脛骨板式外固定架的生物力學性能研究

史 迪,張浩萌，李國臣，鄭聯合

現代戰爭因武器威力巨大，容易造成脛骨開放性骨折，并伴有嚴重創面污染、軟組織及神經血管損傷，這種情況下，常常需要對骨折進行快速、穩定的固定，以減少對周圍軟組織及神經血管的進一步損傷，降低休克的發生率，這無疑是現代戰創傷治療的挑戰[1-2]。長期以來，外固定架一直被用于治療脛骨開放性骨折及某些閉合性的伴有嚴重軟組織損傷的粉碎性脛骨骨折。雖然外固定架能夠減少對軟組織及血供的損傷，但也有其缺陷：固定穩定性較差，容易導致骨折斷端再移位，造成骨折延遲愈合、畸形愈合甚至不愈合，此外，臨床常用的外固定架由于其體積較大容易影響患者的日常生活，如穿衣及行走[3-5]。如何克服外固定架本身存在的諸多缺陷依舊是國內外學者研究的重點。本課題組設計了脛骨板式外固定架(專利號：ZL201621380368.6)，與小腿外形高度匹配，利用鋼板與螺釘之間的角穩定性，保證了骨折固定的穩定性，有望避免臨床常見的外固定架及螺釘松動的問題，而且體積較小，對患者行走穿衣等日常生活影響較小。本實驗通過比較脛骨板式外固定架的兩種構型與臨床常用的單邊式外固定架在固定牛脛骨中段骨折模型時的力學性能差異，評價脛骨板式外固定架治療脛骨粉碎性骨折時的穩定性，為脛骨板式外固定架用于治療脛骨嚴重開放性骨折及粉碎性骨折提供理論支撐。

材料與方法

1 建模及分組

選擇15根新鮮成年直徑和長度接近的牛脛骨，脛骨均來自同一品種，健康、體重接近且骨骼發育成熟的成年牛，平均長度為340mm(310～375mm)，剔除所有軟組織。根據不同固定方式隨機分為板式經典型組、板式延長型組及單邊式外固定架組三組，用擺鋸在脛骨中段鋸開，制作成間距為20mm的骨折缺損，保證骨折斷端無接觸，模擬脛骨粉碎性骨折[6-7]。板式經典型組用不銹鋼經典型板式外固定架(遠端固定板條完全嵌入近端固定板條中，長300mm，寬21mm，厚10mm，共13個螺釘孔，螺釘直徑5mm)固定，骨折近端和遠端各2枚鎖定螺釘固定(圖1)。板式延長型組用不銹鋼延長型板式外固定架(遠端固定板條未完全嵌入近端固定板條，長340mm，近端寬21mm，厚10mm，遠端寬16mm，厚5mm，共16個螺釘孔，螺釘直徑5mm)固定，骨折近端和遠端各2枚鎖定螺釘固定(圖2)。單邊式外固定架組用不銹鋼單邊式外固定架(連接桿直徑8mm，長度為300mm，半針直徑5mm)固定，骨折近端及遠端各2根半針固定(圖3)。三組骨折固定模型均先用4.5mm鉆頭鉆孔，然后順時針方向擰入鎖定螺釘或半針，均固定雙側皮質。近端螺釘或半針距離骨折斷端20mm，遠近端螺釘或半針之間間距為45mm，連接桿或外固定板距離骨表面30mm[8]。所用外固定器械材質相同，均來自上海康定醫療器械有限公司。

圖1 經典型板式外固定架 圖2 延長型板式外固定架 圖3 單邊式外固定架

2 結構及特點

本課題組設計的板式外固定架，屬于一種脛骨外固定裝置，包括近端脛骨固定板條、遠端脛骨固定板條。近端固定板條的遠端設有插槽，遠端固定板條的近端可以深入插槽中并沿插槽滑動，根據人體脛骨長度調節脛骨固定板條的長度，保證了板式外固定架在長度上的可調節性。近端固定板條近端設置有第一橫貼板，能夠與人體脛骨的近端部位橫向貼合；遠端固定板條的遠端設置有第二橫貼板，能夠與人體脛骨遠端的部位橫向貼合。所述脛骨固定板條、第一橫貼板和第二橫貼板與人體小腿外形高度匹配，且體積較臨床常用的單邊式、組合式及環式外固定架小。脛骨固定板條及橫貼板上設有5mm鎖定螺釘孔，所用螺釘均為5mm自攻型鎖定螺釘。

