常用胫骨骨折外固定架的力学性能测试

安智成 李明志 陈世斌 高永昌

摘要：为了对外固定架的选用提供理论依据，该研究将llizarov外固定架、传统Taylor外固定架、改进Taylor外固定架进行力学性能测试，对比分析了它们的抗拉压和抗扭转力学性能。实验结果表明，在抗拉压性能方面，llizarov外固定架显著优于两种Taylor外固定架，而在抗扭转能力方面，llizarov外固定架明显低于另外两种。研究表明，3种外固定架力学性能各具自身优势，在临床中可依据实际需要合理选用外固定架。

关键词：外固定架胫骨骨折力学测试刚度值

中图分类号：TP391.7;R683文献标识码：A        文章编号：1672-3791（2021）11（c）-0000-00

Abstract： In order to provide theoretical basis for the selection of external fixators， the mechanical properties of Llizarov external fixator， traditional Taylor external fixator and improved Taylor external fixator were tested in this study， and their tensile， compression and torsion resistance mechanical properties were compared and analyzed.The experimental results show that llizarov external fixators are significantly superior to the other two Taylor external fixators in tensile and compression performance， while llizarov external fixators are significantly inferior to the other two Taylor external fixators in torsion resistance.The results show that the mechanical properties of the three external fixators have their own advantages， and the external fixators can be rationally selected according to the actual needs in clinical practice.

KeyWords：Tibial fractures;External fixator;Mechanical testing;Stiffness

1引言

因碰撞、摔傷等引发的患者胫骨骨折是骨科最常见的骨科疾病之一，如果处理不当将会造成关节复位不良和截肢等严重后果[1]。依据患者骨折症状的不同，临床可采用髓内钉固定和固定架外固定等不同方式进行复位固定。复位和固定是治疗骨折的关键，良好的治疗手段应该最大限度地保留骨折部位周围的血供，为骨骼愈合提供良好的生物学环境，保证骨折部位力学环境，在愈合的中后期提供适宜的应力刺激。外固定架因复位效果好及对患者损伤小的优点在伴有软组织损伤和感染的开放性骨折胫骨骨折中应用最广[2]。

与髓内钉、接骨板等内固定方式相比，外固定架技术可以减少骨骼的局部创伤和骨膜血运的破坏，减少应力遮挡效应，具有生物学优势[3]。目前，常用的胫骨骨折外固定架有llizarov外固定架和Taylor外固定架两种[4]。国内外对胫骨骨折外固定架的临床应用报道较多，且多通过骨骼替代物和固定架一体的结构研究穿针角度、固定架构型，环直径和环间距等单因素变化对整体系统刚度的影响[5-7]。良好的生物力学环境和适度的生物刺激对骨骼的愈合具有积极意义，因此，研究人员对环直径和环间距相同的3种外固定架进行了力学测试对比，为临床应用提供了理论依据。

2材料和方法

2.1 测试对象及外固定架的安装

力学测试对象为Ilizarov外固定架、传统Taylor外固定架和改进Taylor外固定架，3种外固定架由固定环、连接杆及连接螺母组成（其中传统Taylor外固定架组件如图1（a）所示）。3种外固定架的固定环均选用直径130mm厚度7mm的标准环 （Smith and Nephew）。llizarov外固定架的固定环用4根直径为6mm螺纹杆连接。传统的Taylor外固定架（铰接部位可自由转动）外固定架由外径13mm内径6mm的螺纹杆套和直径6mm的螺纹杆配合连接上下两固定环，连接后螺纹杆套和螺纹杆可轴向旋转。改进的Taylor外固定架（铰接部位定向转动）也通过螺纹杆套和螺纹杆配合连接，但由于零件端部为定向球铰，故只能在一定范围内定向转动。调整3种外固定架使两固定环保持平行且间隔距离为170mm，拧紧各螺母，组装好llizarov外固定架和Taylor外固定架。用螺栓螺母将特定夹具和两固定环连接起来固定在多功能材料试验机上。

2.2 测试方法

测试所用设备为UTM5205X-Z拉扭多功能材料试验机（试验机如图1（b）所示）），该试验的最大测试力200 kN，分辨率0.4N，数据采样频率1000Hz。将3种外固定架分别垂直装夹在实验机上，如图2所示。实验时，首先对固定架施加50 N的预载荷并完全卸载3次，调零后以1 mm/min的速度施加轴向力并设定载荷范围- 600 N～100N（以轴向拉力方向为正）。进行扭转实验时，对固定架施加3 N·m的预载荷并完全卸载3次，调零后以1°/min的速度施加扭矩并设定载荷范围-5 N·m～5 N·m（以逆时针旋转为正）。通过专用软件记录压缩和扭转载荷下两固定架的形变量。

3结果及讨论

每种固定架的3次压缩和扭转中载荷-位移曲线几乎重合，表明实验具有良好的重复性。计算各外固定架的拉压刚度和扭转刚度，并进行单因素方差分析检验（F检验，P﹤0.01）。取3组测试数据均值绘图，轴向压缩和扭转载荷下各外固定架的形变情况如图3和图4所示。

在抗压缩刚度方面，3种外固定架的载荷-位移曲线都呈现出明显的线性特性，如图5所示。llizarov外固定架的抗压刚度约为1715N/mm， 而传统Taylor外固定架和改进Taylor外固定架的抗压刚度分别约为586N/mm和495N/mm，表明Ilizarov外固定架的抗压缩能力明显优于两种Taylor外固定架（高2倍以上）。而传统Taylor外固定架的抗压缩刚度比改进Taylor外固定架的抗压缩刚度约高18%。

在抗扭转刚度方面，3种外固定架的载荷-位移曲线也都呈现出明显的线性特性，如图5所示。Ilizarov外固定架的抗扭转刚度约为347N·m/rad，而Taylor外固定架和改进Taylor外固定架的抗扭转刚度分别约为1371N·m/rad和1566N·m/rad，两种Taylor外固定架的抗扭转能力明显优于Ilizarov外固定架。而改进的Taylor外固定架的抗扭转刚度比传统Taylor外固定架的抗扭转刚度约高14%。

4结语

使用外固定架治疗胫骨骨折的目标是对骨折处复位和固定并提供良好的生物力学环境，以防止骨折延迟愈合或骨不连。该研究对llizarov外固定架、传统Taylor外固定架、改进Taylor外固定架这3种外固定架进行力学性能测试，计算拉压刚度和扭转刚度并进行比较，得出：llizarov外固定架对比其他两种差异较大，其抗压强度高而扭转刚度低。整体上3种外固定架综合力学性能良好，均能满足临床应用要求。在临床中可依据患者需求和手术因素综合考虑，合理选用外固定架。

参考文献

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[2] 李彦文.探究近年来胫骨平台骨折的治疗新进展[J].世界最新医学信息文摘， 2016， 16（80）： 38-39.

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[5] 高嘉鍇，郝赋，牛志霞，等.环形外固定架骨搬移治疗胫骨中下段感染性骨不连的疗效分析[J].实用骨科杂志，2021， 27（5）： 392-395427.

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