可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘固定脛骨干骨折的力學(xué)測(cè)試

陳勇,呂建元,王根福,張征石,孫斌峰,王以進(jìn)

(江蘇省昆山市中醫(yī)醫(yī)院骨科,江蘇 昆山 215300)

可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘(Fixion IM)是以色列 Disc-o-Tech公司研制的一項(xiàng)最新研究成果。脛骨骨折采用 Fixion IM固定后,通過(guò)壓力泵注入生理鹽水能使釘體膨脹與脛骨髓腔緊密接觸而堅(jiān)強(qiáng)固定,無(wú)需交鎖釘,沿釘體均勻分布負(fù)荷應(yīng)力。從而大大簡(jiǎn)化了插釘、固定等手術(shù),同時(shí)有效保證了髓內(nèi)釘在骨折端抗扭力、抗橫向移位和承受徑向應(yīng)力的能力。

為此,本研究通過(guò)生物力學(xué)試驗(yàn)來(lái)論證可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘?shù)纳锪W(xué)特性[1],比較傳統(tǒng)的交鎖髓內(nèi)釘和鋼板固定的優(yōu)劣,也獲得足夠的基礎(chǔ)理論依據(jù)[2],為臨床服務(wù)。

1 材料和方法

1.1 標(biāo)本的制備與分組

采集新鮮濕潤(rùn)標(biāo)本脛骨 9具,均屬隨機(jī)抽樣,剔除病理標(biāo)本,仔細(xì)剔除脛骨所附肌肉等軟組織 ,X線攝正側(cè)位片 ,并測(cè)量脛骨的解剖尺寸。

在脛骨兩端包埋骨水泥,平行度應(yīng)小于 1°,以確保平穩(wěn)精確加載。試驗(yàn)前按 Klemerman法截骨 ,造成脛骨中部橫斷骨折。然后用 Fixion IM可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘固定作為試驗(yàn)組(FN),并設(shè)交鎖髓內(nèi)釘固定組(IN)和標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定組(SP)為對(duì)照組。各 3具標(biāo)本。

1.2 實(shí)驗(yàn)力學(xué)模型建立與測(cè)試 所有實(shí)驗(yàn)的標(biāo)本在模型制作、載存、材料性質(zhì)、手術(shù)與固定等均保持一致,以確保實(shí)驗(yàn)測(cè)量的高精度。在所有的標(biāo)本測(cè)量區(qū)域橫斷骨折面粘貼高精度小標(biāo)距電阻應(yīng)變片,R=(120±0.1%)Ω,K=2.16,1.2 mm×1.2 mm,按實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法嚴(yán)格操作貼片技術(shù)和溫度補(bǔ)償,以保證應(yīng)變的精確傳遞性和精度。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)制作同一類型標(biāo)本的力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)件,測(cè)量脛骨的力學(xué)性質(zhì),力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 1。在標(biāo)本上施加的載荷應(yīng)為脛骨的正常人生理載荷 ,分別加載 200、 400、 600、800、 1000N,加載速 率為1.40 mm/min。

表1 力學(xué)測(cè)試結(jié)果 ()

表1 力學(xué)測(cè)試結(jié)果 ()

類 型 最大載荷 P(N) 極限強(qiáng)度(MPa) 彈性模量 E(N/cm2)拉 伸 3478± 36 140.0± 12 1803.2± 480壓 縮 3660± 42 151.0± 14 1920.0± 520彎 曲 2960± 28 213.0± 16 1195.6± 260扭 轉(zhuǎn) 78± 12 44.3± 10 1678.0± 340

脛骨的位移測(cè)量用高精度光柵位移傳感器(KG-101,精度 0.01mm)。所有應(yīng)變式傳感器、標(biāo)本上應(yīng)變片在實(shí)驗(yàn)時(shí)接入 YJ-14數(shù)字式電阻應(yīng)變儀中。測(cè)試時(shí)光予加載 100 N,以消除脛骨松弛、蠕變時(shí)間效應(yīng)影響,然后正式試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理 將實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變、位移、應(yīng)力、扭角等力學(xué)量先進(jìn)行粗差和偶然誤差處理,從而得到一個(gè)滿意的估值和置位區(qū)間。然后對(duì)數(shù)值進(jìn)行回歸t檢驗(yàn)、方差分析、最小二乘法等統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)軟件為 SPSS 10.0。顯著性水平定為 P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 脛骨干的軸向壓縮試驗(yàn)

