雙頭空心加壓螺釘固定前交叉韌帶脛骨止點(diǎn)撕脫骨折的生物力學(xué)研究*

張志偉，楊程惠，劉俊才，李仁明，赫明亮，岳永川，李忠

（1.四川省自貢市第四人民醫(yī)院 骨科，四川 自貢 643000；2.電子科技大學(xué) 生物工程系，四川 成都 610066；3.西南醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 骨與關(guān)節(jié)外科，四川 瀘州 646000）

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）脛骨止點(diǎn)撕脫骨折由PONCET在1875年提出，發(fā)生率約為每年3/10萬，占整個(gè)ACL損傷的14%，近年該骨折的發(fā)病率呈上升趨勢(shì)[1-3]。目前，針對(duì)常見的Ⅱ、Ⅲ型骨折（Meyers分型[4-5]），多數(shù)學(xué)者主張解剖復(fù)位及堅(jiān)強(qiáng)內(nèi)固定，以恢復(fù)ACL的生物力學(xué)及股骨-ACL-脛骨復(fù)合體（femur-ACL-tibia complex，F(xiàn)ATC）的連續(xù)性[6-7]，常用的方法為關(guān)節(jié)鏡下復(fù)位螺釘或縫線內(nèi)固定[8-9]。

雖然上述方式在臨床取得了滿意療效，但仍有缺陷，如：縫線固定手術(shù)技術(shù)較高、時(shí)間較長，術(shù)后制動(dòng)時(shí)間較長，易致關(guān)節(jié)僵直，若經(jīng)過骺板易致兒童生長受限[10]；錨釘固定手術(shù)技術(shù)較高、時(shí)間較長，費(fèi)用較高[11-12]；空心拉力螺釘螺帽易致髁間窩撞擊，影響關(guān)節(jié)功能[13]；可吸收螺釘易致關(guān)節(jié)游離體，損傷關(guān)節(jié)軟骨。而雙頭空心加壓螺釘固定牢靠，螺帽可擰入骨質(zhì)內(nèi)，可避免發(fā)生髁間窩撞擊，其雙螺紋結(jié)構(gòu)固定力量可能強(qiáng)于空心拉力螺釘及縫線。查閱文獻(xiàn)未見報(bào)道雙頭空心加壓螺釘固定ACL脛骨止點(diǎn)撕脫骨折的生物力學(xué)研究，故假設(shè)雙頭空心加壓螺釘固定ACL脛骨止點(diǎn)撕脫骨折的生物力學(xué)不差于空心拉力螺釘及縫線，且可避免發(fā)生髁間窩撞擊。

因此，本實(shí)驗(yàn)擬通過雙頭空心加壓螺釘、空心拉力螺釘及縫線固定ACL脛骨止點(diǎn)撕脫骨折的生物力學(xué)強(qiáng)度比較，以探究雙頭空心加壓螺釘固定ACL脛骨止點(diǎn)撕脫骨折的生物力學(xué)效果。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本實(shí)驗(yàn)為作者在西南醫(yī)科大學(xué)讀研究生期間完成（2016年1月-2017年2月，在四川大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成標(biāo)本造模、力學(xué)測(cè)試及數(shù)據(jù)收集；在西南醫(yī)科大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成數(shù)據(jù)處理及分析）。選擇30例年齡約1歲、體重約100 kg、骨密度無明顯差異的豬膝關(guān)節(jié)（普通豬系）作為樣本。-20℃環(huán)境下保存，測(cè)試前常溫下放置24 h解凍。用手術(shù)刀剔除除FATC以外的組織，用自凝牙托粉（義齒基聚合物，山西長治齒科材料有限公司）包埋樣本兩端。使用骨刀將ACL脛骨止點(diǎn)制成30.0 mm（長）×15.0 mm（寬）×8.5 mm（深）的骨折塊，以模擬Ⅲ型骨折[14-15]。按隨機(jī)數(shù)字表法將30例樣本分為A組（雙頭空心加壓螺釘，常州華森醫(yī)療器械有限公司）、B組（空心拉力螺釘，常州華森醫(yī)療器械有限公司）及C組[縫線，強(qiáng)生（上海）醫(yī)療器械有限公司]，每組10例。3組樣本的年齡、體重、骨密度和骨折塊的大小比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。見表1。

