骨折固定生物力學(xué)試驗(yàn)綜述

朱正國，高建朋，陳 華

解放軍總醫(yī)院 骨科醫(yī)學(xué)部，北京 100853

隨著創(chuàng)傷骨科的發(fā)展，新型內(nèi)固定物不斷涌現(xiàn)，生物力學(xué)試驗(yàn)?zāi)転樾聝?nèi)固定設(shè)計(jì)的投入使用提供有利證據(jù)，檢驗(yàn)內(nèi)固定物的力學(xué)性能。但力學(xué)試驗(yàn)在描述活體骨骼對機(jī)械刺激的反應(yīng)方面存在一定的局限性，如持久的力學(xué)刺激對于骨與關(guān)節(jié)及軟組織的影響(骨缺血壞死、骨折愈合、應(yīng)力遮擋)是不能在簡單的生物力學(xué)試驗(yàn)中觀察到的，如內(nèi)固定的松動、螺釘?shù)那谐觥?nèi)固定的斷裂等短期的影響能從生物力學(xué)試驗(yàn)中表現(xiàn)出來。此外計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)、臨床試驗(yàn)?zāi)軌蜓a(bǔ)充一些相關(guān)的信息。本文對文獻(xiàn)中常用的試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行綜述，討論不同模型的優(yōu)缺點(diǎn)，為理解骨折固定的生物力學(xué)模型并評估其結(jié)果提供必要的信息。

1 力學(xué)測試方式

1.1 剛度(Stiffness) 在生物力學(xué)測試中，剛度經(jīng)常被用來評估內(nèi)固定的力學(xué)性能，產(chǎn)生單位形變所需的力值越大，結(jié)構(gòu)就被認(rèn)為越堅(jiān)硬。而剛度測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性取決于幾個變量。首先，對于常見的斷端缺損骨折模型，如果骨-植入物界面足夠堅(jiān)硬，發(fā)生的形變可忽略，在這種情況下，骨頭僅起到固定植入物末端的把手作用，測量的剛度完全是跨越骨折的植入物的剛度，如有限元仿真力學(xué)試驗(yàn)中，多數(shù)研究將內(nèi)植物與骨界面設(shè)置為綁定狀態(tài)，忽略了內(nèi)植物-骨界面發(fā)生的位移[1-2]。但真實(shí)情況下骨與植入物之間的形變不能被忽略，尤其是在骨質(zhì)疏松模型中，內(nèi)植物與骨界面常伴有骨松質(zhì)的壓縮、螺釘?shù)那懈睿敲凑麄€骨-內(nèi)固定結(jié)構(gòu)應(yīng)該被認(rèn)為是一個整體，測量結(jié)果也是整體的剛度，這更能反映真實(shí)的力學(xué)環(huán)境。其次，對剛度數(shù)據(jù)的解釋取決于如何測量位移。當(dāng)傳感器用于測量位移時，測量數(shù)據(jù)包括整個系統(tǒng)的總位移，而不僅是骨折部位的運(yùn)動。因此，當(dāng)使用總位移來計(jì)算剛度時，首先要消除結(jié)構(gòu)的“沉降”或“滑移”(即骨-植入物界面發(fā)生的不穩(wěn)定位移)，這可能會影響數(shù)據(jù)的解釋[3-5]。對于不同試驗(yàn)設(shè)計(jì)所測剛度之間不能直接比較，在加載力量相同的情況下，所測得位移可因標(biāo)本的設(shè)計(jì)位置不同而變化。如Rothstock 等[6]和Tilton 等[7]的研究中由于肱骨放置角度不同，所測剛度沒有可比性。Dankl 等[8]研究顯示在軸向加載過程中，不同的受力階段得到的結(jié)構(gòu)剛度也不同，初始剛度為425.5，而在試驗(yàn)后期剛度為268，相差較遠(yuǎn)。

內(nèi)固定剛度在最佳范圍內(nèi)是骨折愈合的基本要求，固定過于堅(jiān)強(qiáng)或過于柔韌都會影響愈合過程[9]。大多數(shù)生物力學(xué)研究的結(jié)論表明，堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定是首選，但少部分研究認(rèn)為，剛度的增加可能會限制骨折部位的微動，減少骨痂的形成，從而不利于愈合過程。剛度的增加也會導(dǎo)致內(nèi)固定結(jié)構(gòu)與天然骨質(zhì)之間出現(xiàn)巨大硬度差異，特別是在骨質(zhì)疏松的骨骼中，過分堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定結(jié)構(gòu)會增加內(nèi)植物-骨界面咬合失敗的風(fēng)險(xiǎn)[10]。因此，內(nèi)固定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能完全反映臨床效果。Norris等[11]認(rèn)為目前的骨折固定已經(jīng)不能簡單地理解為鎖定鋼板和螺釘用于絕對穩(wěn)定、外固定架和髓內(nèi)釘用于相對穩(wěn)定的簡單觀點(diǎn)，而是要結(jié)合各種因素，如骨折的類型、是否合并骨質(zhì)疏松等，來決定固定的穩(wěn)定程度。剛度測試作為生物力學(xué)試驗(yàn)的主要參數(shù)，能夠客觀反映內(nèi)固定物的固定強(qiáng)度，為研究骨折愈合過程與內(nèi)固定強(qiáng)度的關(guān)系提供必要的信息。

