鎖定鋼板工作長度與螺釘配置對骨折愈合影響的研究進展

王楊 陸驊

鎖定鋼板目前被廣泛采用，其臨床應(yīng)用已擴展到傳統(tǒng)手術(shù)中可使用非鎖定鋼板處理的骨折類型中。鎖定鋼板與傳統(tǒng)鋼板相比具有明顯的優(yōu)勢，包括改善骨質(zhì)疏松骨的固定、提高固定強度和提供生物相容性更好的固定結(jié)構(gòu)。鎖定鋼板能夠提供可靠的骨折穩(wěn)定性和愈合，尤其是在復(fù)雜的骨干/鄰近干骺端伴廣泛粉碎的骨折中。在臨床應(yīng)用中，由于不同部位的解剖特點不同，同時骨折形態(tài)多樣，鎖定鋼板相關(guān)并發(fā)癥并不少見，包括骨不連、延遲愈合、畸形愈合、感染等。在其機制研究中，對于影響骨折愈合的因素存在一定的爭議，特別是病人自身的健康狀況及術(shù)后早期的活動情況。生物力學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)相關(guān)并發(fā)癥的出現(xiàn)可能與鎖定鋼板的較高剛度有關(guān)，影響因素包括鋼板工作長度、螺釘配置以及骨折間隙的大小等，這些因素會導(dǎo)致植入物的應(yīng)力變化、骨折愈合部位的穩(wěn)定性以及愈合組織中應(yīng)變大小。因此，本文擬通過文獻綜述，探索鎖定鋼板的工作長度和螺釘配置對骨折愈合的影響。

一、文獻檢索策略

本文通過中文檢索詞“鎖定鋼板”、“并發(fā)癥”、“工作長度”、“螺釘配置”、“骨折愈合”以及英文檢索詞“l(fā)ocking plate”、“complication”、“working length”、“screw configura?tion”、“fracture healing”在中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)庫、維普數(shù)據(jù)庫、PubMed、Web of Science 等平臺進行檢索，共檢索到文獻3 091 篇。應(yīng)用EndNote 刪除重復(fù)及無法獲得全文文獻2 167 篇，根據(jù)文獻納入與排除標準最終納入文獻41篇，均為英文文獻（圖1）。文獻納入標準為：①已正式發(fā)表的期刊文獻；②文獻內(nèi)容與鎖定鋼板并發(fā)癥、鋼板工作長度、螺釘排布及骨折愈合密切相關(guān)；③同類研究中質(zhì)量、證據(jù)等級較高的文獻；④語言為英文的文獻。文獻排除標準為：①文獻質(zhì)量、證據(jù)等級較低的文獻；②學(xué)位論文、會議類文獻；③非英文的文獻；④無法獲得全文的文獻。

二、鎖定鋼板并發(fā)癥及機制概述

盡管鎖定鋼板優(yōu)點明顯，但在實際使用中并發(fā)癥并不少見，數(shù)據(jù)顯示不愈合率可達19%［1］。在最近的研究中，Koso等［2］系統(tǒng)分析了38項研究中通過內(nèi)固定治療的2 829例股骨骨折，骨不連是最常見的并發(fā)癥，4.7%發(fā)生在遠端骨折，2.8%發(fā)生在骨干骨折中。在鎖定鋼板固定的376 例股骨遠端骨折中51例（13.6%）需要再次手術(shù)治療：骨不連17例（4.5%）、機械失敗13例（3.5%）、深部感染12例（3.2%）、延遲愈合6例（1.6%）、畸形愈合3例（0.8%）。Kandemir 等［3］也發(fā)現(xiàn)了使用鎖定鋼板后出現(xiàn)延遲愈合、固定失敗、骨不連的比例高達23%。Harvin等［4］報道了最高的骨折不愈合發(fā)生率（35.4%），其中22例（22.9%）為頑固性骨不連。

