影響MIPO技術治療骨干骨折生物力學因素的研究進展

丁 寧 王涓涓 劉加寶 張 起 張 超 李 喆 古恩鵬

天津市濱海新區(qū)中醫(yī)醫(yī)院 300451

近年來骨折微創(chuàng)手術技術越來越廣泛應用于臨床，其中微創(chuàng)經皮鋼板內固定技術(Minimally invasive percutaneous plate internal fixation operation，MIPO)治療骨干骨折深受骨折患者和醫(yī)生歡迎，由于對患者損傷小、恢復快，應用Liss鋼板微創(chuàng)手術治療股骨干、脛骨干等長骨干骨折已經成為大多數創(chuàng)傷骨科醫(yī)生的首選，此技術符合BO生物力學理念，更好地保護了骨折斷端血運，減少了骨折延遲愈合和不愈合的發(fā)生率。雖然MIPO技術有諸多優(yōu)點，但仍有很多失敗的教訓，MIPO技術較常規(guī)鋼板固定技術治療骨干骨折的生物力學特點也不盡相同，并且直接影響手術療效，下面筆者就對影響MIPO技術治療骨干骨折的生物力學因素的研究進行綜述。

1 骨折愈合的生物力學理論

1.1 從AO到BO AO理論的基礎是直接骨愈合方式即哈佛斯管的重建，它要求骨折解剖復位，堅強固定，以達到早期功能鍛煉的目的。但是隨著理論和實踐的不斷發(fā)展，骨科醫(yī)生的理念發(fā)生了很大變化，逐漸由堅強力學固定向生物力學固定轉變，強調骨折周圍軟組織保護，減少骨折周圍血運的破壞，對解剖對位和堅強固定的要求減弱，其理論基礎為間接骨折愈合理論即骨痂愈合理論。此理論認為即使骨折未達到百分百解剖對位，只要骨折周圍血液循環(huán)良好，就會在骨折周圍形成骨痂，骨痂逐步改造形成骨連接最終達到骨折愈合，這是BO核心理論。

1.2 應變理論 早期的研究發(fā)現(xiàn)骨折區(qū)域的應變對骨折愈合產生重要影響，骨折應變是指骨折在愈合過程中受到外力發(fā)生變形的程度。Perren[1]通過生物力學試驗發(fā)現(xiàn)，當骨折應變<2%時骨折通過直接方式愈合，當骨折區(qū)應變在2%～10%之間時，可以促進間接骨折愈合，而當應變>10%時，則骨折部位發(fā)生不愈合，而對于粉碎骨折，愈合過程中發(fā)生的應變被多個骨折區(qū)分擔，其骨折愈合所能夠承擔的最大應變值也較簡單骨折有所提高。

1.3 彈性模量與應力遮擋 彈性模量是指材料所受應力與產生應變的比值，它表示材料發(fā)生變形的難易程度，其值越大，材料的硬度越大；其值越小，材料的彈性越大。應力遮擋是指兩種材料結合在一起時，同時受到外力，彈性模量越大的材料分擔的應力也越大，當一種材料的彈性模量遠遠大于另一種材料時，另一種材料可以不分擔或者分擔很小應力，既應力被彈性模量大的材料遮擋，兩種材料彈性模量值越接近，它們分擔的應力就越平均。對于骨折愈合來說，鋼板材料的彈性模量過大，骨折端受到的應力就會被遮擋，而一定的應力在骨折愈合的中后期具有促進骨痂生長和骨重建塑形的作用，缺乏應力會導致骨質疏松，延緩骨折愈合，降低骨折愈合后的強度，不利于骨折的恢復。有的學者認為[2-3]，這種應力遮擋效應只有取出鋼板才能消失，如果不取出鋼板應力遮擋就會一直存在，不受應力的骨質必然疏松。因此人們希望研究出一種與骨彈性模量相當，并且具有足夠的固定強度和良好生物相容性的鋼板材料[4-5]。

1.4 鋼板固定對皮質骨血運的影響 鋼板對骨折血運影響的研究主要集中在鋼板與骨的接觸方式上，傳統(tǒng)鋼板與骨緊密接觸，并通過螺釘加壓固定，進一步壓縮鋼板與骨之間的距離，這種緊密接觸可以為固定系統(tǒng)提供可靠的穩(wěn)定性，但卻損害了骨皮質下的血運。Gunst等[6]在動物實驗中發(fā)現(xiàn)，鋼板固定家兔脛骨后10min就會出現(xiàn)鋼板下皮質骨缺血，隨著時間延長缺血范圍會不斷擴大，3～4周后缺血范圍逐漸縮小，8～12周血供恢復。Perren等[7]通過活體動物染色發(fā)現(xiàn)，鋼板應力遮擋下的皮質骨血供明顯減少，可導致骨萎縮和骨壞死。

