鎖定鋼板工作長度與螺釘配置對骨折愈合影響的研究進展

王楊 陸驊

鎖定鋼板目前被廣泛采用，其臨床應用已擴展到傳統手術中可使用非鎖定鋼板處理的骨折類型中。鎖定鋼板與傳統鋼板相比具有明顯的優勢，包括改善骨質疏松骨的固定、提高固定強度和提供生物相容性更好的固定結構。鎖定鋼板能夠提供可靠的骨折穩定性和愈合，尤其是在復雜的骨干/鄰近干骺端伴廣泛粉碎的骨折中。在臨床應用中，由于不同部位的解剖特點不同，同時骨折形態多樣，鎖定鋼板相關并發癥并不少見，包括骨不連、延遲愈合、畸形愈合、感染等。在其機制研究中，對于影響骨折愈合的因素存在一定的爭議，特別是病人自身的健康狀況及術后早期的活動情況。生物力學研究中發現相關并發癥的出現可能與鎖定鋼板的較高剛度有關，影響因素包括鋼板工作長度、螺釘配置以及骨折間隙的大小等，這些因素會導致植入物的應力變化、骨折愈合部位的穩定性以及愈合組織中應變大小。因此，本文擬通過文獻綜述，探索鎖定鋼板的工作長度和螺釘配置對骨折愈合的影響。

一、文獻檢索策略

本文通過中文檢索詞“鎖定鋼板”、“并發癥”、“工作長度”、“螺釘配置”、“骨折愈合”以及英文檢索詞“locking plate”、“complication”、“working length”、“screw configura?tion”、“fracture healing”在中國知網、萬方數據庫、維普數據庫、PubMed、Web of Science 等平臺進行檢索，共檢索到文獻3 091 篇。應用EndNote 刪除重復及無法獲得全文文獻2 167 篇，根據文獻納入與排除標準最終納入文獻41篇，均為英文文獻（圖1）。文獻納入標準為：①已正式發表的期刊文獻；②文獻內容與鎖定鋼板并發癥、鋼板工作長度、螺釘排布及骨折愈合密切相關；③同類研究中質量、證據等級較高的文獻；④語言為英文的文獻。文獻排除標準為：①文獻質量、證據等級較低的文獻；②學位論文、會議類文獻；③非英文的文獻；④無法獲得全文的文獻。

二、鎖定鋼板并發癥及機制概述

盡管鎖定鋼板優點明顯，但在實際使用中并發癥并不少見，數據顯示不愈合率可達19%［1］。在最近的研究中，Koso等［2］系統分析了38項研究中通過內固定治療的2 829例股骨骨折，骨不連是最常見的并發癥，4.7%發生在遠端骨折，2.8%發生在骨干骨折中。在鎖定鋼板固定的376 例股骨遠端骨折中51例（13.6%）需要再次手術治療：骨不連17例（4.5%）、機械失敗13例（3.5%）、深部感染12例（3.2%）、延遲愈合6例（1.6%）、畸形愈合3例（0.8%）。Kandemir 等［3］也發現了使用鎖定鋼板后出現延遲愈合、固定失敗、骨不連的比例高達23%。Harvin等［4］報道了最高的骨折不愈合發生率（35.4%），其中22例（22.9%）為頑固性骨不連。

圖1 文獻篩選流程圖

在并發癥機制的研究中，Henderson等［5］認為在骨折愈合過程中，主要是缺乏骨痂形成，而不是植入物失敗。在其早先的病例報告中，就發現了鎖定鋼板結構可抑制骨折塊間的運動，從而不利于通過形成骨痂來促進骨折愈合［6］，這可能與鎖定鋼板較高的剛度有關［5，7］。在之后的研究中，Pi?tkowski 等［8］在脛骨遠端骨折的治療中，發現彈性固定與堅強固定盡管在并發癥方面的差異無統計學意義，但在彈性固定組中有更多的成角畸形（21.4%vs.11.1%）。

