引用本文： 劉宗超, 田澤高, 蔣燕, 王振龍, 劉勇, 魯曉波. 三維外固定支架應用于骨質疏松骨折的生物力學研究. 中國修復重建外科雜志, 2015, 29(2): 145-148. doi: 10.7507/1002-1892.20150031 復制
目前，我國已快速進入老齡化社會，人口老齡化使骨質疏松癥（osteoporosis，OP）發病率越來越高，骨質疏松骨折發病率及費用也逐年升高[1]。骨質疏松骨折患者往往高齡并伴多種內科疾病，治療困難，所以亟需尋找一種快速、有效、創傷小的治療策略[2]。隨著三維外固定支架材質及構架的改良，其力學穩定性越來越好，加之微創特點，其有望成為骨質疏松骨折的固定方式。本實驗通過制備骨質疏松骨折模型，測試比較三維外固定支架、鋼板以及髓內釘固定的生物力學特點，為三維外固定支架治療骨質疏松骨折提供生物力學理論依據。報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗材料及主要儀器
45具新鮮成人冰凍脛骨標本，均經X線片排除病理性骨折，由瀘州醫學院解剖教研室提供。三維外固定支架（ORthofix公司，意大利）；鋼板螺釘（蘇州海歐斯醫療器械有限公司）。
WDW-100D 型微機控制電子萬能試驗機及其測控系統1.6軟件（實驗力準確度±0.5%，位移測量準確度0.001 mm；濟南試金集團有限公司）；NJ-50B型扭轉試驗機（精度0.1°，扭矩0.01 N·m；寧夏青山試驗機有限公司）；C臂X線機（通用公司，美國）；三點彎曲試驗機（瀘州醫學院中心實驗室提供）；定量 CT、QCT-3000 Bone Densitometry Report 軟件（GE 公司，美國）。
1.2 實驗方法
1.2.1 快速制備脛骨骨質疏松體外模型
按照文獻[3]方法快速制備脛骨骨質疏松體外模型。取45具新鮮成人冰凍脛骨標本，經18%EDTA脫鈣處理6～15 d，制備QCT試模[4]，設定QCT掃描參數，測定脛骨平臺 CT 值，將數據輸入QCT-3000 Bone Densitometry Report 軟件并計算骨礦物質密度，使其符合中國人群原發性 OP 診斷標準[5]，未達到標準者繼續脫鈣處理直至達到OP 診斷標準。
1.2.2 脛骨中段短斜形骨折模型制備
取脛骨中下1/3前側為起始點，用線鋸沿起始點向后上成30°角鋸斷，制作脛骨中段短斜形不穩定骨折模型[6]。將45具骨折模型隨機分為3組（n=15），分別采用三維外固定支架、髓內釘以及鋼板螺釘固定骨折。
1.2.3 生物力學測試
① 抗軸向壓縮力學測試：各組隨機取5具固定標本，根據壓縮機的壓縮面制備模具。將牙托粉放置于模型中，調制牙托粉，將脛骨兩端放置牙托粉中，澆鑄后檢查是否松動；若牢靠，依次固定于電子萬能試驗機上，軸向壓縮負荷從0 N逐漸增加至800 N，獲得負荷-位移數據，比較軸向壓縮負荷為250、500、750 N時各組位移大小。
② 抗彎曲力學測試：各組隨機取5具固定標本，根據三點彎曲試驗機底座制備模具。將牙托粉放置于模型中，調制牙托粉，將脛骨兩端放置牙托粉中，澆鑄后檢查是否松動；若牢靠，依次固定于電子萬能試驗機上，彎曲力從0 N·m 逐漸增加至8 N·m，獲得彎曲力-撓度數據，比較彎曲力為2、4、6 N·m時各組撓度大小。
③ 抗扭轉力學測試：各組隨機取5具固定標本，根據扭轉試驗機的咬口制備模具。將牙托粉放置于模型中，調制牙托粉，將脛骨兩端放置牙托粉中，澆鑄后檢查是否松動；若牢靠，依次固定于扭轉試驗機上，扭矩從0 N·m逐漸增加至6 N·m，獲得扭矩-扭角數據，比較扭矩為1、3、5 N·m時各組扭角大小。
1.3 統計學方法
采用SPSS13.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用方差分析，兩兩比較采用SNK檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 抗軸向壓縮力學測試
軸向壓縮負荷為250、500、750 N時，三維外固定支架組及髓內釘組位移顯著低于鋼板螺釘組，差異有統計學意義（P＜0.05）；三維外固定支架組及髓內釘組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。見表 1。
表1
各組抗軸向壓縮力學測試結果（n=5，mm，x±s）
Table1.
