環(huán)抱型肋骨接骨板與預(yù)塑形解剖板生物力學(xué)研究

黃 剛，李 普，李高陽，楊金良

肋骨骨折是最常見的鈍性損傷之一，約占所有創(chuàng)傷患者的10%[1]。其中多發(fā)肋骨骨折尤其是連枷胸誘發(fā)的劇烈疼痛、咳痰無力、局部反常呼吸運(yùn)動(dòng)以及合并的肺實(shí)質(zhì)損傷、血?dú)庑氐热菀讓?dǎo)致肺部感染、ARDS等并發(fā)癥，后果嚴(yán)重[2]。近年來，隨著研究的進(jìn)展，切開復(fù)位內(nèi)固定手術(shù)治療肋骨骨折能早期建立穩(wěn)定的胸廓，有效緩解疼痛、促進(jìn)肺擴(kuò)張、減少肺部并發(fā)癥，縮短住院時(shí)間及ICU住院時(shí)間，因而應(yīng)用越來越廣泛[3-4]。目前臨床中常見的內(nèi)固定方式主要有環(huán)抱型肋骨板(鈦合金或鈦鎳記憶合金)、預(yù)塑形解剖板(非環(huán)抱型)、髓內(nèi)型板以及半環(huán)抱型(U型)接骨板等，因人體肋骨幾何形態(tài)的特殊性，各種內(nèi)固定材料對肋骨的著力方式以及應(yīng)力特點(diǎn)有所區(qū)別[5]。筆者針對當(dāng)前臨床較常用的兩種內(nèi)固定材料即環(huán)抱型肋骨接骨板(常州華森)和非環(huán)抱的預(yù)塑形解剖板(強(qiáng)生MatrixRrib)進(jìn)行體外生物力學(xué)測試，分析對比各自的生物力學(xué)性能，為臨床選取手術(shù)方式提供一定的基礎(chǔ)理論依據(jù)。

材料與方法

1 材料及儀器設(shè)備

環(huán)抱型肋骨接骨板(常州華森醫(yī)療器械HS A 45×15mm)及夾持鉗，預(yù)塑形鎖定肋骨接骨板(強(qiáng)生MatrixRrib Anatomic 6孔、8孔)、鎖定螺釘及專用配套器械，Electroforce 3520-AT型生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(美國Bose公司)及自帶生物力學(xué)分析軟件(河北省骨科研究所)，三點(diǎn)彎曲及扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?河北省骨科研究所)、游標(biāo)卡尺(德國美耐特)、電鉆、擺鋸，Ⅱ型義齒基牙托粉及自凝牙托水(上海新世紀(jì)齒科材料有限公司)。

2 標(biāo)本制備

取材自河北醫(yī)科大學(xué)解剖教研室成年男性尸體標(biāo)本6具，年齡24～53歲，平均38.6歲。完整取出每具尸體左、右5～8肋共48根肋骨冰凍保存(-20℃)1～12個(gè)月，實(shí)驗(yàn)前將肋骨于冰箱內(nèi)取出，室溫(23℃)下自然解凍，小心剔除肋骨上附著的肌肉、軟組織，保留骨膜，擺鋸截為20cm等長中段肋骨。實(shí)驗(yàn)中間斷常溫生理鹽水噴灑于標(biāo)本表面，保持肋骨濕潤。實(shí)驗(yàn)用肋骨均排除畸形、損傷、腫瘤及其他病理性改變因素。首先對標(biāo)本寬度、厚度進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)確定選用內(nèi)固定材料的型號(hào)，48根肋骨標(biāo)本編號(hào)后采用隨機(jī)數(shù)字表法分為6組，每組8根，于中點(diǎn)鋸斷肋骨后進(jìn)行解剖對位固定，其中3組用環(huán)抱型接骨板固定(環(huán)抱板組，斷端兩側(cè)等距各兩對環(huán)抱抓夾持)，另3組用預(yù)塑形解剖板固定(預(yù)塑板組，斷端兩側(cè)等距各3枚鎖定螺釘)。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1非破壞三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn) 取環(huán)抱形板與預(yù)塑形解剖板標(biāo)本模型各1組，安放至三點(diǎn)彎曲模具上(圖1)，設(shè)置參數(shù)，跨度均為100mm，位移速度2.5mm/min，最大位移上限12mm。生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)與傳感器、計(jì)算機(jī)相連接，施力點(diǎn)為骨折線的中點(diǎn)，加載開始。計(jì)算機(jī)記錄受力中心位移與對應(yīng)施力大小，記錄加壓點(diǎn)位移為2、4、6、8、10、12mm時(shí)的相應(yīng)載荷(單位：N)。

3.2非破壞性扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 取另兩組對照標(biāo)本，用義齒牙托粉及自凝水將其垂直固定于扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)?zāi)＞吆?圖2)，跨度100mm，旋轉(zhuǎn)速度10°/min，記錄旋轉(zhuǎn)角度為5°、10°、15°、20°、25°、30°時(shí)的對應(yīng)扭矩(單位：N.cm)。

