股骨髓内钉近端不同方向锁钉对内固定稳定性的生物力学对比研究

叶积飞++++++叶方++++++苏琳珠

[摘要] 目的 對股骨髓内钉近端不同位置置钉的整体稳定性进行生物力学测试，为改进股骨髓内钉近端锁钉的置钉方向提供生物力学依据。 方法 选用2016年7～8月Sawbones股骨标准骨8个分成小粗隆置钉组，行股骨髓内钉内固定，近端锁钉按照不同方向置入，制作股骨中段骨折模型后进行轴向压缩实验，观察比较两组在相同轴向载荷下的压缩位移和压缩刚度结果。 结果 在相同压缩载荷下（除了载荷为100 N时）标准组平均移位均大于小粗隆置钉组，当压缩载荷在400 N及以上时，两组数据比较T波动在2.522～3.135，差异均有统计学意义（P<0.05）；在压缩刚度上：当压缩载荷在700 N及以上时，两组数据比较T波动在2.481～3.275，差异均有统计学意义（P<0.05）。 结论 当压缩载荷≥700 N时，小粗隆置钉组压缩位移小于标准组，而其压缩刚度明显大于标准组，说明小粗隆置钉组有更强的抗压缩能力，能提供更好的抗压、抗弯曲性能和更稳定的内固定。

[关键词] 股骨；生物力学；内固定；髓内钉

[中图分类号] R683 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2017）31-0012-05

[Abstract] Objective To carry out biomechanical test for the overall stability of different positions of nail placement in proximal femoral intramedullary nail， so as to provide biomechanical basis for the improvement of nail placement directions in the locking nails of proximal femoral intramedullary nail. Methods A total of 8 Sawbones femur standard bones were selected from July to August 2016 were divided into the standard group and the small trochanter nail placement group. They were given internal fixation of femoral intramedullary nail， and the proximal locking nails were placed in different directions. The axial compression experiment was performed after the middle femoral fracture model was prepared. The results of compressive displacements and compressive stiffness of the two groups under the same axial load were observed and compared. Results Under the same compressive load（except when the load was 100 N）， the average displacements in the standard group were all greater than those in the control group. When the compressive load was at 400 N and above， the T fluctuation in the comparison of data in the two groups was 2.522-3.135（P<0.05）， and there were all statistically significant differences； in terms of the compressive stiffness： When the compressive load was at 700 N and above， the T fluctuation in the comparison of data in the two groups was 2.481-3.275（P<0.05） and there were all statistically significant differences. Conclusion When the compressive load is ≥ 700 N， the compressive displacement in the small trochanter nail placement group is smaller than that in the standard group， and its compressive stiffness is significantly larger than that in the standard group， indicating that the small trochanter nail placement group has a stronger anti-compressive ability， which can provide better compression and bending resistance and more stable internal fixation.

[Key words] Femur；Biomechanics；Internal fixation；Intramedullary nailendprint

随着社会的发展和进步，高能量损伤越来越多，股骨干骨折的发生率也逐年增加，患者多为20～40岁的青壮年男性，对康复及预后要求高，多数选择手术治疗，手术内固定方式有髓内钉、接骨板或外固定支架固定，髓内钉是治疗股骨干骨折的首选方案[1-3]。但髓内钉治疗股骨干骨折存在一定的骨折不愈合率，文献报道在1%～20% 之间[4-6]。结合文献报道和我们的经验，骨折不愈合的一个重要原因是骨折术后内固定稳定性不足[7]，所以增加髓内钉固定后的稳定性是预防骨折不愈合的一项重要措施。

股骨髓内钉近端可选择1枚朝下置入股骨矩方向的锁钉，目前市面上股骨髓内钉的近端锁钉置钉方向与股骨冠状位平行，因股骨小粗隆存在一定的后倾角，所以该螺钉均从小粗隆前方骨质较为疏松的股骨内侧皮质穿出，无法进入骨密度高的小粗隆尖部，影响螺钉的把持力。为了研究将近端螺钉置入小粗隆是否能增加股骨髓内钉固定股骨骨折的稳定性，设计了本生物力学实验。

1 材料与方法

1.1 实验材料

选用由美国太平洋实验室生产的第4代Sawbones标准股骨模型8根；内固定材料选用江苏常州康辉医疗器械有限公司生产的股骨髓内钉。

1.2方法

8根股骨标准骨随机分为标准组和小粗隆置钉组各4根。标准组按照股骨髓内钉置入步骤行内固定，小粗隆置钉组标本在置入股骨髓内钉后，暂不鎖定远端2枚锁钉，予适当旋转髓内钉，使近端螺钉能从股骨小粗隆尖部穿出，最后再置入远端锁钉。两组标本内固定完成后，所有标本均在距离股骨头 20 cm 处将股骨干斜行截断，完成AO分型A2型[8]股骨中段骨折模型的制备。为了模拟人单足站立时髋负重的力线，即在冠状面股骨干内收位15°，在矢状面上股骨干垂直，并保持5°～10°的内旋[9]，在水平截断股骨髁部后，再楔形切除部分股骨远端，是楔形尖部朝向股骨内侧皮质。将股骨远端包埋固定，近端股骨头中心对准上方压力传动杆中心，压力传动杆探头感应到的加载应力的改变，位移、应力的数据以连续曲线的形式在配套电脑上自动记录。设定轴向加载速度2 mm/min，加载应力0～1500 N，每个标本分别加载4次，一次加载完成后将应力缓慢匀速撤除清零，间断1 min 后继续行第2次加载，以此类推，取第4次所得曲线，分别选取加载 100 N、200 N、300 N、400 N……1500 N（间隔 100 N）时的位移值，计算各种不同载荷下内植物固定后的压缩刚度（载荷/位移）。