The axial compression test results of each group（n=5，mm，x±s）
2.2 抗彎曲力學測試
彎曲力為2、4、6 N·m時，三維外固定支架組及髓內釘組撓度顯著低于鋼板螺釘組，差異有統計學意義（P＜0.05）；三維外固定支架組及髓內釘組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。見表 2。
表2
各組抗彎曲力學測試結果（n=5，mm，x±s）
Table2.
The three-point bending test results of each group（n=5，mm，x±s）
2.3 抗扭轉力學測試
扭矩為1、3、5 N·m時，三維外固定支架組及髓內釘組扭角顯著低于鋼板螺釘組，差異有統計學意義（P＜0.05）；三維外固定支架組及髓內釘組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。見表 3。
表3
各組抗扭轉力學測試結果（n=5，°，x±s）
Table3.
The torsion test results of each group（n=5，°，x±s）
3 討論
3.1 骨質疏松骨折的治療特點
OP是指由于骨量減少和骨架微結構破壞，骨脆性增加，導致骨折風險增加[7]。骨質疏松骨折保守治療長期制動易導致繼發性骨質疏松，骨丟失愈發嚴重。采用鋼板、螺釘及髓內釘對骨折進行內固定，雖可獲堅強固定，但對固定段骨質造成應力遮擋，同時接骨板下皮質骨血供受損，局部骨密度下降，形成局限性骨質疏松。內固定越堅強，對骨折穩定性越好，但同時應力遮擋效應也越大，由此造成的局限性骨質疏松可能導致內固定物去除后再骨折[8]。趙曉剛等[9]認為骨質疏松骨皮質變薄，螺釘咬合力降低，骨質疏松骨干骨折應采取相對穩定的固定方式。
隨著AO、BO理論的探索與更新，中國接骨學（Chinese osteosynthesis，CO）即中西醫結合治療骨折，已形成獨立的理論體系，其指導思想是“動靜結合、筋骨并重、內外兼治、醫患合作”[10]。CO強調復位的最終目的不是功能代替，而是利用器械創造一種發揮人體內部一切積極因素，實現自我修復的最優條件，即強調彈性固定、有限與微創，骨折的Ⅱ期愈合，而三維外固定支架系統可滿足該條件。
3.2 三維外固定支架的特點
三維外固定支架治療骨折不僅可減少創傷、減少骨折端不必要血供破壞、節省手術時間，同時更為早期功能鍛煉、骨折愈合和康復提供了保證[11]。三維外固定支架對骨折實行三維固定，每個與骨干平行的面均為三角形，是典型力學穩定結構，支架無需與骨面接觸，安置時無需剝離骨膜，安置到位后又不會對骨膜施壓，避免了對骨膜血供的破壞，達到保護骨骼血供的目的。
骨端區域的自攻半針位置與角度可根據骨折和肢體的神經血管進行調整，可對骨折實行加壓和延長，半針旋緊后與支架融為一體，組成一個三維固定支架，增加了外固定結構的穩定性。
該支架每組的2枚半針實行交叉進針，2枚針在兩個不同平面，在骨內交叉固定，增強了針的把持力，使骨折處有足夠固定強度，能夠滿足老年患者早期功能鍛煉，減少因長期臥床引起的各種并發癥，打破了“骨質疏松-骨折-固定-更加疏松-再骨折”的惡性循環模式。
3.3 三維外固定支架生物力學分析