圖1 文獻篩選流程圖

在并發(fā)癥機制的研究中，Henderson等［5］認為在骨折愈合過程中，主要是缺乏骨痂形成，而不是植入物失敗。在其早先的病例報告中，就發(fā)現(xiàn)了鎖定鋼板結(jié)構(gòu)可抑制骨折塊間的運動，從而不利于通過形成骨痂來促進骨折愈合［6］，這可能與鎖定鋼板較高的剛度有關(guān)［5，7］。在之后的研究中，Pi?tkowski 等［8］在脛骨遠端骨折的治療中，發(fā)現(xiàn)彈性固定與堅強固定盡管在并發(fā)癥方面的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但在彈性固定組中有更多的成角畸形（21.4%vs.11.1%）。

三、鎖定鋼板工作長度對骨折愈合的影響

內(nèi)植物的剛度是指其對抗形變的能力，而調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)剛度的最重要參數(shù)之一是工作長度（也稱為橋接跨度），其定義為骨折端兩側(cè)最鄰近骨折端的兩枚螺釘之間的距離［9］，被認為是預(yù)測整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能最重要的因素之一［10?11］。將螺釘放置在靠近骨折部位的缺點是使得應(yīng)力集中在離骨折端最近的兩枚螺釘上，有鋼板斷裂的風(fēng)險，出現(xiàn)內(nèi)固定失敗，而將螺釘放置在離骨折部位較遠的地方可以更好地分配鋼板的應(yīng)力，降低鋼板疲勞失效的風(fēng)險［12］。

（一）不同類型外力作用下鋼板工作長度對骨折愈合的影響

1.軸向力和扭轉(zhuǎn)力

鋼板工作長度早先被報道為影響軸向和扭轉(zhuǎn)剛度以及骨折間隙處骨折塊間運動的重要參數(shù)［13］。Stoffel等［13］模擬一定骨折間隙大?。? mm/6 mm）的骨折發(fā)現(xiàn)在骨折端附近延長一個螺絲孔時，軸向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分別顯著降低64%和36%，而之后每多出一個螺絲孔的間隙，穩(wěn)定性就會降低約10%。Chen等［14］通過有限元分析發(fā)現(xiàn)工作長度增大，鋼板發(fā)生一定彈性形變使得鋼板上的應(yīng)力降低，但過大的工作長度導(dǎo)致穩(wěn)定性的下降。M?rdian等［15］也通過有限元分析發(fā)現(xiàn)所有測試節(jié)點的軸向運動隨著鋼板工作長度的增加而顯著增加。Heyland 等［16］通過有限元分析發(fā)現(xiàn)骨折近端第一枚螺釘離骨折端越近，即工作長度越小，軸向剛度越大。Macleod等［10］模擬10 mm 間隙的42C1?3 型（AO/OTA 分型）骨折進行測試發(fā)現(xiàn)工作長度越大，軸向壓力下骨折塊間微動越大，并且不受第二及第三枚螺釘位置的影響。Todorov等［17］模擬股骨遠端AO 分型為33?A3 型骨折，發(fā)現(xiàn)長工作長度的鋼板導(dǎo)致軸向位移顯著高于短工作長度的鋼板。

2.剪切力

M?rdian等［15］通過有限元分析發(fā)現(xiàn)骨折塊間運動隨著鋼板工作長度的增加而顯著增加，導(dǎo)致剪切力方向上的骨折塊間微動（IFM）出現(xiàn)不成比例地增加，內(nèi)側(cè)和外側(cè)IFM 差值隨著工作長度的增加而顯著增加。Elkins 等［18］通過回顧鎖定鋼板固定的66例股骨遠端骨折病例，發(fā)現(xiàn)增加工作長度（＞80 mm）會削弱結(jié)構(gòu)強度，并可能導(dǎo)致不對稱的軸向運動和過度的剪切運動，從而抑制骨折愈合。Henschel 等［19］在股骨遠端骨折的替代模型（AO 分型為33?A3，骨折端間隙為10 mm）中對比不同橋接長度（25 mm/87 mm），發(fā)現(xiàn)較長的橋接跨度主要增加的是剪切運動，而非軸向運動。Todorov等［17］也驗證了骨折端間隙為20 mm時，長工作長度導(dǎo)致剪切位移顯著高于短工作長度的鋼板。