2.1.1 脛骨干骨折三種不同內(nèi)固定的載荷-應(yīng)變關(guān)系 脛骨干橫斷骨折采用可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘固定(FN),傳統(tǒng)交鎖髓內(nèi)釘固定(IN)和標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定 (SP)后,分別在軸向載荷作用下測(cè)得的應(yīng)變值見(jiàn)表 2。

表2 FN、IN、SP分別軸向載荷作用下的骨應(yīng)變值 ()

表2 FN、IN、SP分別軸向載荷作用下的骨應(yīng)變值 ()

分 組 200 N 400 N 600 N 800 N 1000 N FN 4.21± 0.32 8.42± 0.36 12.63± 0.40 16.84± 0.44 21.05± 0.48 IN 4.60± 0.40 9.21± 0.45 13.81± 0.50 18.41± 0.55 23.02± 0.60 SP 6.08± 0.54 12.16± 0.60 18.24± 0.67 24.32± 0.73 30.40± 0.78

結(jié)果表明:a)脛骨上的載荷-應(yīng)變關(guān)系,在生理載荷作用下,基本成線性關(guān)系,卸載后可回復(fù)原狀。b)脛骨上的應(yīng)變以可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘固定組的最小,應(yīng)變?cè)叫≌f(shuō)明器械固定越牢。其次是傳統(tǒng)交鎖髓內(nèi)釘,而標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定的應(yīng)變最大。三者相比分別相差 9%和 30%,說(shuō)明可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘優(yōu)于傳統(tǒng)交鎖髓內(nèi)釘?shù)墓潭?但兩者統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯示無(wú)顯著性差異(t=1.921,P＞0.05);而與標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板內(nèi)固定相比明顯優(yōu)于后者,統(tǒng)計(jì)呈顯著性差異(t=0.892,P＜0.05)。

2.1.2 脛骨斷端的強(qiáng)度比較 脛骨干骨折采用三種不同的內(nèi)固定后,在脛骨斷端上分別測(cè)試強(qiáng)度。這里所謂脛骨的強(qiáng)度是指脛骨在載荷作用抵抗軸向載荷破壞的能力大小,強(qiáng)度越高,抵抗破壞的能力就越大[3]。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果表明,脛骨干骨折采用可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘固定在軸向載荷 1000N下,強(qiáng)度為(5.97±0.36)M Pa,而傳統(tǒng)交鎖髓內(nèi)釘固定組為 (5.58±0.35)M Pa,兩者相差達(dá)7%。前者優(yōu)于后者 ,但無(wú)明顯差異(t=1.624,P＞0.05);而采用標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板內(nèi)固定組此時(shí)強(qiáng)度只有(4.47±0.50)M Pa,與可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘相差達(dá) 25%。統(tǒng)計(jì)呈顯著性差異(t=2.766,P＜0.05)?？梢?jiàn)前者占用較大的優(yōu)勢(shì)。

2.1.3 脛骨斷端的移位比較 脛骨干骨折用三種不同的內(nèi)固定后,在脛骨斷端上由于固定方法不同移位也不一致,移位過(guò)多易產(chǎn)生松動(dòng)、斷裂的危險(xiǎn)。根據(jù)所有標(biāo)本的測(cè)量得到脛骨上的載荷位移變化見(jiàn)表 3。

表3 脛骨骨折在不同固定下載荷-位移變化(,mm)

表3 脛骨骨折在不同固定下載荷-位移變化(,mm)

分 組 200 N 400 N 600 N 800 N 1000 N FN 0.14± 0.01 0.29± 0.02 0.43± 0.03 0.57± 0.04 0.72± 0.05 IN 0.16± 0.02 0.31± 0.04 0.47± 0.05 0.64± 0.06 0.79± 0.07 SP 0.19± 0.02 0.39± 0.03 0.58± 0.04 0.77± 0.05 0.97± 0.06

