.25±0.21）mm，顯著高于觀察組的（0.17±0.05）mm（圖3 c）；對照組骨折內側間隙縮小了（1.54±0.24）mm，大于觀察組的（0.15±0.08）mm（圖3 d）。軸向極限負荷測試中，觀察組出現骨折間隙明顯縮窄或內固定失敗時的極限載荷為（18 118.33±133.33）N，高于對照組的（6 334.33±34.39）N（圖3 e）。上述數據組間比較，差異均有統計學意義（P均＜0.05）。

觀察組和對照組在極限負荷測試中的應力-應變曲線圖如圖4 a、b所示。

討 論

圖2 扭轉負荷測試（a）、軸向負荷測試現場圖（b）

圖3 兩組扭轉剛度（a）、軸向剛度（b）、內側骨折塊的微動位移（c）、壓縮位移（d）及極限負荷（e）的對比

圖4 a：觀察組極限負荷測試中的應力-應變曲線圖；b：對照組極限負荷測試中的應力-應變曲線圖

股骨遠端骨折最常見的內固定方式包括股骨逆行髓內釘固定和解剖鎖定鋼板固定［10］。與普通鋼板相比，鎖定鋼板與骨皮質不直接接觸，保存了骨折愈合必需的骨外膜血供，而且螺釘鎖定在鋼板上，固定骨折后形成框架結構，使鋼板所受載荷平均分布于螺釘之間，從而獲得穩定、可靠的固定［11，12］。對于股骨髁粉碎性骨折，髓內釘無法固定較小的髁間骨折塊，而鎖定鋼板則可提供較為穩定的固定［13］，因此臨床中較為粉碎的股骨遠端C型骨折常選用鎖定鋼板內固定治療。然而對于C2、C3型等干骺端內側缺乏支撐的股骨遠端骨折，采用鎖定鋼板固定有較高的延遲愈合、骨不連以及內固定失效等并發癥發生率［15，16］。

單純外側鎖定鋼板對于干骺端粉碎性股骨遠端骨折的固定穩定性不足，可能是這類并發癥發生的主要原因。Granata等［14］將尸體股骨于股骨髁上6 cm處水平截除2.5 cm，制作成股骨遠端粉碎性骨折模型，采用單純外側鎖定板固定，疲勞測試結果顯示標本所能承載的最大負荷為（1 329±106）N，相當于70 kg成人體重的1.9倍，而術后10周病人步行期間，股骨遠端負荷估計超過體重的2倍，這表明單純外側鎖定鋼板固定股骨遠端粉碎性骨折的固定強度不足以支持病人術后早期的膝關節功能鍛煉及負重。臨床研究顯示，對于存在廣泛骨膜剝離、干骺端粉碎性股骨遠端骨折，常伴有嚴重的軟組織損傷及骨缺損，單純的外側鋼板不足以在骨折愈合所需要的時間內維持骨折部位的穩定［17］。

本研究結果表明雙側鎖定接骨板可有效提高固定強度和骨折端穩定性。其中軸向循環負荷測試用于模擬病人術后早期的日常負重活動，兩組均未出現螺釘鋼板松動或斷裂等內固定失敗的情況，但對照組骨折內側間隙縮小了（1.54±0.24）mm，明顯大于觀察組的（0.15±0.08）mm，組間比較，差異具有統計學意義（P＜0.05），說明觀察組耐受疲勞負荷的能力更強。軸向極限負荷測試顯示觀察組在內固定失敗前可承受更高的負荷，表明增加內側鋼板對于干骺端粉碎性股骨遠端骨折的固定強度更大、更牢固，這可能是由于C2.3型股骨遠端骨折中內外側皮質均失去了連續性，單獨應用外側鋼板時，內側因缺乏足夠的支撐而無法維持股骨內側的穩定，導致內側骨折位移明顯增加，增加了骨折延遲愈合或骨不連的風險，而應力長期集中于外側接骨板可最終導致內固定失敗［18］。當單側接骨板固定強度不夠時，加用內側板可有助于骨折復位并增強穩定性。Holzman等［19］加用內側接骨板伴植骨技術治療股骨遠端骨折術后骨不連，20例病人中有19例于術后平均12個月獲得愈合，作者認為這些病人發生骨不連的原因是骨缺損嚴重，造成內側無支撐，骨折處不穩定，最終導致骨折不愈合或內固定失敗，表明加用內側接骨板是必要的治療手段。

在軸向和扭轉負荷測試中，觀察組軸向及扭轉剛度明顯高于對照組；在軸向循環負荷測試中，對照組骨折端內側髁隨著負荷的循環加載，其軸向位移可被明顯觀察到，為（3.25±0.21）mm，明顯高于觀察組的（0.17±0.05）mm，差異有統計學意義（P＜0.05），表明增加內側鋼板可顯著增加內固定結構的穩定性，有效減少內側骨折斷端的微動。然而與骨折粉碎程度相匹配的固定穩定性是骨痂形成、骨折愈合的前提條件［20-22］。內固定的結構剛度對骨折端的穩定有著重要的影響，而骨折端穩定程度主要是通過骨折端的應變來體現的。Perren等［23］提出，當應變達到或超過組織毀壞的拉伸程度時，該組織無法形成。其中，肉芽組織能承受的應變為100%，纖維組織、肌腱、骨組織相應逐步減小，軟骨為10%，板層骨為2%。二期愈合時骨折斷端的應變須控制在2%～10%。過于堅強的固定使鋼板對骨折端形成明顯的應力遮擋［24］，使骨折間隙去負荷，骨折端缺乏應力刺激，骨折斷端微動不足影響骨痂生成，增加螺釘松動、內固定失敗的風險［25］；而過度降低內固定剛度，骨折端不穩定，骨折斷端應變過大，超過骨痂所能耐受的程度，使骨痂斷裂，導致骨折延遲愈合甚至不愈合，最終也會發生鋼板螺釘的疲勞斷裂［26］。

因此，在治療干骺端粉碎性股骨遠端骨折時，為促進骨痂生成以達到二期愈合，我們需要將骨折斷端間的應變控制在2%～10%。本次實驗骨折端間距為2 cm，通過應變計算公式可得對照組平均應變為16.25%，觀察組平均應變為0.85%。表明單純外側鎖定鋼板固定干骺端粉碎性股骨遠端骨折，其內側骨折塊固定不牢固、穩定性不足，而內側加用鎖定加壓鋼板則固定強度過大，導致骨折端應變太小，影響骨痂生成。這可能是因為鎖定加壓鋼板自身彈性模量較高，鎖定螺釘固定又會增加其結構穩定性，從而導致這一結果。因此選用何種接骨板及螺釘組合作為內側鋼板與外側鎖定鋼板結合可達到最佳的治療效果，仍需要我們進一步研究。

增加內側鎖定加壓板固定干骺端粉碎性股骨遠端骨折比單純外側鎖定接骨板固定更為穩定，可明顯減少骨折端的應變并增加內固定結構的強度。但是其生物力學優勢是否可獲得較好的臨床治療效果，仍需進一步研究證實。