三、鎖定鋼板工作長度對骨折愈合的影響

內植物的剛度是指其對抗形變的能力，而調節結構剛度的最重要參數之一是工作長度（也稱為橋接跨度），其定義為骨折端兩側最鄰近骨折端的兩枚螺釘之間的距離［9］，被認為是預測整體結構力學性能最重要的因素之一［10?11］。將螺釘放置在靠近骨折部位的缺點是使得應力集中在離骨折端最近的兩枚螺釘上，有鋼板斷裂的風險，出現內固定失敗，而將螺釘放置在離骨折部位較遠的地方可以更好地分配鋼板的應力，降低鋼板疲勞失效的風險［12］。

（一）不同類型外力作用下鋼板工作長度對骨折愈合的影響

1.軸向力和扭轉力

鋼板工作長度早先被報道為影響軸向和扭轉剛度以及骨折間隙處骨折塊間運動的重要參數［13］。Stoffel等［13］模擬一定骨折間隙大小（2 mm/6 mm）的骨折發現在骨折端附近延長一個螺絲孔時，軸向剛度和扭轉剛度分別顯著降低64%和36%，而之后每多出一個螺絲孔的間隙，穩定性就會降低約10%。Chen等［14］通過有限元分析發現工作長度增大，鋼板發生一定彈性形變使得鋼板上的應力降低，但過大的工作長度導致穩定性的下降。M?rdian等［15］也通過有限元分析發現所有測試節點的軸向運動隨著鋼板工作長度的增加而顯著增加。Heyland 等［16］通過有限元分析發現骨折近端第一枚螺釘離骨折端越近，即工作長度越小，軸向剛度越大。Macleod等［10］模擬10 mm 間隙的42C1?3 型（AO/OTA 分型）骨折進行測試發現工作長度越大，軸向壓力下骨折塊間微動越大，并且不受第二及第三枚螺釘位置的影響。Todorov等［17］模擬股骨遠端AO 分型為33?A3 型骨折，發現長工作長度的鋼板導致軸向位移顯著高于短工作長度的鋼板。

2.剪切力

M?rdian等［15］通過有限元分析發現骨折塊間運動隨著鋼板工作長度的增加而顯著增加，導致剪切力方向上的骨折塊間微動（IFM）出現不成比例地增加，內側和外側IFM 差值隨著工作長度的增加而顯著增加。Elkins 等［18］通過回顧鎖定鋼板固定的66例股骨遠端骨折病例，發現增加工作長度（＞80 mm）會削弱結構強度，并可能導致不對稱的軸向運動和過度的剪切運動，從而抑制骨折愈合。Henschel 等［19］在股骨遠端骨折的替代模型（AO 分型為33?A3，骨折端間隙為10 mm）中對比不同橋接長度（25 mm/87 mm），發現較長的橋接跨度主要增加的是剪切運動，而非軸向運動。Todorov等［17］也驗證了骨折端間隙為20 mm時，長工作長度導致剪切位移顯著高于短工作長度的鋼板。

3.彎曲力

Smith 等［20］發現在粉碎性骨折中，較小工作長度的鋼板上更容易出現應力集中，導致鋼板斷裂。在近期研究中，Wee 等［21］通過有限元分析驗證了彎曲載荷下較小的工作長度導致較高的鋼板應力。

（二）鋼板孔數對骨折愈合的影響

迄今為止，在鋼板長度的選擇上更多依賴于術者的經驗［15］。Sommer 等［22］報道了144 例鎖定鋼板治療病例中出現了27例并發癥，包括5例植入物松動和4例植入物斷裂。他們將這些植入物失敗歸因于使用過短的鋼板，沒有保留足夠的橋接跨度。Smith 等［20］就此提出了“動態加壓”概念，認為應用鎖定鋼板治療粉碎性骨折時在骨折端附近預留3～4 孔來作充分橋接固定，使得應力分布在鋼板的更大區域上。而Strauss 等［23］認為在粉碎性骨折中應當留出2 至3 個開放的螺釘孔的跨度，以限制相鄰螺釘-骨界面處的應力集中。Ehlinger 等［24］推薦鋼板的長度是鋼板整體預留出至少五個孔，目標是獲得盡可能長的覆蓋范圍，使得應力相對分散，有報道在此基礎上，軸向加壓下固定失敗概率僅有6.25%（1/16）［25］。