3.彎曲力

Smith 等［20］發(fā)現(xiàn)在粉碎性骨折中，較小工作長度的鋼板上更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼板斷裂。在近期研究中，Wee 等［21］通過有限元分析驗證了彎曲載荷下較小的工作長度導(dǎo)致較高的鋼板應(yīng)力。

（二）鋼板孔數(shù)對骨折愈合的影響

迄今為止，在鋼板長度的選擇上更多依賴于術(shù)者的經(jīng)驗［15］。Sommer 等［22］報道了144 例鎖定鋼板治療病例中出現(xiàn)了27例并發(fā)癥，包括5例植入物松動和4例植入物斷裂。他們將這些植入物失敗歸因于使用過短的鋼板，沒有保留足夠的橋接跨度。Smith 等［20］就此提出了“動態(tài)加壓”概念，認為應(yīng)用鎖定鋼板治療粉碎性骨折時在骨折端附近預(yù)留3～4 孔來作充分橋接固定，使得應(yīng)力分布在鋼板的更大區(qū)域上。而Strauss 等［23］認為在粉碎性骨折中應(yīng)當留出2 至3 個開放的螺釘孔的跨度，以限制相鄰螺釘-骨界面處的應(yīng)力集中。Ehlinger 等［24］推薦鋼板的長度是鋼板整體預(yù)留出至少五個孔，目標是獲得盡可能長的覆蓋范圍，使得應(yīng)力相對分散，有報道在此基礎(chǔ)上，軸向加壓下固定失敗概率僅有6.25%（1/16）［25］。

（三）骨折間隙大小對骨折愈合的影響

部分研究認為工作長度、剛度及骨折愈合之間沒有很大的相關(guān)性。Parks 等［26］分析了14 例股骨遠端骨折病例（AO/OTA 33A和33C），發(fā)現(xiàn)剛度與工作長度無關(guān)，其中延遲愈合和骨不連發(fā)生率為14%。這其中最大的影響在于骨折間隙和鋼板-骨應(yīng)力負載分擔情況的變化［9，13，27?28］。當存在1 mm的骨折間隙時，增加的工作長度實際上降低了螺釘中的應(yīng)力；而當骨折間隙大于1 mm時，工作長度對螺釘應(yīng)力或鋼板應(yīng)力沒有影響，原因在于骨不能分擔載荷［13］。Kanchanomai等［27］利用5個股骨干骨折模型進行力學(xué)測試時，發(fā)現(xiàn)工作長度相同下鎖定鋼板在骨折間隙為1 mm時的剛度遠大于骨折間隙為8 mm時的剛度。Bogataj等［28］對肱骨遠端骨折不同固定方法進行有限元分析，發(fā)現(xiàn)在沒有骨折間隙的情況下，骨折遠近端在加載過程中是接觸的，兩端位移均減小，同時骨-骨折塊復(fù)合體可以承載更大部分的力，顯著降低了鋼板中的應(yīng)力，此時不同固定結(jié)構(gòu)之間的剛度沒有顯著差異。這種骨折端之間的接觸在一定條件下可以補償植入物承載能力的不足，也會顯著降低固定部位的應(yīng)力。Macleod 等［9］則認為當存在骨折間隙時，整個載荷通過鋼板從一個骨片傳遞到另一個骨片。在這種情況下，較大的工作長度導(dǎo)致彈性增大和鋼板彎曲增加，鋼板應(yīng)力更高，骨應(yīng)變更大，骨折塊間微動也更大。然而，當沒有骨折間隙時，載荷在骨和鋼板之間分擔，此時更靈活的鋼板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致較低的板應(yīng)力和較低的界面應(yīng)變。因此，在對骨折部位進行固定時，除了考慮整體受力情況外，還要根據(jù)骨折間隙大小決定鋼板長度以達到最佳固定效果。