1.2 固定步驟

1.2.1 A和B組步驟如下：①將膝關(guān)節(jié)屈曲90°；②在直視下解剖復(fù)位骨塊，并使ACL呈松弛狀態(tài)，以免影響骨折復(fù)位后的位置及內(nèi)固定的置入位置；③以骨塊中心為入針點(diǎn)，通過電鉆從上到下、由前內(nèi)向后外（與脛骨矢狀面及冠狀面呈30°）方向置入一直徑為2.5 mm的克氏針臨時(shí)固定骨塊；④C臂透視克氏針位置準(zhǔn)確后，用空心鉆沿克氏針方向擴(kuò)孔，測(cè)深器測(cè)量骨隧道深度；⑤根據(jù)所測(cè)的深度，A、B組分別置入一直徑3.5 mm、長42.0 mm的相應(yīng)螺釘行單皮質(zhì)固定；⑥記錄兩組螺帽埋入骨塊內(nèi)情況。見圖1。

1.2.2 C組步驟如下[14]：①將膝關(guān)節(jié)屈曲90°；②在直視下解剖復(fù)位骨塊后，并使ACL呈松弛狀態(tài)；③將ACL瞄準(zhǔn)器設(shè)置在55°，從脛骨結(jié)節(jié)內(nèi)側(cè)置入直徑為2.5 mm的導(dǎo)針，在骨塊中心外側(cè)10.0 mm處穿出；④將ACL瞄準(zhǔn)器設(shè)置為48°，在脛骨結(jié)節(jié)第一孔內(nèi)側(cè)1.0 cm處置入直徑為2.5 mm的導(dǎo)針，從骨塊中心內(nèi)側(cè)10.0 mm處穿出；⑤用2.5 mm的過線導(dǎo)針將2條2號(hào)UltraBraid縫線[16]穿過隧道，將縫線從骨塊上方、ACL基底部前中、中后1/3處穿過韌帶后經(jīng)內(nèi)外側(cè)隧道導(dǎo)出；⑥再次復(fù)位骨塊后，拉緊縫線，打5個(gè)結(jié)固定。見圖2。

表1 3組樣本的基本資料比較 （±s）Table 1 Comparison of basic information among three groups （±s）

表1 3組樣本的基本資料比較 （±s）Table 1 Comparison of basic information among three groups （±s）

骨折塊的大小/mm長度 寬度 深度A組（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組（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組（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組別 年齡/d 體重/kg 骨密度/T

圖1 A和B組螺釘復(fù)位固定ACL脛骨止點(diǎn)撕脫骨折Fig.1 Fixation of ACL tibial avulsion fracture with screw in group A and B

1.3 生物力學(xué)測(cè)試

1.3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境所有測(cè)試在常溫下進(jìn)行，用0.9%氯化鈉保持樣本濕潤，以避免韌帶干燥，變性。將樣本安裝在電子萬能試驗(yàn)機(jī)（AU-IS20，日本島津制作所）上，調(diào)整膝關(guān)節(jié)為60°位，以使得負(fù)載時(shí)作用力能最大程度的作用于ACL[17]。見圖3。