（三）骨折間隙大小對骨折愈合的影響

部分研究認為工作長度、剛度及骨折愈合之間沒有很大的相關性。Parks 等［26］分析了14 例股骨遠端骨折病例（AO/OTA 33A和33C），發現剛度與工作長度無關，其中延遲愈合和骨不連發生率為14%。這其中最大的影響在于骨折間隙和鋼板-骨應力負載分擔情況的變化［9，13，27?28］。當存在1 mm的骨折間隙時，增加的工作長度實際上降低了螺釘中的應力；而當骨折間隙大于1 mm時，工作長度對螺釘應力或鋼板應力沒有影響，原因在于骨不能分擔載荷［13］。Kanchanomai等［27］利用5個股骨干骨折模型進行力學測試時，發現工作長度相同下鎖定鋼板在骨折間隙為1 mm時的剛度遠大于骨折間隙為8 mm時的剛度。Bogataj等［28］對肱骨遠端骨折不同固定方法進行有限元分析，發現在沒有骨折間隙的情況下，骨折遠近端在加載過程中是接觸的，兩端位移均減小，同時骨-骨折塊復合體可以承載更大部分的力，顯著降低了鋼板中的應力，此時不同固定結構之間的剛度沒有顯著差異。這種骨折端之間的接觸在一定條件下可以補償植入物承載能力的不足，也會顯著降低固定部位的應力。Macleod 等［9］則認為當存在骨折間隙時，整個載荷通過鋼板從一個骨片傳遞到另一個骨片。在這種情況下，較大的工作長度導致彈性增大和鋼板彎曲增加，鋼板應力更高，骨應變更大，骨折塊間微動也更大。然而，當沒有骨折間隙時，載荷在骨和鋼板之間分擔，此時更靈活的鋼板結構導致較低的板應力和較低的界面應變。因此，在對骨折部位進行固定時，除了考慮整體受力情況外，還要根據骨折間隙大小決定鋼板長度以達到最佳固定效果。

四、螺釘配置對骨折愈合的影響

（一）螺釘數量

在鎖定鋼板固定骨折的近端和遠端需要多少螺釘仍存在爭論［29］。早先Stoffel 等［13］在基于常規鋼板的經驗上利用56根復合材料制成的人工骨，模擬間隙大小為1 mm和6 mm的骨干部骨折模型，發現了影響鎖定鋼板壓縮和扭轉穩定性的多個因素，其中螺釘數量對穩定性有顯著影響，對于簡單骨折每個部分超過3枚螺釘對增加軸向剛度幾乎沒有作用；而4 枚螺釘也沒有增加整體扭轉剛度。Todorov 等［17］通過模擬股骨遠端（AO分型為33?A3型骨折）模型驗證了軸向和扭轉載荷下的剛度主要隨放置螺釘數量的增加而增加。Hey?land 等［16］通過有限元分析驗證了鎖定鋼板整體剛度隨螺釘數量的增加而增加，但在結構中使用的螺釘越多，剛度的增加就越少，使用4枚以上的螺釘不會導致結構的總剛度顯著增加。Macleod 等［10］也通過有限元分析對螺釘配置、螺釘松動和骨折塊間運動相關變量進行研究，發現扭轉載荷下使用的螺釘總數是最重要的變量，在骨質疏松骨中使用六枚螺釘替代四枚螺釘時，最接近骨折端螺釘周圍的骨折塊間微動明顯減小。與使用2 枚螺釘的情況相比，使用3 枚螺釘時骨折塊間微動在軸向載荷和扭轉下明顯降低，而應用超過3枚螺釘對骨折塊間微動的影響最小。

