三維股骨近端髓內(nèi)釘治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折的生物力學(xué)研究

李維彬,楊 健,郭 旭,馮艷紅,趙 曄,孫立山

股骨轉(zhuǎn)子間骨折在65歲以上老年人群中發(fā)病率最高,如果未獲得有效治療,多數(shù)會因骨質(zhì)疏松、患處腫痛、長期臥床等引發(fā)多種嚴(yán)重并發(fā)癥,甚至死亡[1-3]。股骨近端防旋髓內(nèi)釘(PFNA)因具有操作簡單、創(chuàng)傷小、手術(shù)時間短等特點(diǎn)在臨床治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折中被廣泛應(yīng)用[4]。但也可能發(fā)生髖內(nèi)翻、內(nèi)固定物切割股骨頭、骨折塊間不穩(wěn)導(dǎo)致疼痛、內(nèi)固定物斷裂等并發(fā)癥[5]。目前學(xué)者們[6-7]認(rèn)為,股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定治療的失敗率為6%～20%,而股骨轉(zhuǎn)子間骨折的翻修又是一個棘手的難題[8-9]。為了解決股骨轉(zhuǎn)子間骨折治療中所面臨的這些難點(diǎn),提高股骨轉(zhuǎn)子間骨折的治療效果,我們發(fā)明了一套全新的可用于治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折的內(nèi)固定裝置:三維股骨近端髓內(nèi)釘(3DPFN)[10](華森醫(yī)療器械股份有限公司生產(chǎn))。仿生力學(xué)實(shí)驗(yàn)是內(nèi)固定裝置研發(fā)過程中關(guān)鍵的一環(huán),通過模擬內(nèi)固定模型在人體中的受力情況,可對內(nèi)固定裝置進(jìn)行靜態(tài)抗壓能力和動態(tài)疲勞測試。姜滔 等(2010年)認(rèn)為,第4代人工股骨(Sawbones公司)力學(xué)性能與真正的人體骨骼性能接近,可在骨科內(nèi)固定材料力學(xué)測試研究中代替尸體骨骼使用。Evans-Jensen分型能判斷股骨轉(zhuǎn)子間骨折復(fù)位后的穩(wěn)定性以及為骨折再次移位的風(fēng)險提供預(yù)測[11],可選擇Evans-Jensen分型中的不穩(wěn)定類型Ⅳ型作為有生物力學(xué)的研究對象。本研究應(yīng)用第4代人工股骨制成Evans-Jensen Ⅳ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折模型,采用PFNA和3DPFN分別固定骨折模型,并進(jìn)行仿生力學(xué)實(shí)驗(yàn),評估3DPFN生物力學(xué)特性,為3DPFN的進(jìn)一步研發(fā)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本與制備將60個第4代人工股骨分別使用電鋸制造轉(zhuǎn)子間骨折線并切除內(nèi)后方小轉(zhuǎn)子且不固定,制成60個Evans-Jensen Ⅳ型股骨轉(zhuǎn)子間骨折模型。將3DPFN(見圖1)和PFNA通過瞄準(zhǔn)器等手術(shù)專用器械,按照裝配標(biāo)準(zhǔn)手冊和臨床手術(shù)常規(guī)操作的要求,分別置入骨折模型中,3DPFN組使用3DPFN固定(見圖2A),PFNA組使用PFNA固定(見圖2B),每組30例,其中每組中15例用于靜態(tài)極限壓力測試,15例用于動態(tài)疲勞測試。

圖1 3DPFN裝置 A.3DPFN正、側(cè)面觀,近端可見4個滑動孔;B.3DPFN的空心螺釘;C.3DPFN的4枚空心螺釘通過4個滑動孔與髓內(nèi)釘連接后的正、側(cè)面觀

圖2 股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定模型 A.3DPFN模型;B.PFNA模型 圖3 模型上機(jī)力學(xué)測試時工裝圖 A.3DPFN模型;B.PFNA模型

1.2 生物力學(xué)檢測方法

1.2.1力學(xué)測試裝備及方法 力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)為Instron電子疲勞試驗(yàn)機(jī)(設(shè)備規(guī)格型號:E10000,設(shè)備編號:E10BMTB10128),數(shù)據(jù)采集軟件:Instron WaveMatrix V1.8.383。將制作好的股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定模型通過環(huán)氧樹脂包埋至遠(yuǎn)端鎖釘下5 cm,固定于夾具中,放入工裝中固定,使骨折模型內(nèi)收傾斜10°,向后傾斜9°,模擬人體單腿站立時的股骨受力情況。見圖3。

1.2.2數(shù)據(jù)采集 靜態(tài)極限壓力測試參數(shù):力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)以5 mm/min的速率垂直向下給股骨頭施加壓力,直到骨折內(nèi)固定裝置失效為止。動態(tài)疲勞測試參數(shù):頻率設(shè)置為2 Hz,從最小載荷100 N、最大載荷600 N開始,以5 000次循環(huán)為一周期,若固定裝置還未失效,則繼續(xù)開始下一周期,每一周期增加100 N,直到最大載荷為2 100 N的循環(huán)周期結(jié)束或內(nèi)固定失效。測試過程中數(shù)據(jù)采集軟件自動記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.3 觀察指標(biāo)靜態(tài)極限壓力測試中的軸向靜態(tài)極限載荷,動態(tài)疲勞測試中內(nèi)固定失效前最大循環(huán)次數(shù)和極限載荷。