1.3统计学方法

将数据导入Excel 2013图表，应用SPSS 19.0软件分析，计量资料以均数±标准差（x±s）表示，采用t检验，P<0.05为差异有统计学意义。

2结果

2.1不同负荷作用下的位移比较

分别选择8个实验标本100 N 加载应力时的位移值，计算平均位移，同理记录并计算200 N、300 N、400 N……1500 N（间隔100 N）时的平均位移值，并将上述平均值绘制成载荷-位移曲线图。除加载100 N 压缩载荷时标准组移位较小粗隆置钉组小，其余压缩载荷下标准组移位均大于小粗隆置钉组，进一步t检验提示，当压缩载荷在300 N 及以下时，两组数据无显著性差异；当压缩载荷在 400 N 及以上时，两组数据有统计学差异，即标准组位移明显大于小粗隆置钉组，说明小粗隆置钉组有更强的稳定性。见表1。

2.2 不同压缩载荷下的压缩刚度比较

压缩刚度的计算方式：载荷/位移。结果提示压缩载荷在100～300N时压缩刚度尚不稳定，但从 400 N 开始两组的压缩刚度均呈线性上升，且小粗隆置钉组压缩刚度均大于标准组，进一步t检验显示，当压缩载荷在 600 N 及以下时，两组压缩刚度无统计学差异；当压缩载荷在700 N及以上时，两组压缩刚度数据比较有统计学差异，即标准组的压缩刚度明显小于小粗隆置钉组，说明小粗隆置钉组有更强的抗压缩能力。见表2。

3 讨论

3.1 髓内钉治疗股骨干骨折骨不愈合的原因分析

股骨干骨折是一种临床上非常常见的骨折，骨折发生后采用闭合复位髓内钉内固定是治疗股骨干骨折的首选方案[1-3]。但髓内钉治疗股骨干骨折存在约1%～20% 之间的骨折不愈合率，骨不愈合的原因很多[10，11]，主要分为全身因素和局部因素。

全身因素[12]包括高龄、营养状况不良、激素类药物或抗凝及非甾体类抗炎药物的应用、烧伤和放射性损伤等。一些学者[13-14]均通过对比研究发现，非甾体类抗炎药（NSAID）在预防异位骨化时同时会显著增加骨折不愈合的发生概率，因此他们建议股骨干骨折患者术后避免使用NSAID药物。贾金生等[15]认为营养不良、慢性消耗性疾病、放化疗治疗、应用激素、吸烟等被认为是骨折不愈合的原因。与其相同观点的，Taitsman LA等[16]也认为吸烟是髓内钉治疗股骨干骨折术后骨不连的重要危险因素。

相对全身因素，局部因素涉及的原因则更多，如骨折的不同类型和局部血供不足、骨折的复位情况和髓内钉的选择是否恰当、骨缺损与是否植骨、术后是否感染、术后功能锻炼是否恰当等。Metsemakers WJ等[17]认为骨折分型不同是骨折不愈合的危险因素。Malik MH等[18]研究得出的结论是开放性骨折是术后骨不愈合的重要因素之一。当然，各种原因造成的血供不足也可导致萎缩型股骨干骨不愈合[19]，如手术操作欠妥、手术医生操作不规范、开放复位、骨膜剥离范围过大等都会影响骨折端血供，造成骨折不愈合。股骨干骨折后复位固定时处理尽量解剖复位，还需要选择大小合适的髓内钉，保证内固定后的稳定性，因为力学上的不稳定是骨折不愈合的重要原因[7]，一些人[20-21]认为髓内钉置入后力学不稳定的主要原因：髓内钉直径过小，与股骨髓腔不符；髓内钉长度不足；锁定螺钉断裂导致锁定强度下降；髓内钉主钉、锁定螺钉周围的骨溶解导致松动。也有较多研究[4，22-23]表明，术中没有扩髓是髓内钉治疗股骨干骨折患者发生骨不愈合的主要原因。endprint

结合我们的经验，骨折内固定的稳定是骨折愈合的重要因素，所以术中必须通过各种方式尽量增加骨折端的稳定性，才能降低骨折不愈合的发生率。

3.2 使用标准骨进行本研究的优势

生物力学实验中使用的实验模型材料来源主要有两种：尸体骨和人工骨材料。尸体骨为真实骨，其解剖和力学特性最接近和符合活体的实际情况，所以既往试验中使用较多[24-27]。但使用尸体骨进行实验有很多限制：①来源有限；②费用昂贵；③尸体骨多为福尔马林中浸泡多时的非新鲜标本，因为水分丢失等原因，与活体骨标本存在一定的生物力学差异，影响实验结果的准确性；④操作及保存不方便；⑤生物力学实验要求实验标本之间力学特征尽量一致，但由于不同年龄、性别及人种间的尸体骨均存在一定差异，尤其是骨密度的差异会对实验结果产生很大的影响，所有这些都会影响到试验的精确性。因此，如果样本数不多，使用尸体骨模型得出的最终结论可能缺乏准确性。