3 測試方法

3.1 軸向壓縮實驗 所有骨折模型兩端用牙科自凝牙托粉包埋，保證軸向壓縮時負荷傳遞模擬生理條件下力線的傳遞[1, 4]。在前期的預實驗中，板式外固定架的兩種構型均可以承受超過1 000N的負荷，單邊式外固定架可以承受超過700N的負荷，故本次試驗最大軸向載荷設置為700N，對應一個體重為140kg的成年人雙足站立，完全負重時的軸向負荷。將骨折模型置于Z2005電子材料萬能試驗機(Zwick/Roell Z2005，德國)上(圖4)，采用位移控制的方式加載負荷，負荷以0.1mm/s的速度從0N加到700N，循環加載6次，同時以100Hz的頻率采集載荷及相應的軸向位移數值，在電腦上建立相應的載荷位移曲線，將每次循環前3次的數據丟棄用以排除系統誤差，后3次的數據保留計算軸向壓縮剛度，壓縮剛度定義為單位軸向位移下所施加的負荷(N/mm)[4]。

3.2 四點彎曲試驗 將骨折模型置于安裝好彎曲工裝的Z2005電子材料萬能試驗機上(圖5)，設定上方兩個負荷加載點間距為100mm，下方兩個負荷支撐點間距為200mm，采用位移控制的方式加載負荷，負荷以1mm/min的速度從0N加載到400N,對應扭矩為0Nm到20Nm，循環加載6次，同時以100Hz的頻率采集載荷及相應的位移數值，將每次循環前三次的數據丟棄用以排除系統誤差，后3次的數據保留計算四點彎曲剛度，彎曲剛度定義為單位角位移下所施加的扭矩(Nm/deg)[9]。

3.3 扭轉試驗 將骨折模型置于安裝好扭轉工裝的Z2005電子材料萬能試驗機上，采用位移控制的方式以0.5°/s的速率加載負荷，最大扭矩設定為10Nm，循環加載6次，同時以100Hz的頻率采集載荷及相應的角位移數值，每次循環前3次的數據丟棄以排除誤差，后3次的數據保留計算扭轉剛度，扭轉剛度定義為單位角位移下所施加的扭矩(Nm/deg)[4]。

圖4 骨折模型用于軸向壓縮測試 圖5 骨折模型用于四點彎曲測試

4 統計學分析

應用SPSS 23.0統計軟件進行分析。組間比較采用單因素方差分析，若組間差異有統計學意義則再用LSD-t檢驗進行兩兩比較。P<0.05為差異有統計學意義。

結 果

軸向壓縮實驗表明，經典型板式外固定架平均剛度為244.82N/mm，單邊式外固定架平均剛度為133.63N/mm，延長型板式外固定架平均剛度為166.69N/mm，單因素方差分析表明F(2，12)= 90.099,差異有統計學意義(P<0.0001)，見表1、圖6。用LSD-t檢驗表明，經典型板式較單邊式高83.21%，差異有統計學意義(P<0.0001)，延長型板式較單邊式高24.74%，差異有統計學意義(P=0.002)。四點彎曲實驗表明，經典型板式外固定架平均剛度為9.74Nm/deg，延長型板式外固定架平均剛度為8.53 Nm/deg，單邊式外固定架平均剛度為7.55 Nm/deg，單因素方差分析表明F(2，12)= 17.873,差異有統計學意義(P<0.0001)，見表2、圖7。用LSD-t檢驗表明，經典型板式較單邊式高29.01%，差異有統計學意義(P<0.0001)，延長型板式較單邊式高12.98%，差異有統計學意義(P=0.021)。在扭轉實驗中，經典型板式外固定架平均剛度為1.65Nm/deg，延長型板式外固定架平均剛度為1.08Nm/deg，單邊式外固定架平均剛度為0.76 Nm/deg，單因素方差分析表明F(2，12)= 50.397,差異有統計學意義(P<0.0001)，見表3、圖8。用LSD-t檢驗表明，經典型板式較單邊式高117.11%，差異有統計學意義(P<0.0001)；延長型板式較單邊式高42.11%，差異有統計學意義(P=0.004)。本次實驗中，每個實驗組均未出現骨折間隙關閉或者外固定架出現難以恢復的彎曲或斷裂以及出現新發骨折等現象[8,10-11]。