四、螺釘配置對骨折愈合的影響

（一）螺釘數(shù)量

在鎖定鋼板固定骨折的近端和遠端需要多少螺釘仍存在爭論［29］。早先Stoffel 等［13］在基于常規(guī)鋼板的經(jīng)驗上利用56根復(fù)合材料制成的人工骨，模擬間隙大小為1 mm和6 mm的骨干部骨折模型，發(fā)現(xiàn)了影響鎖定鋼板壓縮和扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性的多個因素，其中螺釘數(shù)量對穩(wěn)定性有顯著影響，對于簡單骨折每個部分超過3枚螺釘對增加軸向剛度幾乎沒有作用；而4 枚螺釘也沒有增加整體扭轉(zhuǎn)剛度。Todorov 等［17］通過模擬股骨遠端（AO分型為33?A3型骨折）模型驗證了軸向和扭轉(zhuǎn)載荷下的剛度主要隨放置螺釘數(shù)量的增加而增加。Hey?land 等［16］通過有限元分析驗證了鎖定鋼板整體剛度隨螺釘數(shù)量的增加而增加，但在結(jié)構(gòu)中使用的螺釘越多，剛度的增加就越少，使用4枚以上的螺釘不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的總剛度顯著增加。Macleod 等［10］也通過有限元分析對螺釘配置、螺釘松動和骨折塊間運動相關(guān)變量進行研究，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)載荷下使用的螺釘總數(shù)是最重要的變量，在骨質(zhì)疏松骨中使用六枚螺釘替代四枚螺釘時，最接近骨折端螺釘周圍的骨折塊間微動明顯減小。與使用2 枚螺釘?shù)那闆r相比，使用3 枚螺釘時骨折塊間微動在軸向載荷和扭轉(zhuǎn)下明顯降低，而應(yīng)用超過3枚螺釘對骨折塊間微動的影響最小。

在相關(guān)臨床應(yīng)用中，Hoffmann等［30］回顧了采用鎖定鋼板內(nèi)固定的111處骨折，在20例（18%）骨不連及延遲愈合的病人中有11 例（9.9%）出現(xiàn)內(nèi)固定失敗，建議在骨折的兩側(cè)至少使用3 枚雙皮質(zhì)螺釘。Jang 等［31］通過分析28 例股骨轉(zhuǎn)子下骨折后，提出固定骨干處至少4枚鎖定螺釘，其中僅1例出現(xiàn)植入物斷裂導(dǎo)致骨折不愈合（3.6%）。Bhardwaj 等［32］推薦骨折端兩側(cè)用螺釘最少固定6個骨皮質(zhì)，36例中僅1例病人（2.8%）于術(shù)后3 個月出現(xiàn)鋼板斷裂。有研究發(fā)現(xiàn)螺釘密度與骨折愈合情況無關(guān)［4，33］。Rodriguez等［33］在對271例股骨遠端骨折的病人隨訪過程中，僅36 例出現(xiàn)了骨不連（13.3%），相關(guān)因素如近端螺釘數(shù)量、鋼板長度、總螺釘密度和近端螺釘密度等對骨折愈合情況沒有明顯影響。Harvin等［4］通過對96 例股骨遠端骨折病人的治療結(jié)果分析，34 例不愈合的病例（35.4%）中骨折近端螺釘數(shù)量和近端螺釘密度等因素對骨折愈合沒有明顯的相關(guān)性，但在骨干處全部應(yīng)用鎖定螺釘（21例不愈合）導(dǎo)致骨不連的可能性為其它類型螺釘固定下的2.9倍。