1.2 破壞試驗(yàn)(static failure) 靜態(tài)破壞性測試是力學(xué)試驗(yàn)中一項(xiàng)基本的加載形式，優(yōu)點(diǎn)是能夠快速測量內(nèi)固定結(jié)構(gòu)的極限載荷。使用指定的矢量、幅度和速率施加單一載荷，直到結(jié)構(gòu)失效。失效是由研究者定義的，必須與臨床相關(guān)。最常見失效定義為骨折、內(nèi)植物斷裂、骨-內(nèi)植物關(guān)系脫離、螺釘切出等。失效也可以由臨床上相關(guān)的骨折斷端位移閾值來定義，常伴隨著植入物的變形。一般來說，靜態(tài)失效測試并不代表典型的骨折內(nèi)固定失效模式。因此，當(dāng)通過靜態(tài)破壞性試驗(yàn)比較不同植入物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時，要了解多大的強(qiáng)度是足夠的。在一項(xiàng)涉及鎖骨骨折髓內(nèi)釘治療的生物力學(xué)研究中，研究者用鋼板和髓內(nèi)釘來固定新鮮冷凍的鎖骨標(biāo)本，并以四點(diǎn)彎曲的方式加載，結(jié)論為鋼板是更好的鎖骨骨折固定方法，因?yàn)樗鼈冊诠潭ㄝd荷下移位較小，強(qiáng)度較高[12]。然而，臨床研究發(fā)現(xiàn)，鎖骨骨折的髓內(nèi)固定是有效的，即髓內(nèi)釘?shù)膹?qiáng)度是能夠滿足臨床愈合要求的[13]。這種差異即為生物力學(xué)測試與臨床效果的差異。而在骨質(zhì)疏松的模型中，由于骨質(zhì)的強(qiáng)度變?nèi)酰谄茐脑囼?yàn)中往往出現(xiàn)與內(nèi)固定物無關(guān)的相同或相近位置的標(biāo)本骨折，因此無法評價(jià)內(nèi)固定物之間的力學(xué)差異[14]。因此，破壞試驗(yàn)并不作為常規(guī)的測試項(xiàng)目，其臨床適用性有限，僅作為補(bǔ)充參數(shù)。

1.3 循環(huán)加載(cyclic fatigue) 循環(huán)負(fù)荷與骨折固定后的臨床環(huán)境最為相似。在循環(huán)過程中可以收集多個數(shù)據(jù)點(diǎn)，通常會連續(xù)監(jiān)測或在不同時間點(diǎn)監(jiān)測剛度或骨折位移，以確定生物力學(xué)變化。載荷的大小是疲勞試驗(yàn)中的一個關(guān)鍵參數(shù)。目標(biāo)是盡可能模擬生理?xiàng)l件。對于下肢，這通常等同于在術(shù)后即刻行走或進(jìn)行其他基本活動。Taylor 和Walker[15]在股骨遠(yuǎn)端安裝了遙測應(yīng)變計(jì)，在水平行走時發(fā)現(xiàn)感受器所測力量是體質(zhì)量的2.8 倍。彎曲力為體質(zhì)量的4.7~9.8 倍，軸向旋轉(zhuǎn)力最小。Bergmann 等[16]通過將帶有力量傳感器的肱骨頭假體植入活體測量了上肢活動時肱骨頭在各個方向上所受力的變化，肩關(guān)節(jié)外展75°時，肩關(guān)節(jié)受力可達(dá)到體質(zhì)量的85%，外展45°時可達(dá)到51%。Favre 等[17]用計(jì)算機(jī)模擬了肩關(guān)節(jié)運(yùn)動時肩關(guān)節(jié)周圍肌腱、肩袖承受的力，外展30°時岡上肌受力為90 N、三角肌力量為320 N，這為我們的力學(xué)測試提供了有力的參數(shù)依據(jù)[18-22]。

