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、局部反常呼吸運動以及合并的肺實質(zhì)損傷、血氣胸等容易導(dǎo)致肺部感染、ARDS等并發(fā)癥，后果嚴重[2]。近年來，隨著研究的進展，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、促進肺擴張、減少肺部并發(fā)癥，縮短住院時間及ICU住院時間，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)力特點有所區(qū)別[5]。筆者針對當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(強生MatrixRrib)進行體外生物力學(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)實驗系統(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)，三點彎曲及扭轉(zhuǎn)實驗?zāi)＞?河北省骨科研究所)、游標卡尺(德國美耐特)、電鉆、擺鋸，Ⅱ型義齒基牙托粉及自凝牙托水(上海新世紀齒科材料有限公司)。

2 標本制備

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個月，實驗前將肋骨于冰箱內(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。實驗中間斷常溫生理鹽水噴灑于標本表面，保持肋骨濕潤。實驗用肋骨均排除畸形、損傷、腫瘤及其他病理性改變因素。首先對標本寬度、厚度進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)確定選用內(nèi)固定材料的型號，48根肋骨標本編號后采用隨機數(shù)字表法分為6組，每組8根，于中點鋸斷肋骨后進行解剖對位固定，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 實驗步驟

3.1非破壞三點彎曲實驗 取環(huán)抱形板與預(yù)塑形解剖板標本模型各1組，安放至三點彎曲模具上(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)實驗機與傳感器、計算機相連接，施力點為骨折線的中點，加載開始。計算機記錄受力中心位移與對應(yīng)施力大小，記錄加壓點位移為2、4、6、8、10、12mm時的相應(yīng)載荷(單位：N)。

3.2非破壞性扭轉(zhuǎn)實驗 取另兩組對照標本，用義齒牙托粉及自凝水將其垂直固定于扭轉(zhuǎn)實驗?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°時的對應(yīng)扭矩(單位：N.cm)。

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

圖2 非破壞扭轉(zhuǎn)實驗?zāi)Ｐ汀.環(huán)抱板固定模型扭轉(zhuǎn)實驗；b.解剖板固定模型扭轉(zhuǎn)實驗

3.3破壞性軸向加壓實驗 剩余兩組對照標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，軸向加壓直至標本破壞，生物力學(xué)機壓力探頭自動彈起結(jié)束，記錄肋骨標本破壞時的形態(tài)特點及載荷(單位：N)。

4 統(tǒng)計學(xué)分析

結(jié) 果

1 肋骨數(shù)據(jù)測量

48根肋骨中點平均寬度為(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 非破壞三點彎曲實驗

肉眼形態(tài)觀察：環(huán)抱型板在受壓時其骨折端會產(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顯示兩組標本隨著位移的增加，所需載荷逐漸升高，兩組在位移達8mm時斜率均有所下降，顯示屈服，在位移10mm時均達到應(yīng)力最高點，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)計學(xué)分析，兩組在2、4、6、8、10、12mm六個位移點的應(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 兩組三點彎曲實驗骨折端間隙變化。a.環(huán)抱板固定模型三點彎曲施壓最高處斷端間隙明顯；b.環(huán)抱板固定模型三點彎曲施壓解除后斷端間隙；c.解剖板固定模型三點彎曲施壓最高處斷端無明顯間隙；d.解剖板固定模型三點彎曲施壓解除后斷端無明顯間隙

圖4 三點彎曲實驗位移與載荷關(guān)系

3 非破壞扭轉(zhuǎn)實驗

圖5示兩組標本隨著扭轉(zhuǎn)角度的增加，所需扭矩逐漸升高，曲線圖示，達到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，其屈服點較前者延后。然而，經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析，兩組六個角度旋轉(zhuǎn)所加載扭矩均無顯著差異(P>0.05)。

4 破壞性軸向加壓實驗

兩組標本破壞形態(tài)對比(圖6)，預(yù)塑形板破壞點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)的破壞點多為環(huán)抱爪著力部位，兩組標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荷較環(huán)抱板高。

圖5 扭轉(zhuǎn)實驗角度與扭矩關(guān)系

圖6 破壞性軸向加壓實驗中兩組標本破壞部位。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，其骨折愈合特點與其他骨組織不同，不受生理負荷的保護，因此，多發(fā)肋骨骨折時需要盡快提供有效的穩(wěn)定性以促進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)定特性和強度是最主要的因素。Rehm等[6]進行一項人體內(nèi)實驗研究，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]測試人體在咳嗽時肋骨彎曲應(yīng)力可達92.4N。本研究中兩組模型的破壞性實驗所需應(yīng)力(173.88±5.85)N、(220.87±42.26)N均遠遠超過上述生理活動的應(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應(yīng)力的考驗，當胸廓承受外力時，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]，因此評價內(nèi)固定的有效性需要從多方面著手。對比兩種模型，三點彎曲實驗可看出預(yù)塑形解剖板各個位移點的彎曲負荷均遠高于環(huán)抱板(P<0.05)，因此，從強度方面考慮，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，其骨折間隙會產(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)的軸向微動能促進骨折愈合[9]，單從此因素考慮，或許環(huán)抱型板更有優(yōu)勢，結(jié)論尚需通過進一步體內(nèi)研究來探討驗證。筆者在扭轉(zhuǎn)實驗曲線圖中觀察到，雖然環(huán)抱型板前期扭轉(zhuǎn)角度(<25°)相應(yīng)扭矩數(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)力實驗，預(yù)塑形解剖板組顯示出較強的抗剪應(yīng)能力(P<0.05)。

目前學(xué)術(shù)界公認的骨折治療AO原則除了解剖性復(fù)位、穩(wěn)定牢固的骨折固定以外，對血運的保護也不容忽視[10]，對比兩種手術(shù)操作，在實施環(huán)抱型板內(nèi)固定時，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，在血運保護方面，后者可能存在一定優(yōu)勢，但是，從經(jīng)濟成本考慮，環(huán)抱型板價格低廉，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際臨床需求可以選取相應(yīng)特點的內(nèi)固定材料。本實驗初步探討了環(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)、體外研究來驗證最佳手術(shù)方式。