隨著對骨折周圍血供重要性的認識不斷提高，鋼板與骨的接觸形式得到改進，改進后的鋼板可以實現(xiàn)與骨面不接觸固定，并與微創(chuàng)的手術技術結合就可以極大較少鋼板固定對皮質骨血運的影響。

2 傳統(tǒng)鋼板固定與MIPO技術的生物力學差異

傳統(tǒng)鋼板是依靠鋼板與骨之間的摩擦力起作用，骨塊之間通過加壓結合在一起，骨與鋼板的摩擦力等于每一個螺釘扭力的串聯(lián)，骨折斷端沒有間隙，鋼板位置適當，鋼板固定有效，但存在較高的風險，比如一個螺釘失效會影響整個內固定的穩(wěn)定性，尤其在粉碎骨折中，不能達到解剖復位，骨折塊無法相互加壓達到穩(wěn)定，從而使螺釘易于松動或斷裂，導致固定失效。在嚴重骨折中，為實現(xiàn)解剖復位往往需要廣泛剝離軟組織，從而加重骨折周圍的血運破壞，影響骨折愈合。

MIPO技術在生物力學方面有明顯優(yōu)勢，其應用Liss鋼板不依賴摩擦力，而是一種角穩(wěn)定裝置，是釘板與骨一體化，鋼板固定強度等于所有螺釘扭力的并聯(lián)，故單個螺釘松動或斷裂不影響整個固定系統(tǒng)，從而獲得更好的生物力學優(yōu)勢。應變理論證明:骨折達到完全愈合，非必須解剖復位，2%～10%的骨折應可以促進骨折愈合。Mckinbbin等[8]提出長骨骨折愈合的理想固定是非完全堅強固定。

應用精細的微創(chuàng)外科技術能夠減少血運破壞，促進骨痂形成，減少骨萎縮、骨質疏松的發(fā)生，最大限度地減少干擾因素對應力遮擋效應的影響。文獻證明運用MIPO技術處理骨干骨折，骨不連和其他嚴重并發(fā)癥的總體發(fā)生率較低。

3 影響鋼板固定骨干骨折的力學因素

3.1 鋼板的工作長度 鋼板的工作長度是指離骨折區(qū)最近兩個螺釘的距離。靜壓力試驗證實：增加鋼板的工作長度可以使骨折區(qū)應變增大。Stoffel等[9]通過有限元發(fā)現(xiàn)，鋼板的工作長度越短，內固定系統(tǒng)的強度越大，穩(wěn)定性越強；鋼板的工作長度越長，鋼板螺釘受到的應力越小，其抗疲勞性越大。

3.2 鋼板的長度 鋼板長度是指在手術中選擇鋼板的總長度。鋼板較短會導致固定強度下降；鋼板過長會增加手術切口范圍影響美觀。選擇合適長度的鋼板在手術中至關重要，術者要根據不同類型的骨折選擇不同長度的鋼板。對于簡單骨折來說，鋼板長度應比骨折區(qū)長度長8～10倍，而對于粉碎骨折，2～3倍即可。足夠長度的鋼板會減少鋼板和螺釘所受的應力，防止它們發(fā)生較大的應變，從而避免鋼板、螺釘發(fā)生斷裂的可能性。骨折粉碎程度也影響著鋼板長度的選擇，對于嚴重粉碎骨折來說，無論骨折區(qū)長短，選擇長鋼板跨越式橋接固定能取得更好的力學效果。Johnston等[10]在實驗研究中證明長鋼板的生物力學性能優(yōu)于短鋼板。Dennis等[11]用尸體長骨做實驗發(fā)現(xiàn)，用長鋼板固定的長骨比短鋼板固定的長骨能夠承受更大的變形應力。Sanders等[12]在比較長鋼板和短鋼板的生物力學性能實驗中發(fā)現(xiàn)。長鋼板在四點彎折實驗和軸向扭轉實驗的生物力學性能均優(yōu)于短鋼板。

對于嚴重粉碎骨折來說，無論骨折區(qū)域范圍大小，應用長鋼板都具有更好的生物力學性能，雖然軟組織剝離增多，但是距離骨折較遠的區(qū)域剝離軟組織并不會加重骨折區(qū)的缺血，如果應用MIPO技術這些影響可以忽略[13]。

