鎖定鋼板外置與外固定支架固定骨折的生物力學(xué)研究

李 喬 譚進(jìn)紅 馬小明 梁春祥 李滌義

鎖定鋼板外置與外固定支架固定骨折的生物力學(xué)研究

李 喬 譚進(jìn)紅 馬小明 梁春祥 李滌義

目的通過對鎖定鋼板（LCP）外置與外固定支架固定骨折進(jìn)行生物力學(xué)分析，為應(yīng)用鎖定鋼板外置固定治療提供理論依據(jù)。方法選擇不同長度的牛小腿骨，制備成骨折標(biāo)本，分別采用鎖定鋼板外置固定和外固定支架固定，觀察標(biāo)本在不同載荷下承受的軸向壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲位移。結(jié)果兩組在100、200、300、400、500、600和700 N載荷下軸向壓縮值比較，均有顯著差異（P＜0.05），且隨著載荷越大軸向壓縮值差距越大。兩組在4、6、8、10、12和14 N.cm載荷下扭轉(zhuǎn)角度比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），且隨著載荷越大則扭轉(zhuǎn)角度值差距越大。兩組在50、100、150、200、250和300 N載荷下彎曲位移值比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），且隨著載荷越大彎曲位移值差距越大。結(jié)論鎖定鋼板外置固定骨折在生物力學(xué)性能上優(yōu)于外固定支架，可在臨床應(yīng)用，為治療開放性骨折提供了一種新的方法。

鎖定鋼板外固定支架骨折生物力學(xué)

嚴(yán)重外傷,如伴有嚴(yán)重軟組織損傷的開放性骨折，或骨髓炎、感染性不愈合、化膿性關(guān)節(jié)炎導(dǎo)致的骨缺損，由于伴有軟組織損傷，內(nèi)固定物使用受到限制；而外固定支架體積大、笨重，不方便日常生活，阻礙個(gè)人衛(wèi)生及穿衣，尤其是用于下肢時(shí)，睡覺、穿衣、行走均會(huì)感到非常不便，同時(shí)嚴(yán)重影響對側(cè)肢體?；颊咴谥委熎陂g感受異常痛苦，需要尋找一種替代傳統(tǒng)外固定支架的方法。該方法應(yīng)具有相對容易操作、體積小、固定可靠、方便日常生活行走等特點(diǎn)。

鎖定加壓鋼板（LCP）用于外固定是一種替代傳統(tǒng)外固定的方法，鎖定鋼板固定骨折的原理是依賴于鋼板與鎖定螺釘?shù)慕欠€(wěn)定性及螺釘與骨皮質(zhì)之間的把持力，以實(shí)現(xiàn)對骨折的固定[1]，在臨床上運(yùn)用廣泛。但鎖定加壓鋼板（LCP）用于外固定治療骨折與傳統(tǒng)外固定支架治療骨折，兩者之間生物力學(xué)比較未見報(bào)道。本研究通過在牛腿骨標(biāo)本上進(jìn)行外固定支架和鎖定鋼板的生物力學(xué)分析，以探討鎖定鋼板外置的醫(yī)學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

20條新鮮牛骨頭，在X線下排除新鮮或陳舊骨折，骨腫瘤等。剔除軟組織，用線據(jù)在骨中段鋸開，制成中段橫行缺損15 mm的骨折模型，隨機(jī)分成兩組，每組10具模型。長度平均為（21.5±8.3）cm。

脛骨鎖定接骨板，型號LCLP 08/LSLP 08，16孔，厚4.5 mm，長297 mm；材料：鈦合金；功能：內(nèi)固定脛骨骨折；來源：廈門大博醫(yī)療器械有限公司。

脛骨外固定支架，型號E10/E20/E30/E40，由平頭夾、彎頭夾、連接桿、延長桿組合構(gòu)成；材料：鋁合金；功能：外固定脛骨骨折；來源：廈門大博醫(yī)療器械有限公司。

電子萬能試驗(yàn)機(jī)，MTS 858 Mini Bionix型；來源：美特斯工業(yè)系統(tǒng)公司。

1.2 方法

鎖定鋼板外固定組采用外置固定，鋼板至骨間隙25 mm，骨折端兩螺釘間隔（鎖定板固定后動(dòng)力臂）120 mm；外固定支架組則采用外固定支架固定。固定后待檢測。