測試所需的周期數(shù)經(jīng)常引起爭論。美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(American Society of Testing Materials，ASTM)制訂了材料測試指南，要求大多數(shù)內(nèi)植物在5~10 Hz 下進(jìn)行100 萬次循環(huán)測試[23]。制訂這些標(biāo)準(zhǔn)的目的是形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)制造商之間的數(shù)據(jù)比較。ASTM 國際指南并不用來評估植入物的臨床性能。因此，ASTM 國際公司明確表示不要對根據(jù)其指南產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行臨床推斷。因此，在確定適當(dāng)?shù)闹芷跀?shù)時，應(yīng)考慮生理因素。在生理負(fù)荷范圍內(nèi)，每個植入物最終都會在足夠的周期內(nèi)失敗，因此有必要定義必須持續(xù)多少個周期才能保證臨床上骨折愈合。骨折愈合時間平均3 個月，相當(dāng)于150 000~250 000 個周期。200 000 次1 Hz 的循環(huán)加載相當(dāng)于約57 h 的測試時間。而新鮮冷凍骨骼的力學(xué)性能在室內(nèi)暴露約50 h 后開始惡化，研究者在進(jìn)行長時間測試時應(yīng)考慮這一點(diǎn)[24-25]。間斷的水化可以最大限度地減少尸體標(biāo)本的干燥以維持其力學(xué)特性。近年來，漸進(jìn)加載方式在生物力學(xué)測試中的使用頻率越來越高。漸進(jìn)加載的好處是加速了結(jié)構(gòu)疲勞，同時限制了觀察差異所需的循環(huán)次數(shù)，從而減少測試所需的時間，這在測試新鮮尸骨標(biāo)本時，能最大限度地減少力學(xué)性能的差異[7,26-31]。

循環(huán)測試中常見的觀察指標(biāo)包括內(nèi)固定失效時的循環(huán)次數(shù)、失效載荷、骨折斷端的位移等。Epari 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，骨折端最適宜的軸向微動為0.2~1 mm，微動不足或過度可能導(dǎo)致治療失敗。因此監(jiān)測循環(huán)加載條件下的斷端位移就顯得十分重要，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，骨折斷端位移的測量方法也在不斷更新，常見的測量方法有應(yīng)變計(jì)、數(shù)字照片比對、電磁運(yùn)動分析系統(tǒng)、光學(xué)追蹤測量位移系統(tǒng)等，可以更精確地測量骨折部位的位移[28-29,33-34]。但良好的骨折愈合不僅需要機(jī)械環(huán)境處于最佳狀態(tài)，同時需要最佳的生物環(huán)境，如患者全身因素、局部軟組織、骨折類型和骨折愈合階段等。

2 標(biāo)本選擇

在設(shè)計(jì)骨折內(nèi)固定生物力學(xué)研究時，可以使用各種不同的模型，如新鮮的尸體模型、干骨、合成骨等，每種模型都有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，但目前使用最廣泛的還是新鮮尸體骨和合成骨。

2.1 尸體骨(cadaver specimens) 尸體骨是力學(xué)測試中常用的材料。它的主要優(yōu)點(diǎn)是新鮮標(biāo)本能夠再現(xiàn)活體環(huán)境的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和機(jī)械特性。但如何利用好尸骨標(biāo)本是大多數(shù)研究者面臨的難題。尸體樣本包含各個年齡段，骨骼質(zhì)量和力學(xué)強(qiáng)度會隨著年齡的變化而變化[35-36]。目前大多采用雙能X 線骨密度儀或定量CT 測定骨密度，并按此參數(shù)配對標(biāo)本。也可以依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，增加樣本的數(shù)量來消除一些差異性問題。

新鮮尸體材料是最可靠的測試模型，其提供了活體狀態(tài)下骨最精確的黏彈性等特性。然而，除非在獲得后的幾天內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，否則使用新鮮尸體標(biāo)本進(jìn)行檢測幾乎是不可行的。有研究顯示，犬類模型在-20°C 或最理想的-70°C 0.9%氯化鈉注射液中冷凍儲存，8 個月內(nèi)不會影響骨骼強(qiáng)度[37]。使用標(biāo)本前應(yīng)在室溫下以0.9%氯化鈉注射液將樣品解凍3 h 以上；這可最大限度地減少由于暴露在空氣中，干燥、蒸發(fā)對標(biāo)本骨質(zhì)產(chǎn)生的影響。解凍后，應(yīng)迅速進(jìn)行試驗(yàn)，因?yàn)樾菝呙富钚钥赡軙匦录せ睿瑢?dǎo)致組織降解。同時不同組別在處理標(biāo)本的時間和儲存條件上要保持一致[38-39]。近期的研究顯示，在生物力學(xué)測試中，建議將標(biāo)本保存在低溫條件下或甲醛保存4 周內(nèi)，對其力學(xué)形成影響最小[40]。