2 結(jié)果

靜態(tài)極限壓力測試結(jié)果顯示,軸向靜態(tài)極限載荷3DPFN組高于PFNA組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。動態(tài)疲勞測試結(jié)果顯示,內(nèi)固定失效前最大循環(huán)次數(shù)3DPFN組多于PFNA組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);內(nèi)固定失效前極限載荷3DPFN組高于PFNA組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見表1。

表1 兩組模型的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較

3 討論

3.1 股骨轉(zhuǎn)子間骨折內(nèi)固定裝置的發(fā)展進(jìn)程動力髖螺釘(DHS)于19世紀(jì)70年代普遍用于治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折,具有滑動加壓的優(yōu)點(diǎn),但是作為偏心髓外固定,生物力學(xué)穩(wěn)定性差,術(shù)后易發(fā)生螺釘松動退出、股骨頭頸的切割、內(nèi)固定折斷,導(dǎo)致術(shù)后失敗率較高。1990年Grosse et al應(yīng)用Gamma釘治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折,Gamma釘屬于髓內(nèi)固定,但是并發(fā)癥亦較多,主要表現(xiàn)為髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端股骨干骨折、拉力螺釘切割股骨頭。1996年AO/ASIF組織對Gamma釘進(jìn)行改良生產(chǎn)出股骨近端髓內(nèi)釘(PFN),PFN表現(xiàn)出來的最大問題是頭頸螺釘存在“Z”字效應(yīng)。

2003年AO/ASIF組織推出PFNA,把PFN中的2枚螺釘替換成1枚更粗的螺旋刀片,雖然PFNA避免了“Z”字效應(yīng),但是螺旋刀片的切割及退出現(xiàn)象也隨之而來[12]。InterTAN髓內(nèi)釘是Smith&Nephew公司在2006年設(shè)計(jì)的新一代髓內(nèi)釘,其頭頸螺釘也是2枚,與PFN所不同的是,它的這2枚螺釘是通過螺紋交鎖在一起的,能減少“Z”字效應(yīng)的產(chǎn)生[13-14],還能通過下面較細(xì)的加壓螺釘?shù)男D(zhuǎn)形成比PFNA更大的拉力作用,使股骨轉(zhuǎn)子間骨折復(fù)位效果更佳[15];同時聯(lián)合交鎖的2枚螺釘具有比PFNA的螺旋刀片更好的抗旋轉(zhuǎn)能力[16]。張英澤院士和張殿英教授共同研發(fā)的股骨近端仿生髓內(nèi)釘(PFNB)[17-18]的頭頸螺釘也是2枚,這2枚螺釘以相互交叉的形式位于股骨頸和股骨頭內(nèi),既能夠避免“Z”字效應(yīng),又具有良好的抗旋轉(zhuǎn)作用。由此可見,頭頸內(nèi)多釘固定系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的發(fā)展?jié)摿?本研究中3DPFN亦屬于頭頸內(nèi)多釘固定系統(tǒng)。

3.2 3DPFN的生物力學(xué)優(yōu)勢3DPFN近端有4個依次排列的圓形滑動孔,4枚空心加壓螺釘通過4個滑動孔與髓內(nèi)釘連接并固定股骨頭頸,空心加壓螺釘?shù)念^端分散分布于股骨頭的上、前、后、下4個象限,其連線形成一個菱形,具有滑動加壓作用。有限元分析及力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)空心加壓螺釘菱形分布具有更優(yōu)的應(yīng)力分散作用和抗扭力作用[19-20],并且相互交叉的空心加壓螺釘?shù)淖冃螖嗔迅怕矢21]。另外,位于3DPFN最下方的螺釘,可更加貼近股骨距,可以有效復(fù)位與固定股骨距,發(fā)揮維持壓力線的作用[22],位于最上端的螺釘,可以發(fā)揮維持張力線的作用。3DPFN近端有4個滑動孔,可以減小應(yīng)力集中效應(yīng),增強(qiáng)抗疲勞斷裂的生物力學(xué)性能[23]。本研究結(jié)果顯示,靜態(tài)極限載荷3DPFN組高于PFNA組 (P<0.05)。動態(tài)疲勞測試內(nèi)固定失效前最大循環(huán)次數(shù)3DPFN組多于PFNA組 (P<0.05);內(nèi)固定失效前極限載荷3DPFN組高于PFNA組 (P<0.05)。

3.3 本研究的不足① 臨床實(shí)際中股骨轉(zhuǎn)子間骨折的骨折線是不規(guī)則的,本試驗(yàn)對建立的骨折模型做了簡化處理,骨折模型的設(shè)置在一定程度上是人為設(shè)定,不能完全反映臨床實(shí)際。② 本次研究僅對3DPFN治療股骨轉(zhuǎn)子間骨折提供了仿生力學(xué)的初步研究,不能替代人體上的生物力學(xué)研究和內(nèi)固定疲勞斷裂的研究。③ 力學(xué)實(shí)驗(yàn)也有其局限性,良好的力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不等于良好的臨床效果,一款新的內(nèi)固定裝置是否安全有效,還需要進(jìn)一步的臨床驗(yàn)證。