双头空心加压螺钉固定前交叉韧带胫骨止点撕脱骨折的生物力学研究*

张志伟，杨程惠，刘俊才，李仁明，赫明亮，岳永川，李忠

（1.四川省自贡市第四人民医院 骨科，四川 自贡 643000；2.电子科技大学 生物工程系，四川 成都 610066；3.西南医科大学附属医院 骨与关节外科，四川 泸州 646000）

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）胫骨止点撕脱骨折由PONCET在1875年提出，发生率约为每年3/10万，占整个ACL损伤的14%，近年该骨折的发病率呈上升趋势[1-3]。目前，针对常见的Ⅱ、Ⅲ型骨折（Meyers分型[4-5]），多数学者主张解剖复位及坚强内固定，以恢复ACL的生物力学及股骨-ACL-胫骨复合体（femur-ACL-tibia complex，FATC）的连续性[6-7]，常用的方法为关节镜下复位螺钉或缝线内固定[8-9]。

虽然上述方式在临床取得了满意疗效，但仍有缺陷，如：缝线固定手术技术较高、时间较长，术后制动时间较长，易致关节僵直，若经过骺板易致儿童生长受限[10]；锚钉固定手术技术较高、时间较长，费用较高[11-12]；空心拉力螺钉螺帽易致髁间窝撞击，影响关节功能[13]；可吸收螺钉易致关节游离体，损伤关节软骨。而双头空心加压螺钉固定牢靠，螺帽可拧入骨质内，可避免发生髁间窝撞击，其双螺纹结构固定力量可能强于空心拉力螺钉及缝线。查阅文献未见报道双头空心加压螺钉固定ACL胫骨止点撕脱骨折的生物力学研究，故假设双头空心加压螺钉固定ACL胫骨止点撕脱骨折的生物力学不差于空心拉力螺钉及缝线，且可避免发生髁间窝撞击。

因此，本实验拟通过双头空心加压螺钉、空心拉力螺钉及缝线固定ACL胫骨止点撕脱骨折的生物力学强度比较，以探究双头空心加压螺钉固定ACL胫骨止点撕脱骨折的生物力学效果。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本实验为作者在西南医科大学读研究生期间完成（2016年1月-2017年2月，在四川大学生物力学实验室完成标本造模、力学测试及数据收集；在西南医科大学生物力学实验室完成数据处理及分析）。选择30例年龄约1岁、体重约100 kg、骨密度无明显差异的猪膝关节（普通猪系）作为样本。-20℃环境下保存，测试前常温下放置24 h解冻。用手术刀剔除除FATC以外的组织，用自凝牙托粉（义齿基聚合物，山西长治齿科材料有限公司）包埋样本两端。使用骨刀将ACL胫骨止点制成30.0 mm（长）×15.0 mm（宽）×8.5 mm（深）的骨折块，以模拟Ⅲ型骨折[14-15]。按随机数字表法将30例样本分为A组（双头空心加压螺钉，常州华森医疗器械有限公司）、B组（空心拉力螺钉，常州华森医疗器械有限公司）及C组[缝线，强生（上海）医疗器械有限公司]，每组10例。3组样本的年龄、体重、骨密度和骨折块的大小比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。见表1。

1.2 固定步骤

1.2.1 A和B组步骤如下：①将膝关节屈曲90°；②在直视下解剖复位骨块，并使ACL呈松弛状态，以免影响骨折复位后的位置及内固定的置入位置；③以骨块中心为入针点，通过电钻从上到下、由前内向后外（与胫骨矢状面及冠状面呈30°）方向置入一直径为2.5 mm的克氏针临时固定骨块；④C臂透视克氏针位置准确后，用空心钻沿克氏针方向扩孔，测深器测量骨隧道深度；⑤根据所测的深度，A、B组分别置入一直径3.5 mm、长42.0 mm的相应螺钉行单皮质固定；⑥记录两组螺帽埋入骨块内情况。见图1。

1.2.2 C组步骤如下[14]：①将膝关节屈曲90°；②在直视下解剖复位骨块后，并使ACL呈松弛状态；③将ACL瞄准器设置在55°，从胫骨结节内侧置入直径为2.5 mm的导针，在骨块中心外侧10.0 mm处穿出；④将ACL瞄准器设置为48°，在胫骨结节第一孔内侧1.0 cm处置入直径为2.5 mm的导针，从骨块中心内侧10.0 mm处穿出；⑤用2.5 mm的过线导针将2条2号UltraBraid缝线[16]穿过隧道，将缝线从骨块上方、ACL基底部前中、中后1/3处穿过韧带后经内外侧隧道导出；⑥再次复位骨块后，拉紧缝线，打5个结固定。见图2。

表1 3组样本的基本资料比较 （±s）Table 1 Comparison of basic information among three groups （±s）

表1 3组样本的基本资料比较 （±s）Table 1 Comparison of basic information among three groups （±s）

