脛骨板式外固定架的生物力學(xué)性能研究

史 迪,張浩萌，李國臣，鄭聯(lián)合

現(xiàn)代戰(zhàn)爭因武器威力巨大，容易造成脛骨開放性骨折，并伴有嚴(yán)重創(chuàng)面污染、軟組織及神經(jīng)血管損傷，這種情況下，常常需要對骨折進(jìn)行快速、穩(wěn)定的固定，以減少對周圍軟組織及神經(jīng)血管的進(jìn)一步損傷，降低休克的發(fā)生率，這無疑是現(xiàn)代戰(zhàn)創(chuàng)傷治療的挑戰(zhàn)[1-2]。長期以來，外固定架一直被用于治療脛骨開放性骨折及某些閉合性的伴有嚴(yán)重軟組織損傷的粉碎性脛骨骨折。雖然外固定架能夠減少對軟組織及血供的損傷，但也有其缺陷：固定穩(wěn)定性較差，容易導(dǎo)致骨折斷端再移位，造成骨折延遲愈合、畸形愈合甚至不愈合，此外，臨床常用的外固定架由于其體積較大容易影響患者的日常生活，如穿衣及行走[3-5]。如何克服外固定架本身存在的諸多缺陷依舊是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。本課題組設(shè)計了脛骨板式外固定架(專利號：ZL201621380368.6)，與小腿外形高度匹配，利用鋼板與螺釘之間的角穩(wěn)定性，保證了骨折固定的穩(wěn)定性，有望避免臨床常見的外固定架及螺釘松動的問題，而且體積較小，對患者行走穿衣等日常生活影響較小。本實驗通過比較脛骨板式外固定架的兩種構(gòu)型與臨床常用的單邊式外固定架在固定牛脛骨中段骨折模型時的力學(xué)性能差異，評價脛骨板式外固定架治療脛骨粉碎性骨折時的穩(wěn)定性，為脛骨板式外固定架用于治療脛骨嚴(yán)重開放性骨折及粉碎性骨折提供理論支撐。

材料與方法

1 建模及分組

選擇15根新鮮成年直徑和長度接近的牛脛骨，脛骨均來自同一品種，健康、體重接近且骨骼發(fā)育成熟的成年牛，平均長度為340mm(310～375mm)，剔除所有軟組織。根據(jù)不同固定方式隨機(jī)分為板式經(jīng)典型組、板式延長型組及單邊式外固定架組三組，用擺鋸在脛骨中段鋸開，制作成間距為20mm的骨折缺損，保證骨折斷端無接觸，模擬脛骨粉碎性骨折[6-7]。板式經(jīng)典型組用不銹鋼經(jīng)典型板式外固定架(遠(yuǎn)端固定板條完全嵌入近端固定板條中，長300mm，寬21mm，厚10mm，共13個螺釘孔，螺釘直徑5mm)固定，骨折近端和遠(yuǎn)端各2枚鎖定螺釘固定(圖1)。板式延長型組用不銹鋼延長型板式外固定架(遠(yuǎn)端固定板條未完全嵌入近端固定板條，長340mm，近端寬21mm，厚10mm，遠(yuǎn)端寬16mm，厚5mm，共16個螺釘孔，螺釘直徑5mm)固定，骨折近端和遠(yuǎn)端各2枚鎖定螺釘固定(圖2)。單邊式外固定架組用不銹鋼單邊式外固定架(連接桿直徑8mm，長度為300mm，半針直徑5mm)固定，骨折近端及遠(yuǎn)端各2根半針固定(圖3)。三組骨折固定模型均先用4.5mm鉆頭鉆孔，然后順時針方向擰入鎖定螺釘或半針，均固定雙側(cè)皮質(zhì)。近端螺釘或半針距離骨折斷端20mm，遠(yuǎn)近端螺釘或半針之間間距為45mm，連接桿或外固定板距離骨表面30mm[8]。所用外固定器械材質(zhì)相同，均來自上?？刀ㄡt(yī)療器械有限公司。

圖1 經(jīng)典型板式外固定架 圖2 延長型板式外固定架 圖3 單邊式外固定架

2 結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

本課題組設(shè)計的板式外固定架，屬于一種脛骨外固定裝置，包括近端脛骨固定板條、遠(yuǎn)端脛骨固定板條。近端固定板條的遠(yuǎn)端設(shè)有插槽，遠(yuǎn)端固定板條的近端可以深入插槽中并沿插槽滑動，根據(jù)人體脛骨長度調(diào)節(jié)脛骨固定板條的長度，保證了板式外固定架在長度上的可調(diào)節(jié)性。近端固定板條近端設(shè)置有第一橫貼板，能夠與人體脛骨的近端部位橫向貼合；遠(yuǎn)端固定板條的遠(yuǎn)端設(shè)置有第二橫貼板，能夠與人體脛骨遠(yuǎn)端的部位橫向貼合。所述脛骨固定板條、第一橫貼板和第二橫貼板與人體小腿外形高度匹配，且體積較臨床常用的單邊式、組合式及環(huán)式外固定架小。脛骨固定板條及橫貼板上設(shè)有5mm鎖定螺釘孔，所用螺釘均為5mm自攻型鎖定螺釘。

