引用本文: 張睿, 羅鵬, 胡煒, 柯陳榮, 王鑒順, 郭曉山. 新型股骨近端內側支撐鋼板治療股骨反轉子間骨折的生物力學研究. 中國修復重建外科雜志, 2017, 31(2): 165-170. doi: 10.7507/1002-1892.201609103 復制
股骨反轉子間骨折治療難度較高,目前以髓內固定為主。但隨著髓內固定的廣泛使用,內固定失效發生率呈上升趨勢,術中復位不良和內固定物選擇不當是導致失效的重要原因。越來越多的學者提出治療股骨轉子間不穩定型骨折的關鍵是維持股骨內側皮質骨穩定的支撐作用[1]。但傳統髓外固定主要對抗外側皮質骨小梁的張應力,髓內固定主要對抗骨折兩端部分剪力和張應力。鑒于此,我們設計了一種新型股骨近端內側支撐鋼板(proximal femoral medial buttress plate,PFMBP),主要用以對抗內側皮質骨小梁壓應力。本次研究通過與股骨近端鎖定加壓鋼板(proximal femoral locking compression plate,PFLCP)、股骨近端防旋髓內釘(proximal femoral nail antirotation,PFNA)進行比較,探討PFMBP固定股骨反轉子間骨折的生物力學性能,評估PFBMP治療股骨反轉子間骨折的可行性。報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗標本及主要器械
實驗標本選擇第 4 代 Synbone 人工股骨標準試驗骨(左側,以下簡稱標準骨;Malans Synbone 公司,瑞士)18 具,標準骨全長 337 mm,股骨頭直徑 48 mm,頸干角 135°,前傾角 15°。標準骨由硬質聚氨酯泡沫塑料制作,其模擬人體骨骼劃分為皮質骨和松質骨兩部分,內有直徑為 15 mm 的空心孔道模擬髓腔,可進行髓內釘植入。
7 孔 PFLCP(厚 5 mm、長 13 cm)、PFNA(直徑 9 mm、長 34 cm、厚 9 mm)、8 孔 PFBMP(厚 8 mm、長 10 cm;圖 1),均由常州華森醫療器械有限公司提供。Instron E10000 動態萬能生物力學測試機(Instron 公司,美國)。

1.2 實驗分組及方法
取 18 具標準骨,以股骨小轉子頂點為起始點,作 1 條與水平線成 60°角斜向股骨遠端外側皮質的骨折線,模擬 AO 31-A3.1 型股骨反轉子間骨折,然后根據內固定不同將骨折模型隨機分為 3 組(n=6)。PFLCP 組:首先用 2 枚克氏針臨時固定骨折線,于股骨外側放置鋼板,擰入近端 3 枚 4.8 mm 鎖定螺釘,然后依次擰入遠端 4 枚 4.0 mm 鎖定螺釘;PFNA 組:于大轉子尖使用開口器開口后,向內、向前植入導針,并沿導針突破皮質后逐級擴髓。將主釘植入合適深度后安裝瞄準器,向股骨頸植入導針,C 臂 X 線機透視滿意后,擰入螺旋刀片,再于遠端擰入鎖定螺釘;PFMBP 組:先用 2 枚克氏針臨時固定骨折線,于股骨內側放置鋼板后,擰入 2 枚近端 3.5 mm 普通螺釘,再于遠端拉力螺釘孔鉆孔測深后,拔出克氏針,擰入拉力螺釘,最后依次擰入近端 1 枚 3.5 mm普通螺釘及遠端 4 枚 4.5 mm普通螺釘。
1.3 生物力學測試
各組內固定標本以環氧樹酯包埋固定,使其在冠狀面保持內收 15°,模擬人單足站立時股骨位置,包埋固定 1 d 后行生物力學測試。