3.3 螺釘的數量 螺釘數量是內固定系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個重要因素。螺釘數量過多會導致骨折區(qū)應力集中，當受到疲勞應力時，可發(fā)生鋼板斷裂；螺釘密度太小，會降低固定系統(tǒng)強度，引起固定失效。在使用MIPO技術固定骨折時，推薦的螺釘系數為釘孔的40%～50%，這就要求鋼板稍長一些，以達到力學平衡；骨折處要空出2～3孔，這樣可以減少骨折處的應力集中，避免骨折處變形或者鋼板斷裂。Laurence等[14]認為每塊鋼板上四枚螺釘就已經足夠完成固定強度需要，但是如果出現(xiàn)其中的一枚螺釘失效，那么提前增加固定螺釘是必要的。Field等[15]在長骨鋼板固定結構的壓縮、扭轉和折彎試驗中發(fā)現(xiàn)：以12孔鋼板固定骨折為例，發(fā)生相同應變所需的應力，6枚螺釘固定結構與8枚螺釘固定結構無統(tǒng)計學差異。Stoffel等[9，16]研究發(fā)現(xiàn)在骨折兩端各用3枚螺釘固定不比用2螺釘固定能夠承受更多的軸向壓力，骨折兩端用4螺釘固定不比用3枚螺釘固定能承受更大扭轉應力。

3.4 螺釘的位置 AO組織提出長骨骨干骨折用長鋼板固定，除骨折粉碎無法打釘處的釘孔不上螺釘外，其他釘孔均需應用螺釘固定，但對于MIPO技術間接復位后使用的橋接鋼板，骨折兩端應用2～3枚釘就可以滿足力學固定[13]。Stoffel等[16]用14孔鋼板固定長骨，中間兩孔為骨折區(qū)，離骨折區(qū)最近的兩端為1號螺孔和螺釘，最遠的兩端為6號。在張力帶模式的垂直壓縮實驗中發(fā)現(xiàn)，結構(1+5+6)的屈服強度明顯強于結構(1+2+6)，結構(1+2+6)、(1+3+6)、(1+4+6)、(1+5+6)的軸向剛度依次遞減，但扭轉剛度無差別。說明螺釘位置分布可以影響內固定系統(tǒng)的強度。許多實驗[12,17-19]證明固定鋼板的螺釘數量、螺釘排列的位置均會對內固定系統(tǒng)的生物力學性能造成影響。Stoffel等[9]在扭轉實驗和四點折彎實驗均表明結構(1+3+5)的穩(wěn)定性高于結構(1+2+5)，結構(1+2+5)高于(1+4+5)。

3.5 鋼板放置的位置

3.5.1 鋼板與骨的距離：MIPO技術固定骨折時，鋼板與骨膜有一定距離，從而避免了骨折周圍血運破壞，良好的血運刺激骨痂生長，使骨折二期愈合。為了解決傳統(tǒng)鋼板技術對骨折區(qū)血運的影響，現(xiàn)代鋼板的設計凹凸不平或帶有一定弧度，與骨面不完全接觸[20]。從生物學角度出發(fā)，鋼板與骨膜接觸越少，骨折區(qū)血運破壞就越少[21]。Ahmad等[22]通過生物力學試驗發(fā)現(xiàn)，骨與鋼板的距離>5mm時，固定系統(tǒng)的扭轉強度和軸向壓縮強度均明顯降低，而距離<2mm時固定強度無明顯改變，由此在應用MIPO技術固定骨折時鋼板與骨的距離不應該>2mm。

3.5.2 鋼板與骨夾角：正常情況下，鋼板放置應與長骨力線或長骨縱軸一致，但是在使用MIPO技術操作時，由于軟組織剝離不充分或者骨折復位不徹底，會導致鋼板與長骨干縱軸存在一定角度，這也就是導致螺釘的偏心固定，降低鋼板螺釘裝置的固定強度。相關研究發(fā)現(xiàn)斜置鋼板角度>10°時，會增加骨折應變，影響骨折愈合。

4 小結與展望

在長骨骨干骨折中，代表BO的MIPO技術在生物力學方面的特點與代表AO的傳統(tǒng)鋼板固定技術有相同點也有不同點，傳統(tǒng)AO手術強調骨折局部骨塊解剖對位，堅強固定，而MIPO技術更注重對血運的保護，肢體整體力線的調整以及彈性固定從而更符合骨折愈合的生物力學特性。展望未來，中醫(yī)治療長骨干骨折有一套完整的復位固定方法，并且不斷發(fā)展，其特點是閉合復位、不切開，皮外功能固定，以非手術或閉合穿針固定為代表的CO在生物力學的優(yōu)越性將更顯突出。