骨折块的大小/mm长度 宽度 深度A组（n=10） 371.80±1.55 99.80±3.33 0.05±0.47 30.80±1.75 15.80±1.81 8.77±0.44 B组（n=10） 370.90±1.45 99.60±3.50 0.01±0.42 31.70±2.26 15.50±1.58 8.87±0.46 C组（n=10） 371.50±1.58 99.50±3.54 0.01±0.48 31.00±2.26 16.00±1.33 8.81±0.33 F值 0.90 0.02 0.96 0.50 0.25 0.15 P值 0.418 0.981 0.909 0.610 0.780 0.864组别 年龄/d 体重/kg 骨密度/T

图1 A和B组螺钉复位固定ACL胫骨止点撕脱骨折Fig.1 Fixation of ACL tibial avulsion fracture with screw in group A and B

1.3 生物力学测试

1.3.1 实验环境所有测试在常温下进行，用0.9%氯化钠保持样本湿润，以避免韧带干燥，变性。将样本安装在电子万能试验机（AU-IS20，日本岛津制作所）上，调整膝关节为60°位，以使得负载时作用力能最大程度的作用于ACL[17]。见图3。

1.3.2 预处理测量前，用10 N的力量持续15 s对样本作预处理。

1.3.3 循环负载测试通过施加60 Hz，0～40 N的作用力对样本进行10圈的循环负载测试[15]，利用计算机（电子万能试验机的配套设备）获得负载-位移曲线图及初始位移数据。初始位移为第二圈至第九圈的平均值。有学者认为循环负载圈数至少需超过1 000圈，但本实验主要是探究术后早期阶段制动条件下的位移情况，10圈足以反映该初始位移[14]。

图2 C组缝线固定ACL胫骨止点撕脱骨折Fig.2 Fixation of ACL tibial avulsion fracture with suture in group C

图3 样本安装示意图Fig.3 Sketch map of sam p le installation

1.3.4 失效负载测试通过对胫骨施加作用力，使胫骨近端以1 mm/s的速度向前移动来检测失效负载，模拟前抽屉试验，以50 Hz的频率记录施加的负载及ACL的延伸长度，制成负载-延伸曲线图，并得出峰值负载及屈服负载的数值。

1.4 失效类型观察

测试完成后，仔细观察每个样本的失效类型、ACL损伤、缝线损伤及钉道损伤情况。

1.5 统计学方法

实验资料采用SPSS 17.0软件进行统计分析。计量资料用均数±标准差（±s）表示。两组比较用独立样本t检验，多组间比较用单因素方差分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 样本处理情况

所有样本造模成功，骨折块完整，周围结构完整，均解剖复位，3种内固定材料固定骨块的位置准确无误。整个实验未见明显的韧带干燥，变性。

2.2 生物力学结果

2.2.1 A和B组A组的峰值负载及屈服负载明显大于B组，差异有统计学意义（P＜0.05），A组的初始位移明显短于B组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表2、图4和5。A组的螺帽均埋入骨块内，B组的螺帽均明显突出于ACL实质，见图6。

2.2.2 A和C组表3显示，C组中峰值负载与屈服负载是同一值。A组的峰值负载与C组无明显差异（P＞0.05）。A组的屈服负载明显小于C组，差异有统计学意义（P＜0.05）。A组的初始位移明显短于C组，差异有统计学意义（P＜0.05），且A组所有样本的初始位移均短于C组。

表2 A组与B组生物力学比较 （±s）Table 2 Comparison of biomechanical analysis between group A and group B （±s）

表2 A组与B组生物力学比较 （±s）Table 2 Comparison of biomechanical analysis between group A and group B （±s）

组别 峰值负载/N 屈服负载/N 初始位移/mm A组（n=10） 443.10±8.54 398.10±14.21 1.38±0.14 B组（n=10）361.70±18.76 324.80±17.50 1.94±0.12 t值 12.49 10.28 -9.42 P值0.0000.0000.000

表3 A组与C组生物力学比较 （±s）Table 3 Comparison of biomechanical analysis between group A and group C （±s）

表3 A组与C组生物力学比较 （±s）Table 3 Comparison of biomechanical analysis between group A and group C （±s）

组别 峰值负载/N 屈服负载/N 初始位移/mm A组（n=10） 443.10±8.54 398.10±14.21 1.38±0.14 C组（n=10） 457.00±26.53 457.00±26.53 3.98±0.19 t值 -1.58 -6.19 -34.92 P值0.1320.0000.000

图4 A组的负载-延伸曲线图Fig.4 Load-extension curve of group A

图5 A组的负载-位移曲线图（初始位移）Fig.5 Load-disp lacement curve of group A

2.3 失效类型

3组的失效类型见图7。

2.3.1 A组从骨道脱出的样本中发现，螺帽仍与骨块牢靠固定；脱出后的骨道明显变大，螺钉可随意进出骨道。骨块再次骨折的样本中发现，骨块均为横行骨折，断面有明显的螺纹存在，螺钉远端仍固定在胫骨骨道内。

2.3.2 B组从骨道脱出的样本情况与A组类似。骨块再次骨折的样本中发现，骨块均为横行骨折，断面未见螺纹，螺帽后方的骨质有明显破坏、变形。

2.3.3 C组样本ACL均有切割损伤，部分ACL纤维断裂。所有样本上方隧道口的骨质均被破坏，下方隧道口未见明显破坏。骨块再次骨折的样本中发现，骨折形式均为从缝线经过的部位再骨折。

图6 A和B组骨块固定后的图片Fig.6 Images of the A and B group after the fixation of the bone block

