新型防脫出螺釘治療股骨頸骨折的生物力學(xué)特性

聶明喜 王建民 孫永健 李保良

股骨頸骨折約占全身骨折的4%[1]，隨著世界人口的老齡化及交通、建筑的迅速發(fā)展,老年及青壯年股骨頸骨折的發(fā)病率均逐漸上升。目前股骨頸骨折的治療，AO空心加壓螺釘治療股骨頸骨折是目前國(guó)際上主要提倡的內(nèi)固定方法[2-3]，但對(duì)于骨質(zhì)疏松癥老年人股骨頸骨折來(lái)說(shuō)，內(nèi)固定器械對(duì)骨的把持力較弱，易造成螺釘?shù)乃蓜?dòng)退釘、螺釘穿透股骨頭，影響患側(cè)關(guān)節(jié)功能，更有甚者增加了骨折不愈合率和股骨頭壞死率[4]，在年輕患者常會(huì)出現(xiàn)螺釘?shù)娜〕隼щy。為解決這一系列臨床問(wèn)題，本課題設(shè)計(jì)出新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘，本文旨在測(cè)試其生物力學(xué)特性。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 標(biāo)本準(zhǔn)備 收集南方醫(yī)科大學(xué)提供的國(guó)人成年福爾馬林浸泡尸體股骨標(biāo)本48對(duì)(96根)，去除股骨頭及股骨頸部所有組織，經(jīng)X線檢查排除畸形、骨折等病變，在經(jīng)雙能X線骨密度測(cè)定，篩選出密度相近的標(biāo)本，按實(shí)驗(yàn)要求制成60個(gè)標(biāo)本，把標(biāo)本放入福爾馬林浸泡。測(cè)試前24h取出進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.1.2 螺釘設(shè)計(jì) 新型防脫出型多六角空心加壓螺釘采用醫(yī)用鈦合金材料；螺釘規(guī)格：螺釘?shù)拈L(zhǎng)度75～110mm，每5mm為一規(guī)格，外徑7.5mm；內(nèi)徑5.0mm；中央孔徑為2.7mm，近側(cè)螺紋長(zhǎng)度10mm；近側(cè)螺紋螺距1.75mm，遠(yuǎn)側(cè)螺紋長(zhǎng)度18mm，遠(yuǎn)側(cè)螺紋螺距2.75mm，釘頭內(nèi)六角對(duì)邊徑4.0mm，釘頭外六角對(duì)邊徑8.5mm；釘頭寬度5mm；如圖1、圖2。

圖1 新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘設(shè)計(jì)圖

圖2 新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘實(shí)物

1.1.3 實(shí)驗(yàn)儀器 C臂透視機(jī)；雙能X線吸收骨密度儀(LunarCorp.Madison,W I,USA),博士Electro Force 3510高精度生物材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

表1 五種力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表（±s）

表1 五種力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表（±s）

注：新型螺釘組與AO螺釘組相比較，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義P＜0.05。

A(N) B(N) C(N.m/度) D E上釘(N) 下釘(N) 上釘(N) 下釘(N)新型螺釘 4996.33±424.52 2184.8±145.3 3.32±0.37 1603.83±47.31 1988.50±71.19 13695.50±1428.28 18954.33±1809.38 AO螺釘 4952.17±597.03 2070.50±184.94 3.25±0.28 1215.83±68.78 1639.17±46.44 7581.17±758.74 12581.17±1431.37 t值 0.23 5.26 0.50 12.73 2.19 15.40 11.70 P值 ＞0.05 ＜0.05 ＞0.05 ＜0.005 ＜0.05 ＜0.005 ＜0.005

