環抱型肋骨接骨板與預塑形解剖板生物力學研究

黃 剛，李 普，李高陽，楊金良

肋骨骨折是最常見的鈍性損傷之一，約占所有創傷患者的10%[1]。其中多發肋骨骨折尤其是連枷胸誘發的劇烈疼痛、咳痰無力、局部反常呼吸運動以及合并的肺實質損傷、血氣胸等容易導致肺部感染、ARDS等并發癥，后果嚴重[2]。近年來，隨著研究的進展，切開復位內固定手術治療肋骨骨折能早期建立穩定的胸廓，有效緩解疼痛、促進肺擴張、減少肺部并發癥，縮短住院時間及ICU住院時間，因而應用越來越廣泛[3-4]。目前臨床中常見的內固定方式主要有環抱型肋骨板(鈦合金或鈦鎳記憶合金)、預塑形解剖板(非環抱型)、髓內型板以及半環抱型(U型)接骨板等，因人體肋骨幾何形態的特殊性，各種內固定材料對肋骨的著力方式以及應力特點有所區別[5]。筆者針對當前臨床較常用的兩種內固定材料即環抱型肋骨接骨板(常州華森)和非環抱的預塑形解剖板(強生MatrixRrib)進行體外生物力學測試，分析對比各自的生物力學性能，為臨床選取手術方式提供一定的基礎理論依據。

材料與方法

1 材料及儀器設備

環抱型肋骨接骨板(常州華森醫療器械HS A 45×15mm)及夾持鉗，預塑形鎖定肋骨接骨板(強生MatrixRrib Anatomic 6孔、8孔)、鎖定螺釘及專用配套器械，Electroforce 3520-AT型生物力學實驗系統(美國Bose公司)及自帶生物力學分析軟件(河北省骨科研究所)，三點彎曲及扭轉實驗模具(河北省骨科研究所)、游標卡尺(德國美耐特)、電鉆、擺鋸，Ⅱ型義齒基牙托粉及自凝牙托水(上海新世紀齒科材料有限公司)。

2 標本制備

取材自河北醫科大學解剖教研室成年男性尸體標本6具，年齡24～53歲，平均38.6歲。完整取出每具尸體左、右5～8肋共48根肋骨冰凍保存(-20℃)1～12個月，實驗前將肋骨于冰箱內取出，室溫(23℃)下自然解凍，小心剔除肋骨上附著的肌肉、軟組織，保留骨膜，擺鋸截為20cm等長中段肋骨。實驗中間斷常溫生理鹽水噴灑于標本表面，保持肋骨濕潤。實驗用肋骨均排除畸形、損傷、腫瘤及其他病理性改變因素。首先對標本寬度、厚度進行測量，根據測量數據確定選用內固定材料的型號，48根肋骨標本編號后采用隨機數字表法分為6組，每組8根，于中點鋸斷肋骨后進行解剖對位固定，其中3組用環抱型接骨板固定(環抱板組，斷端兩側等距各兩對環抱抓夾持)，另3組用預塑形解剖板固定(預塑板組，斷端兩側等距各3枚鎖定螺釘)。

3 實驗步驟

3.1非破壞三點彎曲實驗 取環抱形板與預塑形解剖板標本模型各1組，安放至三點彎曲模具上(圖1)，設置參數，跨度均為100mm，位移速度2.5mm/min，最大位移上限12mm。生物力學實驗機與傳感器、計算機相連接，施力點為骨折線的中點，加載開始。計算機記錄受力中心位移與對應施力大小，記錄加壓點位移為2、4、6、8、10、12mm時的相應載荷(單位：N)。

3.2非破壞性扭轉實驗 取另兩組對照標本，用義齒牙托粉及自凝水將其垂直固定于扭轉實驗模具盒(圖2)，跨度100mm，旋轉速度10°/min，記錄旋轉角度為5°、10°、15°、20°、25°、30°時的對應扭矩(單位：N.cm)。

圖1 非破壞三點彎曲實驗模型。a.環抱板固定模型三點彎曲實驗；b.解剖板固定模型三點彎曲實驗

圖2 非破壞扭轉實驗模型。a.環抱板固定模型扭轉實驗；b.解剖板固定模型扭轉實驗

3.3破壞性軸向加壓實驗 剩余兩組對照標本再次用義齒牙托粉及自凝水將其垂直固定于模具盒，設置參數，跨度100mm、位移速度2.5mm/min，最大位移無上限，軸向加壓直至標本破壞，生物力學機壓力探頭自動彈起結束，記錄肋骨標本破壞時的形態特點及載荷(單位：N)。

4 統計學分析

結 果

1 肋骨數據測量

48根肋骨中點平均寬度為(14.34±0.86)mm，平均厚度為(8.28±0.77)mm，據此選用45mm×15mm型號環抱型板，并選擇10mm長度預塑形解剖板鎖定螺釘。

2 非破壞三點彎曲實驗

肉眼形態觀察：環抱型板在受壓時其骨折端會產生1～2mm的間隙增寬，施壓結束后恢復原狀，而預塑形解剖板難以觀察到骨折間隙的變化(圖3)。圖4顯示兩組標本隨著位移的增加，所需載荷逐漸升高，兩組在位移達8mm時斜率均有所下降，顯示屈服，在位移10mm時均達到應力最高點，分別為環抱型板：(44.08±1.71)N，預塑形板：(76.48±3.63)N，經統計學分析，兩組在2、4、6、8、10、12mm六個位移點的應力載荷數值均存在顯著差異(P<0.05)，其中預塑形解剖板相對應力較大。