1.3.1 軸向壓縮試驗 使用壓縮夾具將標本與生物力學測試機連接固定,將聚甲醇材料制作的模具放置于股骨頭上,模擬髖臼作用,同時使軸向壓縮時標本受力均勻。首先以 5 mm/min 速度進行預加載,加載至 100 N 持續 1~2 min,使標本與生物力學測試機緊密接觸,并減少因彈性蠕變效應帶來的誤差。預加載完成后,以 5 mm/min 速度進行軸向載荷加載至 1 400 N,記錄標本在 0、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400 N 載荷下的軸向位移,并按照以下公式計算軸向壓縮剛度:軸向壓縮剛度=軸向載荷/軸向位移,利用線性回歸方程計算總壓縮剛度。見圖 2 a。

1.3.2 扭轉試驗 完成軸向壓縮試驗后,取下壓縮夾具,更換為扭轉夾具,將標本與生物力學測試機連接固定后,以 1 Hz 頻率進行扭轉,記錄標本在扭轉角度為 0、1、2、3、4、5°時的扭矩,按照以下公式計算扭轉剛度:扭轉剛度=扭矩/扭轉角,利用線性回歸方程計算總扭轉剛度。見圖 2 b。
1.3.3 最大軸向壓縮破壞試驗 完成扭轉試驗后,取下扭轉夾具,更換為壓縮夾具,將標本與生物力學測試機連接固定后,以 5 mm/min 速度進行軸向載荷加載,直至標本破壞。見圖 2 c。標本破壞標準:① 除原骨折線外,出現新骨折線;② 內固定失效,如鋼板或螺釘彎曲、切出以及斷裂;③ 軸向位移超過 15 mm;④ 數據采集圖像中載荷-位移曲線趨于平緩,即隨著軸向載荷的增加,模型軸向位移不發生變化,表明出現屈服。出現上述任意一種情況,即判定破壞成功,記錄此時軸向載荷,作為最大軸向載荷。
1.4 統計學方法
采用 SPSS21.0 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 軸向壓縮試驗
載荷-位移曲線顯示,隨著載荷增加,3 組標本軸向位移亦隨之增加(圖 3)。當載荷超過 1 000 N 后,PFNA 組和 PFLCP 組相對 PFMBP 組軸向位移呈大幅度遞增。PFLCP 組軸向壓縮剛度為(109.42±30.14)N/mm,PFNA 組為(119.13±29.14)N/mm,PFMBP 組為(162.05±22.05)N/mm,組間比較差異均有統計學意義(P<0.05)。

2.2 扭轉試驗
3 組標本扭矩均隨扭轉角度增加而增加(表 1)。同一組中不同扭轉角度下扭矩比較,差異有統計學意義(P<0.05);同一扭轉角度下各組扭矩比較,差異亦有統計學意義(P<0.05)。 PFLCP 組扭轉剛度為(1.45±0.44)N·mm/deg,PFNA 組為(1.10±0.13)N·mm/deg,PFMBP 組為(1.36±0.32)N·mm/deg。PFLCP 組、PFMBP 組與 PFNA 組比較,差異有統計學意義(P<0.05);PFLCP 及 PFMBP 組間比較差異無統計學意義(P>0.05)。

2.3 最大軸向壓縮破壞試驗
3 組標本均未出現鋼板及螺釘彎曲或斷裂。PFLCP 組 1 具標本出現新骨折線,其余 5 具均為骨折近端位移超過 15 mm。PFNA 組 2 具遠端鎖定螺釘周圍出現新骨折線,4 具骨折近端位移超過 15 mm。PFMBP 組 3 具鋼板遠端出現新骨折線,3 具均為軸向位移超過 15 mm。見圖 4。

PFLCP 組最大軸向載荷為(1 408.88±0.17)N,PFNA 組為(1 696.56± 0.52)N,PFMBP 組為(2 154.65±0.10)N。3 組間最大軸向載荷比較,差異均有統計學意義(P<0.05)。
3 討論