在軸向壓縮方面，從生物力學觀點來看，固定物與骨組成整體結構共同負重，彈性模量大的部分將承受大部分載荷，導致另一部分產生應力遮擋效應。理想固定材料應是彈性模量接近于骨的彈性模量，同時具有一定剛度。本試驗結果顯示，三維外固定支架軸向壓縮剛度和髓內釘相近，應變分布均勻，既具有堅強的固定功能，又符合彈性固定原理，保證了患者術后可早期下床活動。而抗彎曲力學測試和抗扭轉力學測試顯示，三維外固定支架在抗彎曲、抗扭轉性能方面與髓內釘相似，并優于鋼板螺釘（P＜0.05）。
3.4 本實驗不足之處
① 骨質疏松骨折好發于四肢長骨骨端，如橈骨、股骨頸、股骨轉子間等，而本試驗選擇脛骨干制備骨質疏松骨折模型，臨床類似患者相對較少。但本試驗目的基于比較3種固定物的力學性能，即滿足在相同條件下進行比較，故如此設計。② 對于骨質疏松模型是否復制成功，需要客觀指標來判斷[12-13]。本實驗采用快速制備骨質疏松體外模型符合其評價結果，但與傳統去勢法建立的骨質疏松體外模型的脫鈣機制不同[14]，哪種方法更適合并更接近人體骨質疏松，尚有待進一步實驗證實。③ 試驗標本均為浸泡脫鈣的脛骨，其骨質抗彎曲、扭轉強度可能降低或增高，與人體脛骨實體生物力學性能有一定差距。④ 本試驗僅研究了三維外固定支架自身的各種力學數據以及局部分析，分析手段上略顯單一，模擬人體生理狀況不夠充分。⑤ 試驗樣本有限。
綜上述，三維外固定支架抗軸向壓縮明顯優于鋼板螺釘，略低于髓內釘，抗彎曲、抗扭轉性能與髓內釘相似并優于鋼板螺釘，對骨質疏松骨折進行多平面立體三維固定后，固定牢靠，生物力學方面能夠滿足骨折疏松骨折內固定需要。
目前，我國已快速進入老齡化社會，人口老齡化使骨質疏松癥（osteoporosis，OP）發病率越來越高，骨質疏松骨折發病率及費用也逐年升高[1]。骨質疏松骨折患者往往高齡并伴多種內科疾病，治療困難，所以亟需尋找一種快速、有效、創傷小的治療策略[2]。隨著三維外固定支架材質及構架的改良，其力學穩定性越來越好，加之微創特點，其有望成為骨質疏松骨折的固定方式。本實驗通過制備骨質疏松骨折模型，測試比較三維外固定支架、鋼板以及髓內釘固定的生物力學特點，為三維外固定支架治療骨質疏松骨折提供生物力學理論依據。報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗材料及主要儀器
45具新鮮成人冰凍脛骨標本，均經X線片排除病理性骨折，由瀘州醫學院解剖教研室提供。三維外固定支架（ORthofix公司，意大利）；鋼板螺釘（蘇州海歐斯醫療器械有限公司）。
WDW-100D 型微機控制電子萬能試驗機及其測控系統1.6軟件（實驗力準確度±0.5%，位移測量準確度0.001 mm；濟南試金集團有限公司）；NJ-50B型扭轉試驗機（精度0.1°，扭矩0.01 N·m；寧夏青山試驗機有限公司）；C臂X線機（通用公司，美國）；三點彎曲試驗機（瀘州醫學院中心實驗室提供）；定量 CT、QCT-3000 Bone Densitometry Report 軟件（GE 公司，美國）。
1.2 實驗方法
1.2.1 快速制備脛骨骨質疏松體外模型
按照文獻[3]方法快速制備脛骨骨質疏松體外模型。取45具新鮮成人冰凍脛骨標本，經18%EDTA脫鈣處理6～15 d，制備QCT試模[4]，設定QCT掃描參數，測定脛骨平臺 CT 值，將數據輸入QCT-3000 Bone Densitometry Report 軟件并計算骨礦物質密度，使其符合中國人群原發性 OP 診斷標準[5]，未達到標準者繼續脫鈣處理直至達到OP 診斷標準。