圖3 兩組三點彎曲實驗骨折端間隙變化。a.環抱板固定模型三點彎曲施壓最高處斷端間隙明顯；b.環抱板固定模型三點彎曲施壓解除后斷端間隙；c.解剖板固定模型三點彎曲施壓最高處斷端無明顯間隙；d.解剖板固定模型三點彎曲施壓解除后斷端無明顯間隙

圖4 三點彎曲實驗位移與載荷關系

3 非破壞扭轉實驗

圖5示兩組標本隨著扭轉角度的增加，所需扭矩逐漸升高，曲線圖示，達到25°之前，環抱型板所需扭矩較預塑形板普遍較高，30°時環抱型板扭矩顯著下降，而預塑形板扭矩繼續升高，其屈服點較前者延后。然而，經統計學分析，兩組六個角度旋轉所加載扭矩均無顯著差異(P>0.05)。

4 破壞性軸向加壓實驗

兩組標本破壞形態對比(圖6)，預塑形板破壞點多為鎖定螺釘周圍出現新生骨質劈裂，而環抱型板出現的破壞點多為環抱爪著力部位，兩組標本均未見原有骨折處位移或變形。兩組軸向施壓至完全破壞時所需應力：環抱板(173.88±5.85)N，解剖板(220.87±42.26)N，后者均值顯著高于前者(P<0.05)，提示預塑形解剖板能承載的最高軸向負荷較環抱板高。

圖5 扭轉實驗角度與扭矩關系

圖6 破壞性軸向加壓實驗中兩組標本破壞部位。a.環抱板模型肋骨破壞處位于環抱爪著力部位；b.解剖板模型破壞處位于鎖定螺釘周圍

討 論

由于肋骨需要持續參與人體呼吸、咳嗽甚至復蘇性干預等活動，其骨折愈合特點與其他骨組織不同，不受生理負荷的保護，因此，多發肋骨骨折時需要盡快提供有效的穩定性以促進肋骨正常生理功能的恢復。從生物力學角度考慮，內固定的穩定特性和強度是最主要的因素。Rehm等[6]進行一項人體內實驗研究，為6名肋骨部分切除(間隙1.5cm)的成年患者置入帶應力測量計的橋接板，測試自主呼吸狀態下肋骨的彎曲、扭轉以及軸向的應力負荷，其中最高彎曲應力為(39.0±15.1)N、最高扭轉應力為(18.0±9.2)N，最高的軸向應力為(7.0±1.1)N。Helzel等[7]測試人體在咳嗽時肋骨彎曲應力可達92.4N。本研究中兩組模型的破壞性實驗所需應力(173.88±5.85)N、(220.87±42.26)N均遠遠超過上述生理活動的應力上限，提示這兩種材料均能為骨折部位提供足夠強度的穩定固定。然而，兩組模型破壞形態的規律顯示，無論是爪形環抱貼合還是鎖定螺釘的固定方式，其著力部位的正常骨組織都會受到潛在的破壞性，從而產生相對薄弱區域，此薄弱區足夠耐受自主呼吸及咳嗽等正常生理活動應力的考驗，當胸廓承受外力時，是否容易出現薄弱區的新發骨折，目前則尚未可知。

與人體其他骨組織相比，肋骨有較為復雜的幾何形態，除了包括兩個矢量方向的彎曲度還包括扭轉度，其生理狀態下承受的應力也較為復雜，包括彎曲、扭轉和軸向剪切應力[8]，因此評價內固定的有效性需要從多方面著手。對比兩種模型，三點彎曲實驗可看出預塑形解剖板各個位移點的彎曲負荷均遠高于環抱板(P<0.05)，因此，從強度方面考慮，預塑形解剖板看上去更可靠。此外，通過肉眼觀察，環抱板模型在受壓彎曲時，其骨折間隙會產生1～2mm的分離，施壓結束后基本恢復原狀，而預塑形解剖板幾乎沒有骨折間隙的分離變化，因此在內固定絕對穩定性方面，預塑形解剖板亦具備優勢。然而研究表明，骨折斷端在一定范圍內的軸向微動能促進骨折愈合[9]，單從此因素考慮，或許環抱型板更有優勢，結論尚需通過進一步體內研究來探討驗證。筆者在扭轉實驗曲線圖中觀察到，雖然環抱型板前期扭轉角度(<25°)相應扭矩數值高于預塑形解剖板，而后期(>30°)扭矩較之降低，但均無統計學差異(P>0.05)，因此，兩種內固定材料在抗扭轉特性方面無較大差別。破壞性軸向施壓主要為抗剪應力實驗，預塑形解剖板組顯示出較強的抗剪應能力(P<0.05)。

目前學術界公認的骨折治療AO原則除了解剖性復位、穩定牢固的骨折固定以外，對血運的保護也不容忽視[10]，對比兩種手術操作，在實施環抱型板內固定時，為了避免肋骨下緣的肋間神經血管束損傷，往往需要充分游離肋下緣的骨膜，而預塑形解剖板則不用過多的游離兩端骨膜，在血運保護方面，后者可能存在一定優勢，但是，從經濟成本考慮，環抱型板價格低廉，更具優勢。

總之，隨著胸外科及創傷外科專業醫師對肋骨骨折內固定手術認可度的不斷提高，越來越多的內固定手術方式被采用，針對不同骨折類型以及實際臨床需求可以選取相應特點的內固定材料。本實驗初步探討了環抱型和非環抱型內固定材料的生物力學特性，為廣大醫師的臨床選擇提供了一定的理論依據。然而，影響骨折愈合機制的因素紛繁復雜，尚需更廣泛、更深入的體內、體外研究來驗證最佳手術方式。