3 測試方法

3.1 軸向壓縮實驗 所有骨折模型兩端用牙科自凝牙托粉包埋，保證軸向壓縮時負(fù)荷傳遞模擬生理條件下力線的傳遞[1, 4]。在前期的預(yù)實驗中，板式外固定架的兩種構(gòu)型均可以承受超過1 000N的負(fù)荷，單邊式外固定架可以承受超過700N的負(fù)荷，故本次試驗最大軸向載荷設(shè)置為700N，對應(yīng)一個體重為140kg的成年人雙足站立，完全負(fù)重時的軸向負(fù)荷。將骨折模型置于Z2005電子材料萬能試驗機(jī)(Zwick/Roell Z2005，德國)上(圖4)，采用位移控制的方式加載負(fù)荷，負(fù)荷以0.1mm/s的速度從0N加到700N，循環(huán)加載6次，同時以100Hz的頻率采集載荷及相應(yīng)的軸向位移數(shù)值，在電腦上建立相應(yīng)的載荷位移曲線，將每次循環(huán)前3次的數(shù)據(jù)丟棄用以排除系統(tǒng)誤差，后3次的數(shù)據(jù)保留計算軸向壓縮剛度，壓縮剛度定義為單位軸向位移下所施加的負(fù)荷(N/mm)[4]。

3.2 四點(diǎn)彎曲試驗 將骨折模型置于安裝好彎曲工裝的Z2005電子材料萬能試驗機(jī)上(圖5)，設(shè)定上方兩個負(fù)荷加載點(diǎn)間距為100mm，下方兩個負(fù)荷支撐點(diǎn)間距為200mm，采用位移控制的方式加載負(fù)荷，負(fù)荷以1mm/min的速度從0N加載到400N,對應(yīng)扭矩為0Nm到20Nm，循環(huán)加載6次，同時以100Hz的頻率采集載荷及相應(yīng)的位移數(shù)值，將每次循環(huán)前三次的數(shù)據(jù)丟棄用以排除系統(tǒng)誤差，后3次的數(shù)據(jù)保留計算四點(diǎn)彎曲剛度，彎曲剛度定義為單位角位移下所施加的扭矩(Nm/deg)[9]。

3.3 扭轉(zhuǎn)試驗 將骨折模型置于安裝好扭轉(zhuǎn)工裝的Z2005電子材料萬能試驗機(jī)上，采用位移控制的方式以0.5°/s的速率加載負(fù)荷，最大扭矩設(shè)定為10Nm，循環(huán)加載6次，同時以100Hz的頻率采集載荷及相應(yīng)的角位移數(shù)值，每次循環(huán)前3次的數(shù)據(jù)丟棄以排除誤差，后3次的數(shù)據(jù)保留計算扭轉(zhuǎn)剛度，扭轉(zhuǎn)剛度定義為單位角位移下所施加的扭矩(Nm/deg)[4]。

圖4 骨折模型用于軸向壓縮測試 圖5 骨折模型用于四點(diǎn)彎曲測試

4 統(tǒng)計學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 23.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析。組間比較采用單因素方差分析，若組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義則再用LSD-t檢驗進(jìn)行兩兩比較。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

軸向壓縮實驗表明，經(jīng)典型板式外固定架平均剛度為244.82N/mm，單邊式外固定架平均剛度為133.63N/mm，延長型板式外固定架平均剛度為166.69N/mm，單因素方差分析表明F(2，12)= 90.099,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.0001)，見表1、圖6。用LSD-t檢驗表明，經(jīng)典型板式較單邊式高83.21%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.0001)，延長型板式較單邊式高24.74%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.002)。四點(diǎn)彎曲實驗表明，經(jīng)典型板式外固定架平均剛度為9.74Nm/deg，延長型板式外固定架平均剛度為8.53 Nm/deg，單邊式外固定架平均剛度為7.55 Nm/deg，單因素方差分析表明F(2，12)= 17.873,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.0001)，見表2、圖7。用LSD-t檢驗表明，經(jīng)典型板式較單邊式高29.01%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.0001)，延長型板式較單邊式高12.98%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.021)。在扭轉(zhuǎn)實驗中，經(jīng)典型板式外固定架平均剛度為1.65Nm/deg，延長型板式外固定架平均剛度為1.08Nm/deg，單邊式外固定架平均剛度為0.76 Nm/deg，單因素方差分析表明F(2，12)= 50.397,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.0001)，見表3、圖8。用LSD-t檢驗表明，經(jīng)典型板式較單邊式高117.11%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.0001)；延長型板式較單邊式高42.11%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.004)。本次實驗中，每個實驗組均未出現(xiàn)骨折間隙關(guān)閉或者外固定架出現(xiàn)難以恢復(fù)的彎曲或斷裂以及出現(xiàn)新發(fā)骨折等現(xiàn)象[8,10-11]。

表1 三組骨折模型軸向壓縮剛度比較(N/mm)