1.2.2 脛骨中段短斜形骨折模型制備
取脛骨中下1/3前側為起始點，用線鋸沿起始點向后上成30°角鋸斷，制作脛骨中段短斜形不穩定骨折模型[6]。將45具骨折模型隨機分為3組（n=15），分別采用三維外固定支架、髓內釘以及鋼板螺釘固定骨折。
1.2.3 生物力學測試
① 抗軸向壓縮力學測試：各組隨機取5具固定標本，根據壓縮機的壓縮面制備模具。將牙托粉放置于模型中，調制牙托粉，將脛骨兩端放置牙托粉中，澆鑄后檢查是否松動；若牢靠，依次固定于電子萬能試驗機上，軸向壓縮負荷從0 N逐漸增加至800 N，獲得負荷-位移數據，比較軸向壓縮負荷為250、500、750 N時各組位移大小。
② 抗彎曲力學測試：各組隨機取5具固定標本，根據三點彎曲試驗機底座制備模具。將牙托粉放置于模型中，調制牙托粉，將脛骨兩端放置牙托粉中，澆鑄后檢查是否松動；若牢靠，依次固定于電子萬能試驗機上，彎曲力從0 N·m 逐漸增加至8 N·m，獲得彎曲力-撓度數據，比較彎曲力為2、4、6 N·m時各組撓度大小。
③ 抗扭轉力學測試：各組隨機取5具固定標本，根據扭轉試驗機的咬口制備模具。將牙托粉放置于模型中，調制牙托粉，將脛骨兩端放置牙托粉中，澆鑄后檢查是否松動；若牢靠，依次固定于扭轉試驗機上，扭矩從0 N·m逐漸增加至6 N·m，獲得扭矩-扭角數據，比較扭矩為1、3、5 N·m時各組扭角大小。
1.3 統計學方法
采用SPSS13.0統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組間比較采用方差分析，兩兩比較采用SNK檢驗；檢驗水準α=0.05。
2 結果
2.1 抗軸向壓縮力學測試
軸向壓縮負荷為250、500、750 N時，三維外固定支架組及髓內釘組位移顯著低于鋼板螺釘組，差異有統計學意義（P＜0.05）；三維外固定支架組及髓內釘組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。見表 1。
表1
各組抗軸向壓縮力學測試結果（n=5，mm，x±s）
Table1.
The axial compression test results of each group（n=5，mm，x±s）
2.2 抗彎曲力學測試
彎曲力為2、4、6 N·m時，三維外固定支架組及髓內釘組撓度顯著低于鋼板螺釘組，差異有統計學意義（P＜0.05）；三維外固定支架組及髓內釘組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。見表 2。
表2
各組抗彎曲力學測試結果（n=5，mm，x±s）
Table2.
The three-point bending test results of each group（n=5，mm，x±s）
2.3 抗扭轉力學測試
扭矩為1、3、5 N·m時，三維外固定支架組及髓內釘組扭角顯著低于鋼板螺釘組，差異有統計學意義（P＜0.05）；三維外固定支架組及髓內釘組間比較差異無統計學意義（P＞0.05）。見表 3。
表3
各組抗扭轉力學測試結果（n=5，°，x±s）
Table3.