1.3.2 預(yù)處理測(cè)量前，用10 N的力量持續(xù)15 s對(duì)樣本作預(yù)處理。

1.3.3 循環(huán)負(fù)載測(cè)試通過施加60 Hz，0～40 N的作用力對(duì)樣本進(jìn)行10圈的循環(huán)負(fù)載測(cè)試[15]，利用計(jì)算機(jī)（電子萬能試驗(yàn)機(jī)的配套設(shè)備）獲得負(fù)載-位移曲線圖及初始位移數(shù)據(jù)。初始位移為第二圈至第九圈的平均值。有學(xué)者認(rèn)為循環(huán)負(fù)載圈數(shù)至少需超過1 000圈，但本實(shí)驗(yàn)主要是探究術(shù)后早期階段制動(dòng)條件下的位移情況，10圈足以反映該初始位移[14]。

圖2 C組縫線固定ACL脛骨止點(diǎn)撕脫骨折Fig.2 Fixation of ACL tibial avulsion fracture with suture in group C

圖3 樣本安裝示意圖Fig.3 Sketch map of sam p le installation

1.3.4 失效負(fù)載測(cè)試通過對(duì)脛骨施加作用力，使脛骨近端以1 mm/s的速度向前移動(dòng)來檢測(cè)失效負(fù)載，模擬前抽屜試驗(yàn)，以50 Hz的頻率記錄施加的負(fù)載及ACL的延伸長度，制成負(fù)載-延伸曲線圖，并得出峰值負(fù)載及屈服負(fù)載的數(shù)值。

1.4 失效類型觀察

測(cè)試完成后，仔細(xì)觀察每個(gè)樣本的失效類型、ACL損傷、縫線損傷及釘?shù)罁p傷情況。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)資料采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。兩組比較用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，多組間比較用單因素方差分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 樣本處理情況

所有樣本造模成功，骨折塊完整，周圍結(jié)構(gòu)完整，均解剖復(fù)位，3種內(nèi)固定材料固定骨塊的位置準(zhǔn)確無誤。整個(gè)實(shí)驗(yàn)未見明顯的韌帶干燥，變性。

2.2 生物力學(xué)結(jié)果

2.2.1 A和B組A組的峰值負(fù)載及屈服負(fù)載明顯大于B組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），A組的初始位移明顯短于B組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見表2、圖4和5。A組的螺帽均埋入骨塊內(nèi)，B組的螺帽均明顯突出于ACL實(shí)質(zhì)，見圖6。

2.2.2 A和C組表3顯示，C組中峰值負(fù)載與屈服負(fù)載是同一值。A組的峰值負(fù)載與C組無明顯差異（P＞0.05）。A組的屈服負(fù)載明顯小于C組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。A組的初始位移明顯短于C組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），且A組所有樣本的初始位移均短于C組。

表2 A組與B組生物力學(xué)比較 （±s）Table 2 Comparison of biomechanical analysis between group A and group B （±s）

表2 A組與B組生物力學(xué)比較 （±s）Table 2 Comparison of biomechanical analysis between group A and group B （±s）

組別 峰值負(fù)載/N 屈服負(fù)載/N 初始位移/mm A組（n=10） 443.10±8.54 398.10±14.21 1.38±0.14 B組（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組與C組生物力學(xué)比較 （±s）Table 3 Comparison of biomechanical analysis between group A and group C （±s）

表3 A組與C組生物力學(xué)比較 （±s）Table 3 Comparison of biomechanical analysis between group A and group C （±s）

組別 峰值負(fù)載/N 屈服負(fù)載/N 初始位移/mm A組（n=10） 443.10±8.54 398.10±14.21 1.38±0.14 C組（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

圖4 A組的負(fù)載-延伸曲線圖Fig.4 Load-extension curve of group A

圖5 A組的負(fù)載-位移曲線圖（初始位移）Fig.5 Load-disp lacement curve of group A

2.3 失效類型

3組的失效類型見圖7。

2.3.1 A組從骨道脫出的樣本中發(fā)現(xiàn)，螺帽仍與骨塊牢靠固定；脫出后的骨道明顯變大，螺釘可隨意進(jìn)出骨道。骨塊再次骨折的樣本中發(fā)現(xiàn)，骨塊均為橫行骨折，斷面有明顯的螺紋存在，螺釘遠(yuǎn)端仍固定在脛骨骨道內(nèi)。