表2 三組骨折模型四點(diǎn)彎曲剛度比較(Nm/deg)

表3 三組骨折模型扭轉(zhuǎn)剛度比較(Nm/deg)

討 論

近年來，對于伴有嚴(yán)重污染及軟組織損傷的開放性脛骨骨折，外固定架因為對軟組織損傷小，對骨膜血供的破壞較小而越來越受骨科醫(yī)生的重視[12-15]?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭所造成的戰(zhàn)創(chuàng)傷以開放性損傷及復(fù)合傷多見，常伴有四肢開放性骨折，伴有嚴(yán)重污染和軟組織損傷，外固定因其固定迅速且對軟組織損傷小，大大降低了鄰近血管及神經(jīng)損傷的風(fēng)險，體現(xiàn)了巨大的應(yīng)用價值。與常用的外固定架相比，脛骨板式外固定架設(shè)計巧妙，攜帶方便，適合于不同身高的人群，對操作環(huán)境的要求相對較低，操作方便，能夠?qū)钦圻M(jìn)行快速有效的固定，符合野戰(zhàn)條件下一線救治的需要，對多發(fā)傷、群體傷的早期救治有重要的意義。

在本次實驗中，板式外固定的兩種構(gòu)型在軸向壓縮、四點(diǎn)彎曲及扭轉(zhuǎn)剛度上均優(yōu)于臨床上常見的單邊式外固定架。在軸向壓縮實驗中，當(dāng)負(fù)荷為200N時，經(jīng)典型板式組、延長型板式組、單邊式外固定架組三組的位移分別為0.89、1.20、1.21mm；當(dāng)負(fù)荷為400N時，經(jīng)典型板式組、延長型板式組、單邊式外固定架組三組的位移分別為1.71、2.23、2.51mm，可見在相同載荷時，板式外固定架組的位移均小于單邊式外固定架組，且隨著載荷的增加差距也隨之增大。國內(nèi)外關(guān)于外固定架剛度的文獻(xiàn)報道稱外固定架的軸向剛度最小為50N/mm，最大為400N/mm[4,16]，此范圍的剛度可刺激骨痂生長，促進(jìn)骨折愈合，本實驗所測的三種外固定架的剛度均在其范圍內(nèi)。板式外固定架的兩種構(gòu)型在四點(diǎn)彎曲剛度方面均優(yōu)于單邊式外固定架，有利于骨痂生長并增加骨痂強(qiáng)度[17]。國內(nèi)外文獻(xiàn)報道外固定架的扭轉(zhuǎn)剛度范圍為0.1～6Nm/deg[18-19]，筆者所測的結(jié)果在其范圍內(nèi)，但是均偏小，這可能與選擇的骨標(biāo)本、設(shè)定的骨折間隙大小及外固定架與骨表面距離等有關(guān)。影響外固定剛度的主要因素有骨折間隙大小、螺釘?shù)臄?shù)量及直徑，外固定鋼板的長度以及外固定鋼板與骨表面的距離[20]。鎖定鋼板外置是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，但是鎖定鋼板由于鎖定螺釘孔數(shù)量有限導(dǎo)致螺釘數(shù)量的調(diào)節(jié)受到限制，而本課題組所設(shè)計的板式外固定架有橫貼板，而且遠(yuǎn)近端脛骨固定板條之間可以滑動來調(diào)節(jié)脛骨固定板條的長度，使得螺釘孔數(shù)量足夠，可以通過調(diào)節(jié)螺釘?shù)臄?shù)量來調(diào)節(jié)外固定的剛度。而且本實驗證明了即使調(diào)節(jié)了外固定鋼板的長度，板式外固定的剛度仍然優(yōu)于單邊式外固定架。

圖6 三組骨折模型軸向壓縮剛度比較 圖7 三組骨折模型四點(diǎn)彎曲剛度比較 圖8 三組骨折模型扭轉(zhuǎn)剛度比較

注：*表示離群值 注：°表示離群值 注：°表示離群值

綜上所述，脛骨板式外固定架剛度高于臨床常用的單邊式外固定架，對于脛骨嚴(yán)重粉碎性骨折及開放性骨折，用板式外固定架早期固定，有助于維持下肢力線及骨折斷端穩(wěn)定，而且板式外固定架體積小，對患者日常生活的影響較小，還能通過調(diào)節(jié)自身長度對不同身高的人群進(jìn)行脛骨骨折外固定治療。本研究也存在如下不足：(1)由于條件所限，僅僅測量了軸向壓縮剛度、四點(diǎn)彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度。(2)與所有生物力學(xué)研究一樣，實驗用骨剔除了肌肉以及其他軟組織，骨所受載荷的傳遞不能完全模擬機(jī)體的負(fù)荷力線傳導(dǎo)。在下一步的研究中，本課題組需進(jìn)一步對板式外固定架的剛度做進(jìn)一步的研究，并將板式外固定架用于活體動物骨折治療，觀察固定效果，進(jìn)一步為板式外固定架用于戰(zhàn)創(chuàng)傷急救及臨床治療奠定理論基礎(chǔ)。