在相關臨床應用中，Hoffmann等［30］回顧了采用鎖定鋼板內固定的111處骨折，在20例（18%）骨不連及延遲愈合的病人中有11 例（9.9%）出現內固定失敗，建議在骨折的兩側至少使用3 枚雙皮質螺釘。Jang 等［31］通過分析28 例股骨轉子下骨折后，提出固定骨干處至少4枚鎖定螺釘，其中僅1例出現植入物斷裂導致骨折不愈合（3.6%）。Bhardwaj 等［32］推薦骨折端兩側用螺釘最少固定6個骨皮質，36例中僅1例病人（2.8%）于術后3 個月出現鋼板斷裂。有研究發現螺釘密度與骨折愈合情況無關［4，33］。Rodriguez等［33］在對271例股骨遠端骨折的病人隨訪過程中，僅36 例出現了骨不連（13.3%），相關因素如近端螺釘數量、鋼板長度、總螺釘密度和近端螺釘密度等對骨折愈合情況沒有明顯影響。Harvin等［4］通過對96 例股骨遠端骨折病人的治療結果分析，34 例不愈合的病例（35.4%）中骨折近端螺釘數量和近端螺釘密度等因素對骨折愈合沒有明顯的相關性，但在骨干處全部應用鎖定螺釘（21例不愈合）導致骨不連的可能性為其它類型螺釘固定下的2.9倍。

在對于螺釘密度進一步研究中，Kim等［34］對73例股骨遠端骨折（AO/OTA 33 型）的治療中，21 例（28.8%）出現延遲愈合或需要二次手術，他們發現僅有螺釘密度是與骨折不愈合相關的獨立可預測因素，通過比較骨折愈合組和骨折不愈合組后，發現不愈合組的總螺釘數量較多（11.0±1.4 vs. 10.3±1.3，P=0.037），骨折部位螺釘密度也較大（0.33±0.37 vs.0.09±0.24，P=0.007）。Gautier 等［35］認為應當使用較少的螺釘來固定，推薦簡單骨折中螺釘密度在0.3～0.4之間，粉碎性骨折中螺釘置入率在0.4～0.5之間。Kubiak等［36］及Hoffmann等［30］也建議粉碎性骨折中最佳螺釘密度為0.4～0.5，在骨折間隙兩側用3枚或4枚螺釘進行橋接固定。Strauss等［23］則認為小于0.5的螺釘-孔比限制了在最近端和遠端螺釘的彎曲扭矩，對于粉碎性骨折至少使用2 枚螺釘固定4 個點的骨皮質，而對于簡單骨折應當具有3個皮質支撐。Hak等［12］認為減少螺釘的數量可能會降低鎖定鋼板的剛度并增加骨折塊間的運動，但僅限于遠皮質，建議螺釘密度為0.5。因此，在鎖定鋼板治療中將螺釘密度控制在0.3～0.5之間能夠有效控制鋼板及螺釘活動范圍及骨折塊間活動，增加骨折愈合概率。