图7 3组样本的失效类型Fig.7 Failure types of three groups of sam ples

3 讨论

本实验最主要的发现是与空心拉力螺钉及缝线固定ACL胫骨止点撕脱骨折比较，双头空心加压螺钉固定有相似甚至更大的初始固定强度，且初始稳定性最好。该结果也支持本研究最初的假设。

3.1 初始稳定性分析

尽管有大量文章报道关节镜下复位固定ACL胫骨止点撕脱骨折能取得较好的疗效，但有学者发现术后仍存在ACL部分松弛[7]。分析原因可能是由于术中骨块复位不佳或固定不牢靠而导致的骨块二次移位。而且不可靠的固定会产生复位失效的风险及延长术后制动时间，限制患者术后早期功能锻炼，从而导致关节活动受限[7，18]。因此，强大的初始稳定性及初始固定强度是减少术后并发症的关键。初始位移可以反映初始稳定性的大小，可以为术后早期康复计划的实施提供参考。

初始位移是指复位固定后在接受反复的小于峰值负载的力量牵拉时骨块的位移大小，它可以模拟该骨折患者术后早期康复锻炼的受力情况。MONTGOMERY等[18]回顾了17例保守治疗患者，29%的患者达到临床愈合，其余的均发生膝关节松弛或活动受限等并发症，最终得出这些并发症与初始位移有密切关系。尽管本实验是在固定骨块后立即行初始位移检测，但仍可作为早期康复阶段骨块固定失效的潜在参考指标[19]。本实验得出：A组的初始位移明显短于B、C组，说明术后早期康复阶段，双头空心加压螺钉固定的初始稳定性明显高于空心拉力螺钉及缝线，可以考虑行早期功能锻炼，既有益于骨折的愈合，又可减少术后并发症的发生。

3.2 初始固定强度分析

失效负载反映该骨折患者术后的初始固定强度，它有两个指标（峰值负载及屈服负载）。峰值负载指骨块固定后所能承受的最大力量，它反映该骨折患者在术后遭受意外受力事件时的固定情况。屈服负载指复位固定后发生不可逆性破坏（即失效）时的力量。本实验得出：A组的峰值负载和屈服负载均明显高于B组，说明术后康复阶段，双头空心加压螺钉固定的患者能承受更大的外来应力，更不易失效，更利于早期功能锻炼。A组的峰值负载与C组没有明显差异，但A组的屈服负载明显小于C组，说明双头空心加压螺钉与缝线固定承受外来应力的大小相似，即对骨块移位的影响没有明显差别。

3.3 螺帽埋入骨块情况分析

本研究发现A组螺帽均埋入骨块内，B组螺帽均明显突出于ACL实质。其原因主要为A组的螺帽带有螺纹，可拧入骨质，B组的螺帽较大，难以拧入骨块内，若强行拧入，易致骨块碎裂。这说明B组更易发生髁间窝撞击。反映到临床，可以认为使用空心拉力螺钉固定该骨折的患者术后发生髁间窝撞击、关节软骨损伤等并发症的概率明显大于双头空心加压螺钉。

3.4 失效类型分析

A组的失效类型主要为骨块再次骨折，且因骨块再骨折失效的样本的峰值负载均大于因螺钉从骨道滑脱失效的样本。分析原因可能为：①骨块的强度低于本实验施加的拉力，且低于双头空心加压螺钉的固定强度；②由于ACL限制，施加前向拉力时骨块与胫骨平台后部挤压而再骨折；③以上原因的综合结果。B组中90%是骨块再次骨折失效，其中50%样本螺帽后方的骨质有明显破坏。与A组类似，这些样本的峰值负载均大于其他失效类型样本的峰值负载。总结失效原因，除与A组相同原因外，还可能是突出的螺帽对骨块有向后的挤压作用，以致骨块破裂。C组：骨块再次骨折的原因可能为：骨块的强度低于实验施加的拉力，且低于缝线的固定强度。缝线断裂原因可能是缝线的强度较低。虽然使用更粗的缝线固定可能会得到更好的固定效果，但有学者发现这些更粗的缝线固定所产生的位移对早期恢复及骨折愈合的影响更大[19]。

3.5 实验不足

本实验存在不足之处，比如只能单一的反映ACL的功能，不能反映整个膝关节的功能；只研究了前向稳定性，不能反映ACL的屈曲、旋转等稳定性；在开放环境下操作，不能完全反映关节镜下手术情况。但以上研究结果，国内外仍未见明确报道。

综上所述，双头空心加压螺钉固定ACL胫骨止点撕脱骨折的早期生物力学强度明显优于空心拉力螺钉及缝线，且与空心拉力螺钉相比不易造成髁间窝撞击。目前，双头空心加压螺钉在临床治疗该骨折的疗效尚不清楚。因此，进一步明确其临床疗效，必将为减少术后并发症、促进早期恢复带来新的突破。

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