在對于螺釘密度進一步研究中，Kim等［34］對73例股骨遠端骨折（AO/OTA 33 型）的治療中，21 例（28.8%）出現(xiàn)延遲愈合或需要二次手術(shù)，他們發(fā)現(xiàn)僅有螺釘密度是與骨折不愈合相關(guān)的獨立可預(yù)測因素，通過比較骨折愈合組和骨折不愈合組后，發(fā)現(xiàn)不愈合組的總螺釘數(shù)量較多（11.0±1.4 vs. 10.3±1.3，P=0.037），骨折部位螺釘密度也較大（0.33±0.37 vs.0.09±0.24，P=0.007）。Gautier 等［35］認為應(yīng)當使用較少的螺釘來固定，推薦簡單骨折中螺釘密度在0.3～0.4之間，粉碎性骨折中螺釘置入率在0.4～0.5之間。Kubiak等［36］及Hoffmann等［30］也建議粉碎性骨折中最佳螺釘密度為0.4～0.5，在骨折間隙兩側(cè)用3枚或4枚螺釘進行橋接固定。Strauss等［23］則認為小于0.5的螺釘-孔比限制了在最近端和遠端螺釘?shù)膹澢ぞ?，對于粉碎性骨折至少使? 枚螺釘固定4 個點的骨皮質(zhì)，而對于簡單骨折應(yīng)當具有3個皮質(zhì)支撐。Hak等［12］認為減少螺釘?shù)臄?shù)量可能會降低鎖定鋼板的剛度并增加骨折塊間的運動，但僅限于遠皮質(zhì)，建議螺釘密度為0.5。因此，在鎖定鋼板治療中將螺釘密度控制在0.3～0.5之間能夠有效控制鋼板及螺釘活動范圍及骨折塊間活動，增加骨折愈合概率。

（二）螺釘類型

在鎖定鋼板結(jié)構(gòu)中使用的螺釘類型會影響整體結(jié)構(gòu)剛度，目前仍依賴于術(shù)者結(jié)合骨折固定要求及經(jīng)驗綜合判斷［3，16］。早先Egol等［29］分析了以往的實驗?zāi)Ｐ?，發(fā)現(xiàn)單皮質(zhì)螺釘較傳統(tǒng)鋼板螺釘結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢，并總結(jié)了單皮質(zhì)螺釘?shù)囊韵聝?yōu)點：易于經(jīng)皮測量螺釘長度，易于插入并降低機械復(fù)雜性，螺釘?shù)妮S向控制由鋼板-螺釘界面提供，減少對骨內(nèi)血液供應(yīng)的損害，也不需要產(chǎn)生高的軸向力來將鋼板壓縮到骨骼。但從力學(xué)角度分析，Kubiak等［36］認為單皮質(zhì)螺釘?shù)挚古まD(zhuǎn)載荷的能力受到嚴重限制，雙皮質(zhì)固定在螺釘工作長度方面的優(yōu)勢遠遠超過健康皮質(zhì)骨所賦予的優(yōu)勢。在預(yù)期高扭轉(zhuǎn)載荷的情況下，建議使用雙皮質(zhì)螺釘。而Fitzpatrick 等［37］通過不同組合螺釘模擬骨干部骨折橋接鋼板力學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)在軸向載荷下，全雙皮質(zhì)螺釘固定和單雙皮質(zhì)螺釘混合固定可以顯著提高軸向載荷下的固定強度，同時提供相當?shù)慕Y(jié)構(gòu)剛度。在扭轉(zhuǎn)載荷下，單皮質(zhì)結(jié)構(gòu)相對于非鎖定和雙皮質(zhì)鎖定結(jié)構(gòu)表現(xiàn)較差。當預(yù)期扭轉(zhuǎn)載荷較大時，他們建議在任何用于骨質(zhì)疏松性骨骨折固定的全單皮質(zhì)鎖定螺釘構(gòu)造中添加1枚雙皮質(zhì)鎖定螺釘。而Dougherty等［38］通過比較16個尸體脛骨骨折模型（AO 分型為41?C2）采用4 個骨折近端處部分雙皮質(zhì)或單皮質(zhì)鎖定及3 個骨折遠端螺釘?shù)牟煌訅悍绞胶蟮谋憩F(xiàn)，建議粉碎性骨折中使用雙皮質(zhì)螺釘提供3個固定點（固定2 個點的骨皮質(zhì)及鋼板與骨皮質(zhì)連接處）防止鋼板斷裂。Beltran 等［39］也推薦骨干部骨折兩端使用不超過4枚鎖定螺釘雙皮質(zhì)固定。Gwinner等［40］在鎖定鋼板中使用4 枚單皮質(zhì)螺釘或3 枚雙皮質(zhì)螺釘進行骨折近端的固定，發(fā)現(xiàn)雙皮質(zhì)螺釘錨著性具有顯著優(yōu)勢，單皮質(zhì)固定的穩(wěn)定性降低約36%。在單皮質(zhì)固定組中，最早出現(xiàn)問題的是最近端的兩枚螺釘。在高度穩(wěn)定性和負荷能力非常重要的情況下，均應(yīng)考慮放置雙皮質(zhì)螺釘。Vaughn等［41］對36具犬肱骨進行QCT分析，發(fā)現(xiàn)了雙皮質(zhì)螺釘比單皮質(zhì)螺釘更能抵抗螺釘軸向的拔出力，如果需要最大的穩(wěn)定性，應(yīng)該使用雙皮質(zhì)螺釘固定，尤其是干骺端盡量放置雙皮質(zhì)螺釘。綜合以上簡化模型分析及相關(guān)生物力學(xué)實驗，在骨折部位兩側(cè)應(yīng)用單雙皮質(zhì)螺釘混合固定的方法能夠保證骨折穩(wěn)定性及一定的彈性，提供一個較好的生物學(xué)環(huán)境，但仍需要一定規(guī)模臨床試驗的驗證。