（二）螺釘類型

在鎖定鋼板結構中使用的螺釘類型會影響整體結構剛度，目前仍依賴于術者結合骨折固定要求及經驗綜合判斷［3，16］。早先Egol等［29］分析了以往的實驗模型，發現單皮質螺釘較傳統鋼板螺釘結構更有優勢，并總結了單皮質螺釘的以下優點：易于經皮測量螺釘長度，易于插入并降低機械復雜性，螺釘的軸向控制由鋼板-螺釘界面提供，減少對骨內血液供應的損害，也不需要產生高的軸向力來將鋼板壓縮到骨骼。但從力學角度分析，Kubiak等［36］認為單皮質螺釘抵抗扭轉載荷的能力受到嚴重限制，雙皮質固定在螺釘工作長度方面的優勢遠遠超過健康皮質骨所賦予的優勢。在預期高扭轉載荷的情況下，建議使用雙皮質螺釘。而Fitzpatrick 等［37］通過不同組合螺釘模擬骨干部骨折橋接鋼板力學實驗發現在軸向載荷下，全雙皮質螺釘固定和單雙皮質螺釘混合固定可以顯著提高軸向載荷下的固定強度，同時提供相當的結構剛度。在扭轉載荷下，單皮質結構相對于非鎖定和雙皮質鎖定結構表現較差。當預期扭轉載荷較大時，他們建議在任何用于骨質疏松性骨骨折固定的全單皮質鎖定螺釘構造中添加1枚雙皮質鎖定螺釘。而Dougherty等［38］通過比較16個尸體脛骨骨折模型（AO 分型為41?C2）采用4 個骨折近端處部分雙皮質或單皮質鎖定及3 個骨折遠端螺釘的不同加壓方式后的表現，建議粉碎性骨折中使用雙皮質螺釘提供3個固定點（固定2 個點的骨皮質及鋼板與骨皮質連接處）防止鋼板斷裂。Beltran 等［39］也推薦骨干部骨折兩端使用不超過4枚鎖定螺釘雙皮質固定。Gwinner等［40］在鎖定鋼板中使用4 枚單皮質螺釘或3 枚雙皮質螺釘進行骨折近端的固定，發現雙皮質螺釘錨著性具有顯著優勢，單皮質固定的穩定性降低約36%。在單皮質固定組中，最早出現問題的是最近端的兩枚螺釘。在高度穩定性和負荷能力非常重要的情況下，均應考慮放置雙皮質螺釘。Vaughn等［41］對36具犬肱骨進行QCT分析，發現了雙皮質螺釘比單皮質螺釘更能抵抗螺釘軸向的拔出力，如果需要最大的穩定性，應該使用雙皮質螺釘固定，尤其是干骺端盡量放置雙皮質螺釘。綜合以上簡化模型分析及相關生物力學實驗，在骨折部位兩側應用單雙皮質螺釘混合固定的方法能夠保證骨折穩定性及一定的彈性，提供一個較好的生物學環境，但仍需要一定規模臨床試驗的驗證。

五、展望

鎖定鋼板在目前臨床上的應用越來越廣，但其相關并發癥在各類報道中仍時常出現。現有的生物力學實驗中所給予的力學載荷條件仍較為單一，需要控制的變量也較多，并且與人體內的復合載荷下的情況不完全相同。鎖定鋼板作為一種內固定方式，提供了相對足夠的穩定性，有利于骨折的愈合。目前的研究著重在于其穩定性的保障，同時相關實驗中不斷提到了彈性固定，應當注意到彈性固定結構可為骨折愈合和避免固定失敗提供必要的刺激，但其彈性固定的邊界條件仍未闡述清楚，特別是在不同類型骨折中理想的愈合情況下整體結構的剛度大小和應變的精確控制。對于簡單骨折而言，工作長度可以非常小，但結構剛度的增大使得骨折間隙應變減小，有利于骨折的愈合。相反，如果工作長度較大，結構剛度減小，骨折間隙應變可能增大（這還與骨折端是否能夠接觸有關），骨折愈合可能發生問題。而對于粉碎性骨折，盡管螺釘可以靠近骨折線，但其應變較大，骨折會以二期愈合的方式進行。而將螺釘放在遠離骨折線位置時，工作長度更大，應變會非常大，骨折容易出現不愈合。目前所謂的通過增加鋼板工作長度以避免應力集中從而避免鋼板斷裂是一種反向理論推導，需要進一步結合骨折的愈合情況。在簡單骨折中，當骨折在鋼板的疲勞壽命期內無法愈合，鋼板必然斷裂。也就是說，盡管工作長度較小，但鋼板應力很高，如果骨折能順利愈合的話，鋼板也不會斷裂。所以適合骨折類型所需的應變環境是最重要的，但不能因為擔心鋼板斷裂，而隨意增加工作長度，這雖然能減少鋼板斷裂的概率，但增加了骨不連的風險。

綜上所述，通過對于鎖定鋼板工作長度的分析，根據骨折部位愈合類型及骨折間隙大小可以選擇相對應工作長度以促進骨折愈合情況。同時，保持螺釘密度在0.3～0.5 之間能夠最大限度促進骨折愈合。應用雙皮質螺釘能夠提升整體結構穩定性，而單雙皮質螺釘混合固定可以提高包含骨質疏松在內的骨折治療效果。