結(jié)果表明:a)在生理載荷作用下,脛骨上的載荷-位移關(guān)系基本上呈線性變化,卸載后能恢復(fù)原狀;b)從位移變化狀況來(lái)分析,可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘?shù)奈灰谱钚?其次是交鎖髓內(nèi)釘,位移最大的是標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定組。三者相比,前兩者位移相差 9%,可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘明顯優(yōu)于交鎖髓內(nèi)釘,但兩者仍無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=1.876,P＞0.05);若與標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定組相比,兩者相差更大達(dá) 26%,統(tǒng)計(jì)呈顯著性差異(t=2.930,P＜0.05),前者明顯占有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.1.4 脛骨的軸向剛度比較 脛骨的軸向剛度是指脛骨在軸向載荷作用下,抵抗軸向變形的能力大小[4]。根據(jù)所有標(biāo)本的測(cè)量得到 1000 N下三種不同內(nèi)固定下的脛骨軸向剛度值結(jié)果表明:采用可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘?shù)妮S向剛度為(1388.89±112.01)N/mm,傳統(tǒng)交鎖髓內(nèi)釘?shù)妮S向剛度為(1265.82± 88.67)N/mm,兩者比較前者優(yōu)于后者 9%占有一定優(yōu)勢(shì),但兩者無(wú)明顯差異(P＞0.05);而用標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定的軸向剛度為(1030.92±98.97)N/mm,它與可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘相比兩者相差達(dá) 26%,明顯可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘比標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定優(yōu)越,并有顯著性差異(t=3.122,P＜0.05)。

2.2 脛骨的彎曲強(qiáng)度和剛度試驗(yàn) 脛骨承受側(cè)向負(fù)載的能力大小是脛骨一個(gè)重要的力學(xué)性能?，F(xiàn)將脛骨干骨折采用三種不同的內(nèi)固定方式進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),結(jié)果如下。

2.2.1 脛骨干骨折三種內(nèi)固定的彎曲強(qiáng)度比較 根據(jù)脛骨干骨折采用三種不同器械內(nèi)固定后,在彎曲力矩 10N?m作用下,測(cè)得的脛骨橫斷面上彎曲強(qiáng)度。結(jié)果表明,用可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘固定時(shí)能承受彎曲強(qiáng)度為(5.16±0.42)M Pa,交鎖髓內(nèi)釘固定時(shí)為(4.66±0.40)M Pa,兩者比較相差了9.6%,前者明顯占有優(yōu)勢(shì),抗彎曲強(qiáng)度大,但統(tǒng)計(jì)學(xué)上兩者仍為無(wú)明顯差異(t=1.962,P＞0.05);若以標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定的話,則它的彎曲強(qiáng)度為(3.73±0.35)M Pa,與可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘相比較相差 28%,明顯可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘抗彎曲強(qiáng)度大得多,而且兩者有明顯差異(t=3.234,P＜0.05)。

2.2.2 脛骨的彎曲剛度大小 所謂脛骨的彎曲剛度是指脛骨在彎曲力矩作用下抵抗彎曲變形的能力大小[4],彎曲剛度越大,抵抗彎曲變形的能力就越強(qiáng)。從試驗(yàn)結(jié)果看到,用可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘固定的彎曲剛度為(55.61±4.49)N? m/Deg,而用交鎖髓內(nèi)釘和標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定的彎曲剛度分別為 (50.46± 4.58)N? m/Deg和 (36.89± 3.20)N? m/Deg。與前者相比分別相差 9%和 34%,顯然前者的抗彎能力強(qiáng)得多,均比后者優(yōu)越,尤其與標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定相比具有顯著性差異(t=3.122,P＜0.05)。

2.3 脛骨的扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)

2.3.1 脛骨的扭矩大小 脛骨的扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能也是一個(gè)重要的力學(xué)指標(biāo),它包括抗矩強(qiáng)度的大小和抗矩剛度的大小,通常將抗矩強(qiáng)度大小以扭矩大小表示更加方便?，F(xiàn)根據(jù)所有標(biāo)本的測(cè)定,得到脛骨在三種不同內(nèi)固定下扭矩-扭角關(guān)系值和扭矩-扭角曲線。結(jié)果表明,用可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘固定時(shí)最大扭矩為 7.14 N?m,而用交鎖髓內(nèi)釘和標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定時(shí)的最大扭矩分別為 6.84N? m和 5.18N?m,兩者相比分別相差 4%和 27%,顯然可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘和交鎖髓內(nèi)釘兩者十分接近,但仍以可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘占優(yōu),兩者無(wú)明顯差異(t=1.412,P＞0.05);而與標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定相比,相差甚遠(yuǎn),前者明顯優(yōu)于后者 (t=3.224,P＜0.05)。