而人工标准骨是根据正常人体解剖参数生产出来的仿生骨，其解剖特性和人体正常骨骼形态相仿，不同材料所制备的人工骨可分别代表与其性质特征相似的松质骨与皮质骨，目前已有很多报道证实人工骨产品与人体骨具有相似的材料及结构属性，使用人工骨模型进行生物力学实验的文献报导也越来越多[28-30]，姜滔等[31]通过对Sawbone合成材料和尸体骨材料制作的股骨转子间不稳定骨折模型间的力学性质差异进行比较，最后结论认为最新一代的人造生物力学材料模型（即第4代Sawbones标准股骨模型）不仅在外观形态上，并且在物理性质上已经非常地接近人体骨骼，可以基本模拟正常人体骨骼系统，可替代传统的尸体骨进行各种力学测试。本实验所使用的第4代Sawbones股骨人工骨是由美国太平洋实验室生产的，近年来，已有很多研究者在不同实验条件下Sawbone人工骨的力学特性和尸体骨进行比较，结果提示，在以压应力为主的受试条件下，其弯曲刚度与尸体骨基本相似，而其旋转刚度较尸体骨差，所以在本研究所进行的轴向压缩载荷实验使用人工骨代替尸体骨对实验结果的准确性不会产生任何不良影响。而且，使用人工骨模型最大的优势在于标本间力学性质具有高度一致性，可以基本消除因样本间的差异所导致的结果偏倚，实验结果可信度更高。另外，与尸体骨模型相比，人工骨可以批量生产，来源不受限制，获得容易，而且保存和操作较尸体骨简单。所以，使用人工骨标准骨进行生物力学实验将会越来越受欢迎。

3.3 实验结果分析

在压缩试验中，压缩刚度表示内固定的稳定程度，与骨折后内固定的稳定性呈正比，本实验中，当压缩载荷在600 N及以下时，两组压缩刚度无统计学差异，考虑压缩载荷不大时，骨折断端尚未完全接触，内固定尚未完全稳定，故两组压缩刚度无明显差异；当压缩载荷在700 N及以上时，骨折端已完全接触，而此时两组数据存在明显差异，标准组的压缩刚度明显小于小粗隆置钉组，说明小粗隆置钉组有更强的抗压缩能力，可以提供更好的抗压、抗弯曲性能。对于一个50～60 kg的股骨骨折患者来说，行标准组或小粗隆置钉组方式髓内钉内固定治疗后，仅静态负重情况下，两组差异不大，但在进行行走、跑步、爬楼梯等动作时股骨头需承担等于体重多倍的应力，此时，如果行小粗隆置钉可以为髓内钉治疗股骨骨折提供更好的稳定性，提高骨折愈合率，减少髓内钉内固定术后骨不愈合的失败率。结合我们之前在解剖学研究上所得到的结果，我们有理由相信，小粗隆置钉组因为有更长的螺钉置入更坚硬的股骨小粗隆，螺钉拥有更好的把持力，所以更具有优势。

3.4 本研究的意义

股骨髓内钉是治疗股骨干骨折的首选治疗方案，为了较少术后骨折不愈合的发生，需最大程度增加内固定的稳定性，除了既往常规方法，如增加髓内钉直径、使用扩髓髓内钉等，我们更改了髓内钉近端螺钉的置钉方向，并通过设计生物力学实验的方式，证实了更改后将股骨髓内钉近端螺钉置入小粗隆，能提供较普通置钉方法更强的稳定性，特别对于老年骨质疏松或股骨上下直径髓腔差异较大而无法置入合适大小髓内钉的患者，我们的设计将能显著提高他们内固定术后的稳定性。基于我们的研究结果，我们建议髓内钉生产厂家适当改变髓内钉近端锁钉的位置和方向，以生产出更加合理的股骨髓内钉，减少术后骨折不愈合的发生率，造福于患者。

3.5 本实验存在的不足

本研究的局限性在于实验标本数量相对偏少，样本量不足，各组数据之间误差较大，结果可能会存在偏倚；在实验模型制作过程中，每个标本之间造模无法完全一致；本研究仅进行了股骨骨折AO分型A2型的实验，缺少其他类型骨折的实验数据；未进行扭转实验，在扭转刚度上两组是否有差异无法得知。

通过上述生物力学实验研究，我们知道当压缩载荷到达一定时，小粗隆置钉组压缩位移小于标准组，而其压缩刚度明显大于标准组，说明小粗隆置钉组有更强的抗压缩能力，可以提供更好的抗压、抗弯曲性能和更稳定的内固定，能减少内固定失败率，提高骨折愈合率。

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（收稿日期：2017-08-19）endprint