PFNA 最大特點是其螺旋刀片具有寬大表面積和逐漸增加的芯直徑,擰入后可以填壓松質骨,提高螺旋刀片的錨合力。隨著 PFNA 的廣泛使用,內固定失效率逐漸升高,據報道可達 3%~40%[2-3]。內固定失效通常表現為螺旋刀片突入髖關節囊或從主釘脫出、發生髖內翻和股骨近端劈裂骨折等,多與患者骨質疏松、術中復位不良及內固定裝置選擇不當有關。PFLCP 屬于髓外固定,治療股骨轉子間不穩定型骨折失敗率高達 37%~40%,僅作為一種治療股骨近端骨折的替代方法[4-6]。一系列關于髓內固定與髓外固定治療股骨轉子間骨折的生物力學研究表明,髓內固定生物力學性能優于髓外固定[7-9]。但臨床研究發現,與髓外固定相比,髓內固定具有創傷較小、固定更堅強、術后并發癥較少等優勢[10-12]。
傳統髓外固定是置于股骨外側,而我們設計的 PFMBP 置于股骨內側,其能與內側壁達良好貼合,增加了接觸面積,提高了內固定物對抗內側皮質骨小梁壓應力的能力[13]。Chang 等[14]提出積極重建股骨近端內側完整性支撐是治療股骨轉子間不穩定型骨折的關鍵。為探討內固定物對抗張應力和壓應力對治療股骨反轉子間骨折的重要性,評估 PFBMP 治療股骨反轉子間骨折的可行性,我們進行了本次生物力學試驗。本次研究選擇了標準骨,研究表明其能較好模擬尸體干骨,且與尸體骨相比具有性質均一、力學性能穩定的優點,可在骨科臨床內固定材料力學測試研究中達到良好物理模擬效果[15],目前已有大量生物力學試驗選擇標準骨作為實驗對象[16-18]。
本研究軸向壓縮試驗結果顯示,PFMBP 組軸向壓縮剛度最大,其次為 PFNA 組、PFLCP 組。但 Forward 等[19]研究顯示,髓內釘固定股骨轉子間骨折后,其軸向壓縮剛度優于鎖定鋼板和 95°角鋼板;Bong 等[20]研究也表明,髓內釘軸向壓縮剛度優于滑動髖螺釘。我們分析本研究結果與 Forward 等[19]及 Bong 等[20]存在差異的主要原因為:① 本研究采用的 PFMBP 厚 8 mm,PFNA 為 9 mm,PFLCP 為 5 mm,PFMBP、PFNA 厚于 PFLCP,因而 PFMBP 和 PFNA 的軸向壓縮剛度大于 PFLCP;② PFMBP 遠、近端連接桿短而粗,縮短了力臂,可以提供更好的生物力學穩定性;③ PFMBP 近端與股骨頸接觸面積較大,可承受較大的內側壓應力作用;④ PFMBP 遠端設計有兩個偏心孔,擰入拉力螺釘后可對骨折斷端形成有效加壓作用。因而在最大軸向壓縮破壞試驗中,PFMBP 組最大軸向載荷大于 PFNA 組,也驗證了 PFMBP 在軸向載荷下具備強大的抗壓性。
Fensky 等[21]報道髓內固定與髓外固定治療股骨轉子間不穩定型骨折的扭轉剛度無明顯差異。但本研究中 PFLCP 組、PFMBP 組均優于 PFNA 組,且前兩者間無明顯差異。我們分析主要與以下兩點設計有關:① PFMBP 近端植入了 3 枚螺釘,且最外側的 2 枚螺釘呈“八”字設計;② PFMBP 長10 cm,PFLCP 長 13 cm,兩種鋼板遠端部分均能植入相對較多螺釘,加強了抗扭轉能力。
綜上述,PFMBP 在軸向壓縮剛度、扭轉剛度方面與 PFLCP、PFNA 相比具有優越性,提示維持內側穩定性在治療股骨反轉子間骨折中具有重要意義,PFBMP 治療此類骨折可行。但本研究也存在以下不足:首先,標準骨上無肌肉等軟組織附著,因此不能模擬真實人體下肢力的傳導與作用;其次,本研究樣本量較少,對測量結果有一定影響;再者,試驗中軸向載荷和扭轉情形不能完全模擬人體日常活動或受傷時受力機制;最后,本研究僅進行了軸向壓縮、扭轉及破壞試驗。因此,以上結論還需要更大樣本量、多項生物力學性能指標以及有限元分析加以驗證,也需要臨床應用進行檢驗。