五、展望

鎖定鋼板在目前臨床上的應(yīng)用越來越廣，但其相關(guān)并發(fā)癥在各類報道中仍時常出現(xiàn)?，F(xiàn)有的生物力學(xué)實驗中所給予的力學(xué)載荷條件仍較為單一，需要控制的變量也較多，并且與人體內(nèi)的復(fù)合載荷下的情況不完全相同。鎖定鋼板作為一種內(nèi)固定方式，提供了相對足夠的穩(wěn)定性，有利于骨折的愈合。目前的研究著重在于其穩(wěn)定性的保障，同時相關(guān)實驗中不斷提到了彈性固定，應(yīng)當注意到彈性固定結(jié)構(gòu)可為骨折愈合和避免固定失敗提供必要的刺激，但其彈性固定的邊界條件仍未闡述清楚，特別是在不同類型骨折中理想的愈合情況下整體結(jié)構(gòu)的剛度大小和應(yīng)變的精確控制。對于簡單骨折而言，工作長度可以非常小，但結(jié)構(gòu)剛度的增大使得骨折間隙應(yīng)變減小，有利于骨折的愈合。相反，如果工作長度較大，結(jié)構(gòu)剛度減小，骨折間隙應(yīng)變可能增大（這還與骨折端是否能夠接觸有關(guān)），骨折愈合可能發(fā)生問題。而對于粉碎性骨折，盡管螺釘可以靠近骨折線，但其應(yīng)變較大，骨折會以二期愈合的方式進行。而將螺釘放在遠離骨折線位置時，工作長度更大，應(yīng)變會非常大，骨折容易出現(xiàn)不愈合。目前所謂的通過增加鋼板工作長度以避免應(yīng)力集中從而避免鋼板斷裂是一種反向理論推導(dǎo)，需要進一步結(jié)合骨折的愈合情況。在簡單骨折中，當骨折在鋼板的疲勞壽命期內(nèi)無法愈合，鋼板必然斷裂。也就是說，盡管工作長度較小，但鋼板應(yīng)力很高，如果骨折能順利愈合的話，鋼板也不會斷裂。所以適合骨折類型所需的應(yīng)變環(huán)境是最重要的，但不能因為擔心鋼板斷裂，而隨意增加工作長度，這雖然能減少鋼板斷裂的概率，但增加了骨不連的風(fēng)險。

綜上所述，通過對于鎖定鋼板工作長度的分析，根據(jù)骨折部位愈合類型及骨折間隙大小可以選擇相對應(yīng)工作長度以促進骨折愈合情況。同時，保持螺釘密度在0.3～0.5 之間能夠最大限度促進骨折愈合。應(yīng)用雙皮質(zhì)螺釘能夠提升整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而單雙皮質(zhì)螺釘混合固定可以提高包含骨質(zhì)疏松在內(nèi)的骨折治療效果。