表1 三組骨折模型軸向壓縮剛度比較(N/mm)

表2 三組骨折模型四點彎曲剛度比較(Nm/deg)

表3 三組骨折模型扭轉剛度比較(Nm/deg)

討 論

近年來，對于伴有嚴重污染及軟組織損傷的開放性脛骨骨折，外固定架因為對軟組織損傷小，對骨膜血供的破壞較小而越來越受骨科醫生的重視[12-15]。現代戰爭所造成的戰創傷以開放性損傷及復合傷多見，常伴有四肢開放性骨折，伴有嚴重污染和軟組織損傷，外固定因其固定迅速且對軟組織損傷小，大大降低了鄰近血管及神經損傷的風險，體現了巨大的應用價值。與常用的外固定架相比，脛骨板式外固定架設計巧妙，攜帶方便，適合于不同身高的人群，對操作環境的要求相對較低，操作方便，能夠對骨折進行快速有效的固定，符合野戰條件下一線救治的需要，對多發傷、群體傷的早期救治有重要的意義。

在本次實驗中，板式外固定的兩種構型在軸向壓縮、四點彎曲及扭轉剛度上均優于臨床上常見的單邊式外固定架。在軸向壓縮實驗中，當負荷為200N時，經典型板式組、延長型板式組、單邊式外固定架組三組的位移分別為0.89、1.20、1.21mm；當負荷為400N時，經典型板式組、延長型板式組、單邊式外固定架組三組的位移分別為1.71、2.23、2.51mm，可見在相同載荷時，板式外固定架組的位移均小于單邊式外固定架組，且隨著載荷的增加差距也隨之增大。國內外關于外固定架剛度的文獻報道稱外固定架的軸向剛度最小為50N/mm，最大為400N/mm[4,16]，此范圍的剛度可刺激骨痂生長，促進骨折愈合，本實驗所測的三種外固定架的剛度均在其范圍內。板式外固定架的兩種構型在四點彎曲剛度方面均優于單邊式外固定架，有利于骨痂生長并增加骨痂強度[17]。國內外文獻報道外固定架的扭轉剛度范圍為0.1～6Nm/deg[18-19]，筆者所測的結果在其范圍內，但是均偏小，這可能與選擇的骨標本、設定的骨折間隙大小及外固定架與骨表面距離等有關。影響外固定剛度的主要因素有骨折間隙大小、螺釘的數量及直徑，外固定鋼板的長度以及外固定鋼板與骨表面的距離[20]。鎖定鋼板外置是目前國內外研究的熱點，但是鎖定鋼板由于鎖定螺釘孔數量有限導致螺釘數量的調節受到限制，而本課題組所設計的板式外固定架有橫貼板，而且遠近端脛骨固定板條之間可以滑動來調節脛骨固定板條的長度，使得螺釘孔數量足夠，可以通過調節螺釘的數量來調節外固定的剛度。而且本實驗證明了即使調節了外固定鋼板的長度，板式外固定的剛度仍然優于單邊式外固定架。

圖6 三組骨折模型軸向壓縮剛度比較 圖7 三組骨折模型四點彎曲剛度比較 圖8 三組骨折模型扭轉剛度比較

注：*表示離群值 注：°表示離群值 注：°表示離群值

綜上所述，脛骨板式外固定架剛度高于臨床常用的單邊式外固定架，對于脛骨嚴重粉碎性骨折及開放性骨折，用板式外固定架早期固定，有助于維持下肢力線及骨折斷端穩定，而且板式外固定架體積小，對患者日常生活的影響較小，還能通過調節自身長度對不同身高的人群進行脛骨骨折外固定治療。本研究也存在如下不足：(1)由于條件所限，僅僅測量了軸向壓縮剛度、四點彎曲剛度及扭轉剛度。(2)與所有生物力學研究一樣，實驗用骨剔除了肌肉以及其他軟組織，骨所受載荷的傳遞不能完全模擬機體的負荷力線傳導。在下一步的研究中，本課題組需進一步對板式外固定架的剛度做進一步的研究，并將板式外固定架用于活體動物骨折治療，觀察固定效果，進一步為板式外固定架用于戰創傷急救及臨床治療奠定理論基礎。