股骨反轉子間骨折治療難度較高,目前以髓內固定為主。但隨著髓內固定的廣泛使用,內固定失效發生率呈上升趨勢,術中復位不良和內固定物選擇不當是導致失效的重要原因。越來越多的學者提出治療股骨轉子間不穩定型骨折的關鍵是維持股骨內側皮質骨穩定的支撐作用[1]。但傳統髓外固定主要對抗外側皮質骨小梁的張應力,髓內固定主要對抗骨折兩端部分剪力和張應力。鑒于此,我們設計了一種新型股骨近端內側支撐鋼板(proximal femoral medial buttress plate,PFMBP),主要用以對抗內側皮質骨小梁壓應力。本次研究通過與股骨近端鎖定加壓鋼板(proximal femoral locking compression plate,PFLCP)、股骨近端防旋髓內釘(proximal femoral nail antirotation,PFNA)進行比較,探討PFMBP固定股骨反轉子間骨折的生物力學性能,評估PFBMP治療股骨反轉子間骨折的可行性。報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗標本及主要器械
實驗標本選擇第 4 代 Synbone 人工股骨標準試驗骨(左側,以下簡稱標準骨;Malans Synbone 公司,瑞士)18 具,標準骨全長 337 mm,股骨頭直徑 48 mm,頸干角 135°,前傾角 15°。標準骨由硬質聚氨酯泡沫塑料制作,其模擬人體骨骼劃分為皮質骨和松質骨兩部分,內有直徑為 15 mm 的空心孔道模擬髓腔,可進行髓內釘植入。
7 孔 PFLCP(厚 5 mm、長 13 cm)、PFNA(直徑 9 mm、長 34 cm、厚 9 mm)、8 孔 PFBMP(厚 8 mm、長 10 cm;圖 1),均由常州華森醫療器械有限公司提供。Instron E10000 動態萬能生物力學測試機(Instron 公司,美國)。

1.2 實驗分組及方法
取 18 具標準骨,以股骨小轉子頂點為起始點,作 1 條與水平線成 60°角斜向股骨遠端外側皮質的骨折線,模擬 AO 31-A3.1 型股骨反轉子間骨折,然后根據內固定不同將骨折模型隨機分為 3 組(n=6)。PFLCP 組:首先用 2 枚克氏針臨時固定骨折線,于股骨外側放置鋼板,擰入近端 3 枚 4.8 mm 鎖定螺釘,然后依次擰入遠端 4 枚 4.0 mm 鎖定螺釘;PFNA 組:于大轉子尖使用開口器開口后,向內、向前植入導針,并沿導針突破皮質后逐級擴髓。將主釘植入合適深度后安裝瞄準器,向股骨頸植入導針,C 臂 X 線機透視滿意后,擰入螺旋刀片,再于遠端擰入鎖定螺釘;PFMBP 組:先用 2 枚克氏針臨時固定骨折線,于股骨內側放置鋼板后,擰入 2 枚近端 3.5 mm 普通螺釘,再于遠端拉力螺釘孔鉆孔測深后,拔出克氏針,擰入拉力螺釘,最后依次擰入近端 1 枚 3.5 mm普通螺釘及遠端 4 枚 4.5 mm普通螺釘。
1.3 生物力學測試
各組內固定標本以環氧樹酯包埋固定,使其在冠狀面保持內收 15°,模擬人單足站立時股骨位置,包埋固定 1 d 后行生物力學測試。