1.2 方法 將福爾馬林浸泡人尸體近端股骨成對(duì)（30對(duì)）標(biāo)本按左右側(cè)各分為一組，即左側(cè)標(biāo)本為一組，右側(cè)標(biāo)本為一組，每組30個(gè)標(biāo)本，兩組標(biāo)本按成對(duì)（30對(duì)）隨機(jī)分為5個(gè)亞組，即A、B、C、D、E；每個(gè)亞組12個(gè)標(biāo)本，即6對(duì)標(biāo)本。其中A、B、C亞組以Klenerman法截骨，造成股骨頸骨折模型(Pauwels角=50°)；右側(cè)每個(gè)標(biāo)本用2枚新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘固定，左側(cè)每個(gè)用2枚AO空心加壓螺釘固定（進(jìn)釘時(shí)，在平行導(dǎo)向器及C臂機(jī)的輔助下使一枚螺釘通過(guò)股骨頸的中下方股骨距，一枚螺釘通過(guò)股骨頸的前上方，即骨小梁經(jīng)過(guò)的部位，形成一個(gè)“張力帶”，螺釘頭距股骨頭約0.5cm；所有標(biāo)本內(nèi)固定經(jīng)X線證實(shí)達(dá)到所需預(yù)定位置）。在博士Electro Force 3510高精度生物材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上將股骨標(biāo)本固定于特制的夾具上，A組模擬人單足站立下將標(biāo)本與生物力學(xué)試驗(yàn)機(jī)相連，開(kāi)始以5.0mm/min的加載速度逐漸增加直至內(nèi)固定失敗并記錄數(shù)值(失敗標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)本出現(xiàn)骨折，股骨頸、股骨頭破裂），記錄最大數(shù)值；B組標(biāo)本兩端固定于特制夾具上，將標(biāo)本與生物學(xué)機(jī)相連（使固定螺釘?shù)拈L(zhǎng)軸與試驗(yàn)機(jī)縱軸平行），開(kāi)始以5.0mm/min的加載速度逐漸進(jìn)行拔出實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)螺釘被拔出股骨頭為止，記錄拔出最大力；C組標(biāo)本以2N.m/min的加載速度，以扭矩0～2N.m下標(biāo)本的旋轉(zhuǎn)角度值，記錄相應(yīng)數(shù)值；D組標(biāo)本沿螺釘方向經(jīng)專用工具固定在實(shí)驗(yàn)機(jī)上以5.0mm/min的加載速度拔出螺釘，測(cè)量每個(gè)標(biāo)本上下兩釘最大拔出力；E組標(biāo)本螺釘方向經(jīng)專用工具與試驗(yàn)機(jī)相連以5.0mm/min加載速度擠壓螺釘，直至螺釘頭穿出股骨頭，測(cè)量最大擠壓力。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 10.0統(tǒng)計(jì)軟件分析，對(duì)每組中對(duì)應(yīng)的亞組中的差值的總體進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)，對(duì)應(yīng)差值的總體滿足正態(tài)分布；因此，兩組中對(duì)應(yīng)的A、B、C、D、E亞組數(shù)值均采用配對(duì)t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

由表1可以看出新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘與對(duì)照AO空心加壓螺釘固定最大抗壓強(qiáng)度和等量扭矩下的旋轉(zhuǎn)角度無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘最大抗脫出力、最大軸向拔出力、螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)腔最大擠壓力有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。

3 討論

自從Langenback(1850)首創(chuàng)內(nèi)固定治療股骨頸骨折以來(lái)，至今已有近百種內(nèi)固定器械相繼應(yīng)用，歸納起來(lái)，大體上分為無(wú)螺紋釘和有螺紋釘兩大類，目前股骨頸骨折的治療，AO空心加壓螺釘治療股骨頸骨折是目前國(guó)際上主要提倡的內(nèi)固定方法[2-3]，優(yōu)點(diǎn)：可經(jīng)皮穿刺、創(chuàng)傷小、操作簡(jiǎn)單、對(duì)股骨頭血運(yùn)破壞少，手術(shù)時(shí)間短，愈合率高，據(jù)報(bào)道空心螺釘治療股骨頸骨折愈合率達(dá)91.4%[5]；2枚螺釘“張力帶”固定具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度和抗旋轉(zhuǎn)能力[6]；骨折端可獲得良好的加壓力，通過(guò)應(yīng)力刺激加速骨折愈合；患者因內(nèi)固定牢固、疼痛等癥狀迅速緩解，可能很快進(jìn)行功能鍛煉和部分負(fù)重，減少骨折并發(fā)癥發(fā)生,同時(shí)2枚螺釘固定法也減少股骨頸骨折內(nèi)固定后股骨頸短縮幾率[7]。但在臨床應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)對(duì)于骨質(zhì)疏松癥老年人股骨頸骨折來(lái)說(shuō)，內(nèi)固定器械對(duì)骨的把持力較弱,易造成螺釘?shù)乃蓜?dòng)退釘、螺釘穿透股骨頭,影響患側(cè)關(guān)節(jié)功能，更有甚者增加了骨折不愈合率和股骨頭壞死率[4]，在年輕患者常會(huì)出現(xiàn)螺釘?shù)娜〕隼щy。為解決這一系列臨床問(wèn)題，本課題設(shè)計(jì)出新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘。