研究發(fā)現(xiàn)對標(biāo)本進(jìn)行甲醛防腐處理可長時間保存組織，并具有抗菌效果，從而將生物危害降至最低。然而，防腐過程會顯著影響骨的一些力學(xué)性能。Fulkerson 等[41]利用防腐尸體標(biāo)本做生物力學(xué)研究，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)標(biāo)本的破壞機(jī)制反復(fù)無常，發(fā)生破壞的載荷范圍十分廣泛，一致性差，因此不得不將試驗(yàn)標(biāo)本換成人造合成骨骼模型。Ohman 等[42]的研究表明，在低濃度甲醛(4%)中進(jìn)行短期防腐(＜4 周)對骨骼力學(xué)性能的影響微乎其微，結(jié)論是當(dāng)新鮮冷凍儲存不可行時，短期防腐可能是一個可行的選擇。也有研究在探索維持尸骨標(biāo)本體外力學(xué)特性的方法，但理想條件仍需要進(jìn)一步的研究[43-44]。

2.2 合成替代骨(synthetic bone substitutes) 針對尸體標(biāo)本資源的多種限制，以及尸體骨的均質(zhì)性差的問題，人工骨替代物應(yīng)運(yùn)而生。與尸體骨相比，合成骨替代品容易大量獲得，沒有感染風(fēng)險(xiǎn)，樣本間變異性最小。目前被廣泛應(yīng)用的是第四代Sawbone 合成骨模型，其完全模擬健康骨的力學(xué)性能，具有均質(zhì)性強(qiáng)、使用方便等特點(diǎn)。合成骨材料的骨特性已被證實(shí)，許多力學(xué)參數(shù)與人體標(biāo)本相當(dāng)，如合成骨自身的彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓縮等方面的力學(xué)特性達(dá)到了與尸體骨相似[45]。然而，在這些特性中有許多與測試骨折固定結(jié)構(gòu)無關(guān)。因?yàn)榇蠖嘌芯績H測量了合成骨自身的特性，但骨折植入物的研究更多依賴于整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，如骨的螺釘拔出和內(nèi)植物周圍的應(yīng)力骨折等。人造骨骼模型模擬這些特性的能力尚不清楚。目前的研究還沒有考慮到動態(tài)載荷下的螺釘-骨界面失效差異或骨的表面摩擦系數(shù)與合成骨的差異，不能很好地展示真實(shí)的內(nèi)植物在體內(nèi)的情況。其次，隨著人口老齡化和老年骨質(zhì)疏松性骨折發(fā)生率的增加，需要適合力學(xué)測試的骨質(zhì)疏松性骨替代物。目前可用的僅有股骨骨質(zhì)疏松模型，其皮質(zhì)厚度和骨松質(zhì)密度均減少，結(jié)構(gòu)性能和螺釘拔出強(qiáng)度與已有文獻(xiàn)的尸體股骨強(qiáng)度有較低范圍重合[46]。其能夠滿足骨質(zhì)疏松骨折的研究，其他部位的骨質(zhì)疏松模型還沒有研發(fā)使用。在力學(xué)測試中如果僅比較不同內(nèi)植物初始固定結(jié)構(gòu)剛度等力學(xué)特性，那么合成骨還是很好的選擇。但如果要全面地考慮內(nèi)植物在體內(nèi)的情況，以及循環(huán)試驗(yàn)中解決骨-內(nèi)植物界面的疲勞耐久性或破壞時，新鮮的尸骨標(biāo)本可能更合適。

3 結(jié)語

在生物力學(xué)的試驗(yàn)中要考慮的因素很多，同時要控制變量的數(shù)量，因?yàn)槊總€變量都有引入錯誤的可能性，但又不能將試驗(yàn)設(shè)計(jì)的過于簡單，以至于失去所有的臨床相關(guān)性。因此我們在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時就要平衡試驗(yàn)與臨床的關(guān)系，明確試驗(yàn)的目的、引入的參數(shù)、標(biāo)本的選擇等因素。成功的手術(shù)治療措施需要了解愈合的最佳生物力學(xué)環(huán)境，因此體外的生物力學(xué)試驗(yàn)?zāi)康氖潜M可能地還原生理環(huán)境。通過對上述試驗(yàn)參數(shù)、標(biāo)本選擇的綜述，我們能夠有選擇性地設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以期獲得更加真實(shí)地結(jié)果。