圖1 非破壞三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。a.環(huán)抱板固定模型三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)；b.解剖板固定模型三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)

圖2 非破壞扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。a.環(huán)抱板固定模型扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)；b.解剖板固定模型扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

3.3破壞性軸向加壓實(shí)驗(yàn) 剩余兩組對照標(biāo)本再次用義齒牙托粉及自凝水將其垂直固定于模具盒，設(shè)置參數(shù)，跨度100mm、位移速度2.5mm/min，最大位移無上限，軸向加壓直至標(biāo)本破壞，生物力學(xué)機(jī)壓力探頭自動(dòng)彈起結(jié)束，記錄肋骨標(biāo)本破壞時(shí)的形態(tài)特點(diǎn)及載荷(單位：N)。

4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

結(jié) 果

1 肋骨數(shù)據(jù)測量

48根肋骨中點(diǎn)平均寬度為(14.34±0.86)mm，平均厚度為(8.28±0.77)mm，據(jù)此選用45mm×15mm型號(hào)環(huán)抱型板，并選擇10mm長度預(yù)塑形解剖板鎖定螺釘。

2 非破壞三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)

肉眼形態(tài)觀察：環(huán)抱型板在受壓時(shí)其骨折端會(huì)產(chǎn)生1～2mm的間隙增寬，施壓結(jié)束后恢復(fù)原狀，而預(yù)塑形解剖板難以觀察到骨折間隙的變化(圖3)。圖4顯示兩組標(biāo)本隨著位移的增加，所需載荷逐漸升高，兩組在位移達(dá)8mm時(shí)斜率均有所下降，顯示屈服，在位移10mm時(shí)均達(dá)到應(yīng)力最高點(diǎn)，分別為環(huán)抱型板：(44.08±1.71)N，預(yù)塑形板：(76.48±3.63)N，經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，兩組在2、4、6、8、10、12mm六個(gè)位移點(diǎn)的應(yīng)力載荷數(shù)值均存在顯著差異(P<0.05)，其中預(yù)塑形解剖板相對應(yīng)力較大。

圖3 兩組三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)骨折端間隙變化。a.環(huán)抱板固定模型三點(diǎn)彎曲施壓最高處斷端間隙明顯；b.環(huán)抱板固定模型三點(diǎn)彎曲施壓解除后斷端間隙；c.解剖板固定模型三點(diǎn)彎曲施壓最高處斷端無明顯間隙；d.解剖板固定模型三點(diǎn)彎曲施壓解除后斷端無明顯間隙

圖4 三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)位移與載荷關(guān)系

3 非破壞扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

圖5示兩組標(biāo)本隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加，所需扭矩逐漸升高，曲線圖示，達(dá)到25°之前，環(huán)抱型板所需扭矩較預(yù)塑形板普遍較高，30°時(shí)環(huán)抱型板扭矩顯著下降，而預(yù)塑形板扭矩繼續(xù)升高，其屈服點(diǎn)較前者延后。然而，經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，兩組六個(gè)角度旋轉(zhuǎn)所加載扭矩均無顯著差異(P>0.05)。

4 破壞性軸向加壓實(shí)驗(yàn)

兩組標(biāo)本破壞形態(tài)對比(圖6)，預(yù)塑形板破壞點(diǎn)多為鎖定螺釘周圍出現(xiàn)新生骨質(zhì)劈裂，而環(huán)抱型板出現(xiàn)的破壞點(diǎn)多為環(huán)抱爪著力部位，兩組標(biāo)本均未見原有骨折處位移或變形。兩組軸向施壓至完全破壞時(shí)所需應(yīng)力：環(huán)抱板(173.88±5.85)N，解剖板(220.87±42.26)N，后者均值顯著高于前者(P<0.05)，提示預(yù)塑形解剖板能承載的最高軸向負(fù)荷較環(huán)抱板高。

圖5 扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)角度與扭矩關(guān)系

圖6 破壞性軸向加壓實(shí)驗(yàn)中兩組標(biāo)本破壞部位。a.環(huán)抱板模型肋骨破壞處位于環(huán)抱爪著力部位；b.解剖板模型破壞處位于鎖定螺釘周圍