2.3.2 B組從骨道脫出的樣本情況與A組類似。骨塊再次骨折的樣本中發(fā)現(xiàn)，骨塊均為橫行骨折，斷面未見螺紋，螺帽后方的骨質(zhì)有明顯破壞、變形。

2.3.3 C組樣本ACL均有切割損傷，部分ACL纖維斷裂。所有樣本上方隧道口的骨質(zhì)均被破壞，下方隧道口未見明顯破壞。骨塊再次骨折的樣本中發(fā)現(xiàn)，骨折形式均為從縫線經(jīng)過的部位再骨折。

圖6 A和B組骨塊固定后的圖片F(xiàn)ig.6 Images of the A and B group after the fixation of the bone block

圖7 3組樣本的失效類型Fig.7 Failure types of three groups of sam ples

3 討論

本實(shí)驗(yàn)最主要的發(fā)現(xiàn)是與空心拉力螺釘及縫線固定ACL脛骨止點(diǎn)撕脫骨折比較，雙頭空心加壓螺釘固定有相似甚至更大的初始固定強(qiáng)度，且初始穩(wěn)定性最好。該結(jié)果也支持本研究最初的假設(shè)。

3.1 初始穩(wěn)定性分析

盡管有大量文章報(bào)道關(guān)節(jié)鏡下復(fù)位固定ACL脛骨止點(diǎn)撕脫骨折能取得較好的療效，但有學(xué)者發(fā)現(xiàn)術(shù)后仍存在ACL部分松弛[7]。分析原因可能是由于術(shù)中骨塊復(fù)位不佳或固定不牢靠而導(dǎo)致的骨塊二次移位。而且不可靠的固定會(huì)產(chǎn)生復(fù)位失效的風(fēng)險(xiǎn)及延長術(shù)后制動(dòng)時(shí)間，限制患者術(shù)后早期功能鍛煉，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)活動(dòng)受限[7，18]。因此，強(qiáng)大的初始穩(wěn)定性及初始固定強(qiáng)度是減少術(shù)后并發(fā)癥的關(guān)鍵。初始位移可以反映初始穩(wěn)定性的大小，可以為術(shù)后早期康復(fù)計(jì)劃的實(shí)施提供參考。

初始位移是指復(fù)位固定后在接受反復(fù)的小于峰值負(fù)載的力量牽拉時(shí)骨塊的位移大小，它可以模擬該骨折患者術(shù)后早期康復(fù)鍛煉的受力情況。MONTGOMERY等[18]回顧了17例保守治療患者，29%的患者達(dá)到臨床愈合，其余的均發(fā)生膝關(guān)節(jié)松弛或活動(dòng)受限等并發(fā)癥，最終得出這些并發(fā)癥與初始位移有密切關(guān)系。盡管本實(shí)驗(yàn)是在固定骨塊后立即行初始位移檢測(cè)，但仍可作為早期康復(fù)階段骨塊固定失效的潛在參考指標(biāo)[19]。本實(shí)驗(yàn)得出：A組的初始位移明顯短于B、C組，說明術(shù)后早期康復(fù)階段，雙頭空心加壓螺釘固定的初始穩(wěn)定性明顯高于空心拉力螺釘及縫線，可以考慮行早期功能鍛煉，既有益于骨折的愈合，又可減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生。