2.3.2 脛骨的扭轉(zhuǎn)剛度 脛骨的扭轉(zhuǎn)剛度就是抵抗扭轉(zhuǎn)變形能力的大小,扭轉(zhuǎn)剛度越大,抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力越強(qiáng)。根據(jù)所有標(biāo)本測(cè)試,得到脛骨骨折采用三種不同的內(nèi)固定時(shí)的扭轉(zhuǎn)剛度值,它們分別為(0.74±0.06)N? m/Deg,(0.71±0.05)N? m/Deg,(0.43± 0.04)N? m/Deg,可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘與交鎖髓內(nèi)釘兩者相比,分別相差 4%和 42%,顯然前者占有很大的優(yōu)勢(shì),特別比標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定來(lái)得強(qiáng)(t=3.876,P＜0.05),而與交鎖髓內(nèi)釘相比,卻無(wú)明顯差異(t=1.511,P＞ 0.05)。

2.4 脛骨內(nèi)固定的應(yīng)力遮擋效應(yīng) 應(yīng)力遮擋效應(yīng)的理論基礎(chǔ)服從 wolf′s功能適應(yīng)性定理,它與材料內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力狀態(tài)相適應(yīng),以維持骨的增生和吸收,呈動(dòng)態(tài)平衡。但由于內(nèi)固定的器械的彈性衡量與骨不一致,相差很大,加上固定方式的影響,導(dǎo)致骨上的應(yīng)力不能正常通過(guò),骨痂生長(zhǎng)受到影響。所以有的器械固定越牢越堅(jiān)強(qiáng),應(yīng)力遮擋效應(yīng)就越大,常常產(chǎn)生骨吸收、骨質(zhì)疏松,甚至導(dǎo)致再骨折。

根據(jù)應(yīng)力遮擋理論,將應(yīng)力遮擋效應(yīng)的大小用應(yīng)力遮擋率η來(lái)表示,它的計(jì)算公式為:η=(1-σ板 /σ無(wú)板)×100%

式中σ板為內(nèi)固定器械時(shí)骨上的應(yīng)力,σ無(wú)板為無(wú)器械固定時(shí)的應(yīng)力。根據(jù)脛骨三種不同器械內(nèi)固定時(shí)的應(yīng)力測(cè)量,由計(jì)算公式得到各自的應(yīng)力遮擋率η的大小。

結(jié)果表明:采用可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘器械固定時(shí),脛骨橫端面 A側(cè)的η為 (26.0±0.8)%,B側(cè)為 (28.0±0.9)%;而若采用傳統(tǒng)交鎖髓內(nèi)釘分別為(29.0±0.9)%及(38.0±1.4)%;采用標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定時(shí)分別為(42.0±1.4)%和(48.0±1.6)%。結(jié)果進(jìn)行兩兩均值比較,分別相差 21%和40%。前者與后者相比明顯,說(shuō)明用可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘時(shí)應(yīng)力遮擋比后兩者小得多,而且均呈顯著性差異(t=4.021,P＜0.05)。結(jié)果表明骨折愈合過(guò)程中由于可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘固定合理,彈性固定,以促使骨斷端新骨成骨始終受應(yīng)力刺激,應(yīng)力遮擋效率比較小,愈合時(shí)板層能直接愈合。而且,由于力學(xué)生長(zhǎng)環(huán)境好,因此會(huì)加速骨折愈合。