討 論

由于肋骨需要持續(xù)參與人體呼吸、咳嗽甚至復(fù)蘇性干預(yù)等活動(dòng)，其骨折愈合特點(diǎn)與其他骨組織不同，不受生理負(fù)荷的保護(hù)，因此，多發(fā)肋骨骨折時(shí)需要盡快提供有效的穩(wěn)定性以促進(jìn)肋骨正常生理功能的恢復(fù)。從生物力學(xué)角度考慮，內(nèi)固定的穩(wěn)定特性和強(qiáng)度是最主要的因素。Rehm等[6]進(jìn)行一項(xiàng)人體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，為6名肋骨部分切除(間隙1.5cm)的成年患者置入帶應(yīng)力測量計(jì)的橋接板，測試自主呼吸狀態(tài)下肋骨的彎曲、扭轉(zhuǎn)以及軸向的應(yīng)力負(fù)荷，其中最高彎曲應(yīng)力為(39.0±15.1)N、最高扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為(18.0±9.2)N，最高的軸向應(yīng)力為(7.0±1.1)N。Helzel等[7]測試人體在咳嗽時(shí)肋骨彎曲應(yīng)力可達(dá)92.4N。本研究中兩組模型的破壞性實(shí)驗(yàn)所需應(yīng)力(173.88±5.85)N、(220.87±42.26)N均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述生理活動(dòng)的應(yīng)力上限，提示這兩種材料均能為骨折部位提供足夠強(qiáng)度的穩(wěn)定固定。然而，兩組模型破壞形態(tài)的規(guī)律顯示，無論是爪形環(huán)抱貼合還是鎖定螺釘?shù)墓潭ǚ绞?，其著力部位的正常骨組織都會(huì)受到潛在的破壞性，從而產(chǎn)生相對薄弱區(qū)域，此薄弱區(qū)足夠耐受自主呼吸及咳嗽等正常生理活動(dòng)應(yīng)力的考驗(yàn)，當(dāng)胸廓承受外力時(shí)，是否容易出現(xiàn)薄弱區(qū)的新發(fā)骨折，目前則尚未可知。

與人體其他骨組織相比，肋骨有較為復(fù)雜的幾何形態(tài)，除了包括兩個(gè)矢量方向的彎曲度還包括扭轉(zhuǎn)度，其生理狀態(tài)下承受的應(yīng)力也較為復(fù)雜，包括彎曲、扭轉(zhuǎn)和軸向剪切應(yīng)力[8]，因此評價(jià)內(nèi)固定的有效性需要從多方面著手。對比兩種模型，三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)可看出預(yù)塑形解剖板各個(gè)位移點(diǎn)的彎曲負(fù)荷均遠(yuǎn)高于環(huán)抱板(P<0.05)，因此，從強(qiáng)度方面考慮，預(yù)塑形解剖板看上去更可靠。此外，通過肉眼觀察，環(huán)抱板模型在受壓彎曲時(shí)，其骨折間隙會(huì)產(chǎn)生1～2mm的分離，施壓結(jié)束后基本恢復(fù)原狀，而預(yù)塑形解剖板幾乎沒有骨折間隙的分離變化，因此在內(nèi)固定絕對穩(wěn)定性方面，預(yù)塑形解剖板亦具備優(yōu)勢。然而研究表明，骨折斷端在一定范圍內(nèi)的軸向微動(dòng)能促進(jìn)骨折愈合[9]，單從此因素考慮，或許環(huán)抱型板更有優(yōu)勢，結(jié)論尚需通過進(jìn)一步體內(nèi)研究來探討驗(yàn)證。筆者在扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)曲線圖中觀察到，雖然環(huán)抱型板前期扭轉(zhuǎn)角度(<25°)相應(yīng)扭矩?cái)?shù)值高于預(yù)塑形解剖板，而后期(>30°)扭矩較之降低，但均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)，因此，兩種內(nèi)固定材料在抗扭轉(zhuǎn)特性方面無較大差別。破壞性軸向施壓主要為抗剪應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，預(yù)塑形解剖板組顯示出較強(qiáng)的抗剪應(yīng)能力(P<0.05)。

目前學(xué)術(shù)界公認(rèn)的骨折治療AO原則除了解剖性復(fù)位、穩(wěn)定牢固的骨折固定以外，對血運(yùn)的保護(hù)也不容忽視[10]，對比兩種手術(shù)操作，在實(shí)施環(huán)抱型板內(nèi)固定時(shí)，為了避免肋骨下緣的肋間神經(jīng)血管束損傷，往往需要充分游離肋下緣的骨膜，而預(yù)塑形解剖板則不用過多的游離兩端骨膜，在血運(yùn)保護(hù)方面，后者可能存在一定優(yōu)勢，但是，從經(jīng)濟(jì)成本考慮，環(huán)抱型板價(jià)格低廉，更具優(yōu)勢。

總之，隨著胸外科及創(chuàng)傷外科專業(yè)醫(yī)師對肋骨骨折內(nèi)固定手術(shù)認(rèn)可度的不斷提高，越來越多的內(nèi)固定手術(shù)方式被采用，針對不同骨折類型以及實(shí)際臨床需求可以選取相應(yīng)特點(diǎn)的內(nèi)固定材料。本實(shí)驗(yàn)初步探討了環(huán)抱型和非環(huán)抱型內(nèi)固定材料的生物力學(xué)特性，為廣大醫(yī)師的臨床選擇提供了一定的理論依據(jù)。然而，影響骨折愈合機(jī)制的因素紛繁復(fù)雜，尚需更廣泛、更深入的體內(nèi)、體外研究來驗(yàn)證最佳手術(shù)方式。