1.3.1 軸向壓縮試驗 使用壓縮夾具將標本與生物力學測試機連接固定,將聚甲醇材料制作的模具放置于股骨頭上,模擬髖臼作用,同時使軸向壓縮時標本受力均勻。首先以 5 mm/min 速度進行預加載,加載至 100 N 持續 1~2 min,使標本與生物力學測試機緊密接觸,并減少因彈性蠕變效應帶來的誤差。預加載完成后,以 5 mm/min 速度進行軸向載荷加載至 1 400 N,記錄標本在 0、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400 N 載荷下的軸向位移,并按照以下公式計算軸向壓縮剛度:軸向壓縮剛度=軸向載荷/軸向位移,利用線性回歸方程計算總壓縮剛度。見圖 2 a。

1.3.2 扭轉試驗 完成軸向壓縮試驗后,取下壓縮夾具,更換為扭轉夾具,將標本與生物力學測試機連接固定后,以 1 Hz 頻率進行扭轉,記錄標本在扭轉角度為 0、1、2、3、4、5°時的扭矩,按照以下公式計算扭轉剛度:扭轉剛度=扭矩/扭轉角,利用線性回歸方程計算總扭轉剛度。見圖 2 b。
1.3.3 最大軸向壓縮破壞試驗 完成扭轉試驗后,取下扭轉夾具,更換為壓縮夾具,將標本與生物力學測試機連接固定后,以 5 mm/min 速度進行軸向載荷加載,直至標本破壞。見圖 2 c。標本破壞標準:① 除原骨折線外,出現新骨折線;② 內固定失效,如鋼板或螺釘彎曲、切出以及斷裂;③ 軸向位移超過 15 mm;④ 數據采集圖像中載荷-位移曲線趨于平緩,即隨著軸向載荷的增加,模型軸向位移不發生變化,表明出現屈服。出現上述任意一種情況,即判定破壞成功,記錄此時軸向載荷,作為最大軸向載荷。
1.4 統計學方法
采用 SPSS21.0 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 軸向壓縮試驗
載荷-位移曲線顯示,隨著載荷增加,3 組標本軸向位移亦隨之增加(圖 3)。當載荷超過 1 000 N 后,PFNA 組和 PFLCP 組相對 PFMBP 組軸向位移呈大幅度遞增。PFLCP 組軸向壓縮剛度為(109.42±30.14)N/mm,PFNA 組為(119.13±29.14)N/mm,PFMBP 組為(162.05±22.05)N/mm,組間比較差異均有統計學意義(P<0.05)。

2.2 扭轉試驗
3 組標本扭矩均隨扭轉角度增加而增加(表 1)。同一組中不同扭轉角度下扭矩比較,差異有統計學意義(P<0.05);同一扭轉角度下各組扭矩比較,差異亦有統計學意義(P<0.05)。 PFLCP 組扭轉剛度為(1.45±0.44)N·mm/deg,PFNA 組為(1.10±0.13)N·mm/deg,PFMBP 組為(1.36±0.32)N·mm/deg。PFLCP 組、PFMBP 組與 PFNA 組比較,差異有統計學意義(P<0.05);PFLCP 及 PFMBP 組間比較差異無統計學意義(P>0.05)。

2.3 最大軸向壓縮破壞試驗
3 組標本均未出現鋼板及螺釘彎曲或斷裂。PFLCP 組 1 具標本出現新骨折線,其余 5 具均為骨折近端位移超過 15 mm。PFNA 組 2 具遠端鎖定螺釘周圍出現新骨折線,4 具骨折近端位移超過 15 mm。PFMBP 組 3 具鋼板遠端出現新骨折線,3 具均為軸向位移超過 15 mm。見圖 4。

PFLCP 組最大軸向載荷為(1 408.88±0.17)N,PFNA 組為(1 696.56± 0.52)N,PFMBP 組為(2 154.65±0.10)N。3 組間最大軸向載荷比較,差異均有統計學意義(P<0.05)。
3 討論