新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘頭部比AO的螺釘稍大，可以有效阻止螺釘進(jìn)入骨質(zhì)內(nèi)，防止螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)內(nèi)或向?qū)?cè)移動(dòng)；螺釘近側(cè)螺桿部分為皮質(zhì)骨螺紋，近側(cè)部分的螺紋可以有力地的固定在骨質(zhì)的皮質(zhì)部分，防止螺釘向外脫出，同時(shí)骨折端血液除可沿中央空心部分流出外，也可沿近側(cè)皮質(zhì)骨螺紋滲出到股骨頸以外，既對(duì)骨折端起到減壓作用，又可改善股骨頭的靜脈回流[8]；螺釘遠(yuǎn)側(cè)螺桿部分為松質(zhì)骨螺紋，直徑和長(zhǎng)度比AO螺釘稍長(zhǎng)，對(duì)老年骨質(zhì)疏松者，可以增加螺釘?shù)陌殉至σ约皩?duì)骨折端的擠壓力。螺釘近側(cè)螺紋與遠(yuǎn)側(cè)螺紋之間的部分為光滑的螺桿部分，螺桿兩端的螺紋在螺釘擰入時(shí)遠(yuǎn)近側(cè)螺絲前進(jìn)的速度不同，遠(yuǎn)端松質(zhì)骨螺紋前進(jìn)速度較快，從而能在骨折的兩端之間產(chǎn)生軸向擠壓力，可以有效的對(duì)抗使骨折面分離的拉力。使骨折端緊密接觸，骨折端剪切力變小，壓應(yīng)力增加，大大增加內(nèi)固定的穩(wěn)定性，從而提高骨折的愈合率。

螺釘另外特點(diǎn)在于螺釘頭有兩個(gè)內(nèi)六角組成，由一個(gè)外六角，一個(gè)內(nèi)六角，有兩套相配的套筒扳手：即外六角套筒扳手和外六角套筒扳手，在取出螺釘時(shí)起雙保險(xiǎn)作用，尤其年輕患者，可以防止取釘困難，避免強(qiáng)行取螺釘時(shí)大量破壞股骨頸內(nèi)的骨質(zhì)和血運(yùn)，從而減少內(nèi)固定物取出術(shù)后股骨頭壞死的幾率。鈦合金螺釘具有生物相容性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐磨蝕、抗磁性及更強(qiáng)的抗疲勞，金屬惰性大，不易產(chǎn)生電解反應(yīng)，很少有排異反應(yīng)，對(duì)患者骨折愈合基本無(wú)不良影響，如果沒(méi)有特殊癥狀可以不必手術(shù)取出，可以避免患者二次手術(shù)損傷，從經(jīng)濟(jì)效益上減少支出，也可降低股骨頭壞死幾率；鈦合金螺釘對(duì)X線、CT、MRI等成相的干擾性很小，基本不產(chǎn)生偽影，便于辨認(rèn)早期股骨頭壞死，早期發(fā)現(xiàn)，早期治療。

本實(shí)驗(yàn)證實(shí)新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘與AO空心加壓螺釘具有相同的抗壓、抗扭轉(zhuǎn)，但在抗軸向拔出性、抗脫出、抗螺釘進(jìn)入關(guān)節(jié)腔方面的性能比AO空心加壓螺釘更好。因此對(duì)于臨床上出現(xiàn)的骨質(zhì)疏松病人，新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘以提供堅(jiān)強(qiáng)的內(nèi)固定，同時(shí)防止退釘，也防止螺釘穿進(jìn)股骨頭，但必須指出骨質(zhì)疏松的患者術(shù)后需進(jìn)行骨質(zhì)疏松的藥物治療[9]，同時(shí)對(duì)年輕患者也可防止螺釘取出困難。本螺釘?shù)娜毕菰谟诼葆數(shù)倪h(yuǎn)端部分體積較AO螺釘大，而內(nèi)固定器械在股骨頭內(nèi)所占的體積對(duì)股骨頭的血運(yùn)有一定影響[10]，從而增加股骨頭壞死幾率，但臨床上多數(shù)患者已從三釘法逐步改用兩釘法固定股骨頸骨折，總體上所有螺釘總體積有所減小，股骨頭壞死幾率有所減少[11]。本實(shí)驗(yàn)的缺陷是股骨頸標(biāo)本使用的是甲醛固定的防腐標(biāo)本，標(biāo)本是用防腐標(biāo)本，Spring和Blair等[12-13]提出，可以將防腐尸骨所獲得的生物力學(xué)數(shù)據(jù)看作是從骨密度值比防腐尸骨低的新鮮尸骨中獲得，但由于活體股骨頸力學(xué)的復(fù)雜性，仍需大規(guī)模的臨時(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新型防脫出型多六角空心加壓鈦合金螺釘實(shí)用性。

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