The torsion test results of each group（n=5，°，x±s）
3 討論
3.1 骨質疏松骨折的治療特點
OP是指由于骨量減少和骨架微結構破壞，骨脆性增加，導致骨折風險增加[7]。骨質疏松骨折保守治療長期制動易導致繼發性骨質疏松，骨丟失愈發嚴重。采用鋼板、螺釘及髓內釘對骨折進行內固定，雖可獲堅強固定，但對固定段骨質造成應力遮擋，同時接骨板下皮質骨血供受損，局部骨密度下降，形成局限性骨質疏松。內固定越堅強，對骨折穩定性越好，但同時應力遮擋效應也越大，由此造成的局限性骨質疏松可能導致內固定物去除后再骨折[8]。趙曉剛等[9]認為骨質疏松骨皮質變薄，螺釘咬合力降低，骨質疏松骨干骨折應采取相對穩定的固定方式。
隨著AO、BO理論的探索與更新，中國接骨學（Chinese osteosynthesis，CO）即中西醫結合治療骨折，已形成獨立的理論體系，其指導思想是“動靜結合、筋骨并重、內外兼治、醫患合作”[10]。CO強調復位的最終目的不是功能代替，而是利用器械創造一種發揮人體內部一切積極因素，實現自我修復的最優條件，即強調彈性固定、有限與微創，骨折的Ⅱ期愈合，而三維外固定支架系統可滿足該條件。
3.2 三維外固定支架的特點
三維外固定支架治療骨折不僅可減少創傷、減少骨折端不必要血供破壞、節省手術時間，同時更為早期功能鍛煉、骨折愈合和康復提供了保證[11]。三維外固定支架對骨折實行三維固定，每個與骨干平行的面均為三角形，是典型力學穩定結構，支架無需與骨面接觸，安置時無需剝離骨膜，安置到位后又不會對骨膜施壓，避免了對骨膜血供的破壞，達到保護骨骼血供的目的。
骨端區域的自攻半針位置與角度可根據骨折和肢體的神經血管進行調整，可對骨折實行加壓和延長，半針旋緊后與支架融為一體，組成一個三維固定支架，增加了外固定結構的穩定性。
該支架每組的2枚半針實行交叉進針，2枚針在兩個不同平面，在骨內交叉固定，增強了針的把持力，使骨折處有足夠固定強度，能夠滿足老年患者早期功能鍛煉，減少因長期臥床引起的各種并發癥，打破了“骨質疏松-骨折-固定-更加疏松-再骨折”的惡性循環模式。
3.3 三維外固定支架生物力學分析
在軸向壓縮方面，從生物力學觀點來看，固定物與骨組成整體結構共同負重，彈性模量大的部分將承受大部分載荷，導致另一部分產生應力遮擋效應。理想固定材料應是彈性模量接近于骨的彈性模量，同時具有一定剛度。本試驗結果顯示，三維外固定支架軸向壓縮剛度和髓內釘相近，應變分布均勻，既具有堅強的固定功能，又符合彈性固定原理，保證了患者術后可早期下床活動。而抗彎曲力學測試和抗扭轉力學測試顯示，三維外固定支架在抗彎曲、抗扭轉性能方面與髓內釘相似，并優于鋼板螺釘（P＜0.05）。
3.4 本實驗不足之處
① 骨質疏松骨折好發于四肢長骨骨端，如橈骨、股骨頸、股骨轉子間等，而本試驗選擇脛骨干制備骨質疏松骨折模型，臨床類似患者相對較少。但本試驗目的基于比較3種固定物的力學性能，即滿足在相同條件下進行比較，故如此設計。② 對于骨質疏松模型是否復制成功，需要客觀指標來判斷[12-13]。本實驗采用快速制備骨質疏松體外模型符合其評價結果，但與傳統去勢法建立的骨質疏松體外模型的脫鈣機制不同[14]，哪種方法更適合并更接近人體骨質疏松，尚有待進一步實驗證實。③ 試驗標本均為浸泡脫鈣的脛骨，其骨質抗彎曲、扭轉強度可能降低或增高，與人體脛骨實體生物力學性能有一定差距。④ 本試驗僅研究了三維外固定支架自身的各種力學數據以及局部分析，分析手段上略顯單一，模擬人體生理狀況不夠充分。⑤ 試驗樣本有限。
綜上述，三維外固定支架抗軸向壓縮明顯優于鋼板螺釘，略低于髓內釘，抗彎曲、抗扭轉性能與髓內釘相似并優于鋼板螺釘，對骨質疏松骨折進行多平面立體三維固定后，固定牢靠，生物力學方面能夠滿足骨折疏松骨折內固定需要。