PFNA 最大特點是其螺旋刀片具有寬大表面積和逐漸增加的芯直徑,擰入后可以填壓松質骨,提高螺旋刀片的錨合力。隨著 PFNA 的廣泛使用,內固定失效率逐漸升高,據報道可達 3%~40%[2-3]。內固定失效通常表現為螺旋刀片突入髖關節囊或從主釘脫出、發生髖內翻和股骨近端劈裂骨折等,多與患者骨質疏松、術中復位不良及內固定裝置選擇不當有關。PFLCP 屬于髓外固定,治療股骨轉子間不穩定型骨折失敗率高達 37%~40%,僅作為一種治療股骨近端骨折的替代方法[4-6]。一系列關于髓內固定與髓外固定治療股骨轉子間骨折的生物力學研究表明,髓內固定生物力學性能優于髓外固定[7-9]。但臨床研究發現,與髓外固定相比,髓內固定具有創傷較小、固定更堅強、術后并發癥較少等優勢[10-12]。
傳統髓外固定是置于股骨外側,而我們設計的 PFMBP 置于股骨內側,其能與內側壁達良好貼合,增加了接觸面積,提高了內固定物對抗內側皮質骨小梁壓應力的能力[13]。Chang 等[14]提出積極重建股骨近端內側完整性支撐是治療股骨轉子間不穩定型骨折的關鍵。為探討內固定物對抗張應力和壓應力對治療股骨反轉子間骨折的重要性,評估 PFBMP 治療股骨反轉子間骨折的可行性,我們進行了本次生物力學試驗。本次研究選擇了標準骨,研究表明其能較好模擬尸體干骨,且與尸體骨相比具有性質均一、力學性能穩定的優點,可在骨科臨床內固定材料力學測試研究中達到良好物理模擬效果[15],目前已有大量生物力學試驗選擇標準骨作為實驗對象[16-18]。
本研究軸向壓縮試驗結果顯示,PFMBP 組軸向壓縮剛度最大,其次為 PFNA 組、PFLCP 組。但 Forward 等[19]研究顯示,髓內釘固定股骨轉子間骨折后,其軸向壓縮剛度優于鎖定鋼板和 95°角鋼板;Bong 等[20]研究也表明,髓內釘軸向壓縮剛度優于滑動髖螺釘。我們分析本研究結果與 Forward 等[19]及 Bong 等[20]存在差異的主要原因為:① 本研究采用的 PFMBP 厚 8 mm,PFNA 為 9 mm,PFLCP 為 5 mm,PFMBP、PFNA 厚于 PFLCP,因而 PFMBP 和 PFNA 的軸向壓縮剛度大于 PFLCP;② PFMBP 遠、近端連接桿短而粗,縮短了力臂,可以提供更好的生物力學穩定性;③ PFMBP 近端與股骨頸接觸面積較大,可承受較大的內側壓應力作用;④ PFMBP 遠端設計有兩個偏心孔,擰入拉力螺釘后可對骨折斷端形成有效加壓作用。因而在最大軸向壓縮破壞試驗中,PFMBP 組最大軸向載荷大于 PFNA 組,也驗證了 PFMBP 在軸向載荷下具備強大的抗壓性。
Fensky 等[21]報道髓內固定與髓外固定治療股骨轉子間不穩定型骨折的扭轉剛度無明顯差異。但本研究中 PFLCP 組、PFMBP 組均優于 PFNA 組,且前兩者間無明顯差異。我們分析主要與以下兩點設計有關:① PFMBP 近端植入了 3 枚螺釘,且最外側的 2 枚螺釘呈“八”字設計;② PFMBP 長10 cm,PFLCP 長 13 cm,兩種鋼板遠端部分均能植入相對較多螺釘,加強了抗扭轉能力。
綜上述,PFMBP 在軸向壓縮剛度、扭轉剛度方面與 PFLCP、PFNA 相比具有優越性,提示維持內側穩定性在治療股骨反轉子間骨折中具有重要意義,PFBMP 治療此類骨折可行。但本研究也存在以下不足:首先,標準骨上無肌肉等軟組織附著,因此不能模擬真實人體下肢力的傳導與作用;其次,本研究樣本量較少,對測量結果有一定影響;再者,試驗中軸向載荷和扭轉情形不能完全模擬人體日常活動或受傷時受力機制;最后,本研究僅進行了軸向壓縮、扭轉及破壞試驗。因此,以上結論還需要更大樣本量、多項生物力學性能指標以及有限元分析加以驗證,也需要臨床應用進行檢驗。