3.2 初始固定強(qiáng)度分析

失效負(fù)載反映該骨折患者術(shù)后的初始固定強(qiáng)度，它有兩個(gè)指標(biāo)（峰值負(fù)載及屈服負(fù)載）。峰值負(fù)載指骨塊固定后所能承受的最大力量，它反映該骨折患者在術(shù)后遭受意外受力事件時(shí)的固定情況。屈服負(fù)載指復(fù)位固定后發(fā)生不可逆性破壞（即失效）時(shí)的力量。本實(shí)驗(yàn)得出：A組的峰值負(fù)載和屈服負(fù)載均明顯高于B組，說明術(shù)后康復(fù)階段，雙頭空心加壓螺釘固定的患者能承受更大的外來應(yīng)力，更不易失效，更利于早期功能鍛煉。A組的峰值負(fù)載與C組沒有明顯差異，但A組的屈服負(fù)載明顯小于C組，說明雙頭空心加壓螺釘與縫線固定承受外來應(yīng)力的大小相似，即對(duì)骨塊移位的影響沒有明顯差別。

3.3 螺帽埋入骨塊情況分析

本研究發(fā)現(xiàn)A組螺帽均埋入骨塊內(nèi)，B組螺帽均明顯突出于ACL實(shí)質(zhì)。其原因主要為A組的螺帽帶有螺紋，可擰入骨質(zhì)，B組的螺帽較大，難以擰入骨塊內(nèi)，若強(qiáng)行擰入，易致骨塊碎裂。這說明B組更易發(fā)生髁間窩撞擊。反映到臨床，可以認(rèn)為使用空心拉力螺釘固定該骨折的患者術(shù)后發(fā)生髁間窩撞擊、關(guān)節(jié)軟骨損傷等并發(fā)癥的概率明顯大于雙頭空心加壓螺釘。

3.4 失效類型分析

A組的失效類型主要為骨塊再次骨折，且因骨塊再骨折失效的樣本的峰值負(fù)載均大于因螺釘從骨道滑脫失效的樣本。分析原因可能為：①骨塊的強(qiáng)度低于本實(shí)驗(yàn)施加的拉力，且低于雙頭空心加壓螺釘?shù)墓潭◤?qiáng)度；②由于ACL限制，施加前向拉力時(shí)骨塊與脛骨平臺(tái)后部擠壓而再骨折；③以上原因的綜合結(jié)果。B組中90%是骨塊再次骨折失效，其中50%樣本螺帽后方的骨質(zhì)有明顯破壞。與A組類似，這些樣本的峰值負(fù)載均大于其他失效類型樣本的峰值負(fù)載?？偨Y(jié)失效原因，除與A組相同原因外，還可能是突出的螺帽對(duì)骨塊有向后的擠壓作用，以致骨塊破裂。C組：骨塊再次骨折的原因可能為：骨塊的強(qiáng)度低于實(shí)驗(yàn)施加的拉力，且低于縫線的固定強(qiáng)度?？p線斷裂原因可能是縫線的強(qiáng)度較低。雖然使用更粗的縫線固定可能會(huì)得到更好的固定效果，但有學(xué)者發(fā)現(xiàn)這些更粗的縫線固定所產(chǎn)生的位移對(duì)早期恢復(fù)及骨折愈合的影響更大[19]。

3.5 實(shí)驗(yàn)不足

本實(shí)驗(yàn)存在不足之處，比如只能單一的反映ACL的功能，不能反映整個(gè)膝關(guān)節(jié)的功能；只研究了前向穩(wěn)定性，不能反映ACL的屈曲、旋轉(zhuǎn)等穩(wěn)定性；在開放環(huán)境下操作，不能完全反映關(guān)節(jié)鏡下手術(shù)情況。但以上研究結(jié)果，國內(nèi)外仍未見明確報(bào)道。

綜上所述，雙頭空心加壓螺釘固定ACL脛骨止點(diǎn)撕脫骨折的早期生物力學(xué)強(qiáng)度明顯優(yōu)于空心拉力螺釘及縫線，且與空心拉力螺釘相比不易造成髁間窩撞擊。目前，雙頭空心加壓螺釘在臨床治療該骨折的療效尚不清楚。因此，進(jìn)一步明確其臨床療效，必將為減少術(shù)后并發(fā)癥、促進(jìn)早期恢復(fù)帶來新的突破。

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