軸向壓縮實(shí)驗(yàn)：將標(biāo)本安裝于電子萬能試驗(yàn)機(jī)，行軸向壓縮實(shí)驗(yàn)，載荷通過載荷傳感器傳遞，位移通過電光編碼傳遞。以2 mm/min的速度對標(biāo)本施加軸向壓縮載荷，施加最大載荷為700 N，依次測出100、200、300、400、500、600和700 N所對應(yīng)的位移值。

扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)：將實(shí)驗(yàn)標(biāo)本安裝在試驗(yàn)機(jī)支座上，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)以加載速度0.1°/s的速度對標(biāo)本施加扭轉(zhuǎn)，分別測出4，6，8，10，12，14 N.cm所對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。

彎曲試驗(yàn)：將實(shí)驗(yàn)標(biāo)本安裝在電子萬能試驗(yàn)機(jī)的彎曲支座上，進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，最大載荷為500 N，試驗(yàn)速度為2 mm/min，依次測出50、100、150、200、250和300 N所對應(yīng)的位移值。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 16.0軟件進(jìn)行分析，將調(diào)查統(tǒng)計(jì)的內(nèi)容作為變量，計(jì)數(shù)資料采用卡方檢驗(yàn)，計(jì)量資料采用t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組軸向壓縮比較

對兩組軸向壓縮進(jìn)行比較，兩組在100、200、300、400、500、600和700 N載荷下，軸向壓縮值比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），且隨著載荷越大軸向壓縮值差距越大（表1）。

2.2 兩組扭轉(zhuǎn)角度比較

兩組在4、6、8、10、12和14 N.cm載荷下，扭轉(zhuǎn)角度差異顯著（P＜0.05），且隨著載荷越大扭轉(zhuǎn)角度值差距越大（表2）。

2.3 兩組彎曲試驗(yàn)比較

兩組在50、100、150、200、250和300 N載荷下，彎曲位移值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），且隨著載荷越大彎曲位移值差距越大（表3）。

表1 兩組軸向壓縮值比較Table1 The comparison of axial compressive load values between the two groups

表2 兩組扭轉(zhuǎn)角度比較Table2 The comparison of torsion angles between the two groups

表3 兩組彎曲位移比較Table3 The comparison of bending load displacement values between the two groups

3 討論

鎖定鋼板（LCP）上的釘孔因帶有特定的螺紋，當(dāng)帶有螺紋頭的螺釘被擰入釘孔后，釘-板間就形成了一種從鋼板到螺釘?shù)墓潭ńY(jié)構(gòu)[2-4]。LCP因其特殊結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)鋼板在生物力學(xué)上存在較大的差異，傳統(tǒng)鋼板需要通過螺釘對骨面的加壓，增加鋼板與骨面的摩擦力來達(dá)到鋼板-骨的穩(wěn)定作用。而LCP的結(jié)構(gòu)類似于外固定支架，不需要通過鋼板與骨之間的直接加壓作用，在實(shí)際使用過程中不損傷骨膜，減少了骨缺損患者骨不愈合、延遲愈合的發(fā)生率。因LCP與鎖定螺釘間的固定結(jié)構(gòu)，LCP在使用中無需直接接觸骨面[2-4]，從其作用的特點(diǎn)來看，與外固定支架的生物力學(xué)作用完全相似，LCP就是一種安裝在軟組織內(nèi)的外固定支架[5]。由于LCP與骨之間的距離更小，較外固定支架而言，其穩(wěn)定性更強(qiáng)[6]。LCP對骨折固定的原理是通過鎖定鋼板與鎖定螺釘?shù)墓潭ńY(jié)構(gòu)及螺釘與骨皮質(zhì)之間的把持力來實(shí)現(xiàn)的，而不需要通過鋼板與骨皮質(zhì)間的加壓作用來完成[7-8]。結(jié)合本研究結(jié)果，在100、200、300、400、500、600和700 N載荷下鎖定鋼板軸向壓縮明顯增強(qiáng)，且隨著載荷越大軸向壓縮值差距越大；在4、6、8、10、12和14 N.cm扭轉(zhuǎn)力量下，扭轉(zhuǎn)角度數(shù)值明顯變化；在50、100、150、200、250和300 N載荷下兩組彎曲位移值比較有顯著差異，說明鎖定鋼板有很好的抵抗變形能力，能滿足骨折的生理需求強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定度。研究認(rèn)為，鎖定鋼板在彎矩-應(yīng)變、彎矩-橈度、扭矩-扭角關(guān)系和普通鋼板比較，有顯著差異[9]。也有報(bào)道指出，鎖定鋼板在抗彎能力、抗變形能力上優(yōu)于其他固定材料，且在堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定同時(shí)，不破壞髓腔，對髓腔血供不會(huì)造成明顯損傷，骨折容易生長，骨不愈合率低[10]。另外，鎖定鋼板可塑性強(qiáng)，具有成角穩(wěn)定性，使用方便，適用于伴隨骨缺損的長骨骨折[11]。從本研究結(jié)果來看，與外固定支架相比，其在剛度、穩(wěn)定性、彎曲度上均優(yōu)于外固定支架，從生物力學(xué)上看，完全滿足外固定治療使用需求。