3 討 論

Fixion IM可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘具有生物力學(xué)的優(yōu)勢(shì)[5,6]。軸向固定的穩(wěn)定是臨床內(nèi)固定要達(dá)到的首要目的,從脛骨干骨折端的軸向壓縮實(shí)驗(yàn)可以看出,Fixion IM可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘與如今比較普遍應(yīng)用的交鎖髓內(nèi)釘相比較,其固定的軸向強(qiáng)度及牢固度無(wú)明顯差異,在一些方面優(yōu)于后者。而二者皆優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定。內(nèi)固定物承受側(cè)向負(fù)載的能力同樣是其非常重要的一個(gè)方面,臨床上曾多次出現(xiàn)因遭受側(cè)向負(fù)載而導(dǎo)致內(nèi)固定物的變形甚至斷裂。通過(guò)對(duì)三種固定方式的彎曲強(qiáng)度和剛度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘抗彎曲強(qiáng)度的能力明顯優(yōu)于交鎖髓內(nèi)釘及標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板,這從另一方面證明了可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘固定的牢固性。臨床上經(jīng)常會(huì)遇到不同類型的螺旋型骨折,骨折固定后也有可能遭受扭轉(zhuǎn)負(fù)載,因此,本實(shí)驗(yàn)也從三種固定材料的抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)其固定效果。結(jié)果表明,可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘與交鎖髓內(nèi)釘相比無(wú)明顯差異,二者均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)加壓鋼板固定。但對(duì)抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的報(bào)告,不同文獻(xiàn)結(jié)果并不相同,這可能需要更大樣本量的精確實(shí)驗(yàn)才能有相對(duì)可靠的結(jié)果[7,8]。

本試驗(yàn)通過(guò)軸向壓縮、抗彎曲強(qiáng)度及抗扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度三個(gè)方面來(lái)測(cè)試三種不同固定材料的固定強(qiáng)度及牢固程度,得出的結(jié)果表明,可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘與目前常用的交鎖髓內(nèi)釘相比,在力學(xué)性能方面無(wú)明顯差異,較普通鋼板固定有其優(yōu)勢(shì)。此外,評(píng)價(jià)一種內(nèi)固定材料的優(yōu)劣,不僅僅著重其固定的強(qiáng)度,還應(yīng)注意其是否有利于骨折的愈合,因此本文通過(guò)應(yīng)力遮擋效應(yīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了 Fixion IM可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘不僅遵循 Wolf′s原理,同時(shí)也非常符合創(chuàng)傷骨科的 BO理論。對(duì)骨骼及軟組織的血供和力學(xué)性能干擾較輕,固定牢靠,能早期進(jìn)行功能鍛煉和負(fù)重,減少并發(fā)癥的發(fā)生[9,10]。

Fixion IM可膨脹自鎖式髓內(nèi)釘是一種新型的內(nèi)固定材料,其臨床應(yīng)用時(shí)間較短,本實(shí)驗(yàn)通過(guò)客觀可靠的方法證實(shí)了其臨床適應(yīng)性,為其在臨床的應(yīng)用打下實(shí)驗(yàn)理論基礎(chǔ)。

[1]王以進(jìn).以生物力學(xué)觀點(diǎn)對(duì)幾種骨折固定法的評(píng)論[J].骨與關(guān)節(jié)損傷雜志 ,1987,2(1):57-59.

[2]Hoffmanm G,Vidal Y.Die bundelnagleung bei unterschenkel und oberarmfrakturen[J].ZBL,2005,92(48):2903.

[3]王以進(jìn),王介麟.骨科生物力學(xué) [M].北京:人民軍醫(yī)出版社,1989:163-167.

[4]Ekholm R,Tidermark J,Tornkvist H,et al.Outcome after closed functional treatment of tibial shaft fractures[J].J Orthop Trauma,2006,20(9):591-596.

[5]Muller LP,Suffner J,Wenda K,et al.Radiation burden to the hands of surgeons in intramedullary nailing[J].Unfallchirurgie,1996,22(6):253-259.

[6]Steinberg EL,Blumberg N,Dekel S.The fixion proximal femur nailing system:biomechanical properties of the nail and a cadaveric study[J].J Biomech,2005,38(1):63-68.

[7]Blum J,Karagul G,Sternstein W,et al.Bending and torsional stiffness in cadaver humeri fixed with a self-licking expandable or interlocking nail system:a mechanical study[J].J Orthop Trauma,2005,19(8):535-542.

[8]Rosenblum SF,Zuckerman JD,Kummer FJ,et al.A biomechanical evaluation of the Gamma nail[J].J Bone Jiont Surg(Br),2004,86(1):86-94.

[9]Joshi D,Ahmed A,Krishna L,et al.Unreamed interlocking nailing in open fracture of tibia[J].J Orthop Surg(Hong Kong),2006,14(2):216-221.

[10]Ben-Galim P,Rosenblatt Y,Parnes N,et al.Intramedullary fixation of tibial shaft fractures using an expandable nail[J].Clin Orthop Relat Res,2007(455):234-240.