由于LCP用作外固定支架時(shí)，其安裝位置較外固定支架更接近皮膚，力臂更小，所承受的應(yīng)力更小，因此安全穩(wěn)定性更強(qiáng)。LCP被用作外固定裝置，安裝過程中不損傷骨膜血供，有效保持了骨膜血供和骨骼灌注，縮短骨骼愈合時(shí)間，降低并發(fā)癥發(fā)生率，起到“生物學(xué)鋼板”的作用[6]。

綜上所述，鎖定鋼板外固定骨折能明顯降低應(yīng)力遮擋，有利于骨折傳導(dǎo)，且軸向壓縮力大，扭轉(zhuǎn)力優(yōu)良，能滿足骨折的固定強(qiáng)度，從生物力學(xué)上看，完全符合外固定治療使用。LCP外置固定骨折，為臨床上代替?zhèn)鹘y(tǒng)外固定支架提供了一種新的方法，適用于長管狀骨GustiloⅡ和Ⅲ型骨折、骨不連的患者[12]。因LCP形狀調(diào)整后螺紋孔易變形，臨床使用受到一定限制，適應(yīng)證有限，但仍是復(fù)雜多發(fā)性創(chuàng)傷患者重建治療階段的一種新的有效輔助手段。

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Biomechanical Research on the Fixation of Fractures by External Locking Plate and External Fixator

LI Qiao1, TAN Jinhong1,MA Xiaoming2,LIANG Chunxiang3,LI Diyi1.1 Department of Orthopedic Surgery,Lunjiao Hospital of Shunde Foshan,Foshan 528308,China;2 Department of Orthopedic Surgery,The Eighth People’s Hospital of Nanhai District, Foshan 528216,China;3 Department of Spine Surgery,The First Affiliated Hospital,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510080,China.

ObjectiveTo explore the biomechanics of the fractures fixation by external locking plate and external fixator, and to provide a theoretical basis for clinical application of external locking plate in fracture fixation.MethodsBovine bones of different lengths were chosen as the artificial fracture specimens and external locking plate fixation and external fixation were adopted respectively to observe the axial compression,torsion and bending changes under different loads by using a variety of testing methods.ResultsThe differences of the axial compressive load values between the two groups under 100,200,300,400,500,600 and 700 N were statistically significant(P＜0.05),with the larger of the load,the greater of the gap of axial compressive values.The differences of torsion angles between the two groups under 4,6,8,10,12,14 N.cm were statistically significant(P＜0.05),and the greater of the load,the bigger of the gap of torsion angles.The differences of bending load displacement values between the two groups under 50,100,150,200,250,300 N were statistically significant (P＜0.05),and with the greater of the load,the larger of the gap in bending displacement values.ConclusionThe biomechanics of external locking plate fixation is better than the external fixator,and it can be clinically used as external fixators,providing a new method for the clinical treatment of open fractures.

Locking plate;External fixator;Fracture;Biomechanics

R683

A

1673－0364（2015）05－0320－03

10.3969/j.issn.1673-0364.2015.05.009

2015年5月8日；

2015年5月29日）

廣東省佛山市醫(yī)學(xué)類科技攻關(guān)項(xiàng)目（20131021030077）。

528308廣東省佛山市廣東省佛山市順德區(qū)倫教醫(yī)院骨外科（李喬，譚進(jìn)紅，李滌義）；528216廣東省佛山市廣東省佛山市南海區(qū)第八人民醫(yī)院骨外科（馬小明）；510080廣東省廣州市中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院脊柱外科（梁春祥）。