引用本文： 白繼岳, 徐永清, 何曉清, 李川, 劉帥, 李亮. 三種器械固定跟骨截骨的生物力學比較研究. 中國修復重建外科雜志, 2018, 32(2): 192-194. doi: 10.7507/1002-1892.201709121 復制
高弓足、低弓足、跟骨骨折畸形愈合等是臨床常見的足踝部疾病，可引起足部慢性疼痛，影響患者生活質量。跟骨內移截骨或外移截骨是治療此類疾病的重要術式之一[1-4]，截骨后臨床常用螺釘、鋼板固定，也有學者采用斯氏針固定[5]。生物力學試驗及臨床研究表明，螺釘、鋼板固定跟骨骨折效果可靠[6-7]。然而，采用螺釘固定易引起術后行走疼痛，截骨處的剪切力可能導致螺釘斷裂進而致內固定物難以取出；鋼板固定手術操作較復雜，費用較高。為此，本課題組自行設計了鎳鈦記憶合金階梯鋼板，本次研究擬比較該鋼板與跟骨內移鋼板、空心拉力螺釘固定跟骨截骨后的生物力學特性，為鎳鈦記憶合金階梯鋼板的臨床應用提供力學試驗依據。報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗標本以及主要儀器、材料
實驗用 6 具新鮮足部標本由 2012 年 1 月—2016 年 3 月昆明醫科大學提供。6 例捐贈者中，男 4 例、女 2 例；年齡 22～37 歲，平均 28.2 歲。左足 3 具，右足 3 具。所有標本踝關節及跟骨周圍韌帶完整，經大體及 X 線片檢查證實無骨折、畸形及腫瘤。于踝上 20 cm 截斷脛腓骨，剝離暴露脛骨約 5 cm 用于包埋固定。塑料薄膜包裝后置于–20℃ 冰箱保存備用。實驗前 6 h 取出，室溫下解凍。
鎳鈦記憶合金階梯鋼板由本課題組委托蘭州西脈記憶合金股份有限公司制備；跟骨內移鋼板（型號 GC12Z05）、空心拉力螺釘（直徑 4.5 mm、長 56 mm；型號 GC4Z），由山東威高骨科材料有限公司提供。ElectroForce?3510 高精度生物材料試驗系統（Bose 公司，美國）。
1.2 實驗方法
1.2.1 實驗分組
實驗分為 3 組，分別為鎳鈦記憶合金階梯鋼板組（A 組）、跟骨內移鋼板組（B 組）、空心拉力螺釘組（C 組）。6 具標本均行截骨處理后，隨機選擇 3 種內固定順序進行生物力學測試。
1.2.2 內固定模型制備
于標本腓骨肌肌腱下方，從跟骨結節上方跟腱外側緣開始，向下方延伸，止于足底外側和跖側皮膚交界處，切開長約 4 cm 皮膚。向深層剝離至骨膜，顯露跟腱止點及腓骨肌肌腱，予以保護；與皮膚切口平行，用擺鋸截骨，截骨線與跟骨外緣垂直，與足底平面向后成 45°[8]角；撐開器將截骨兩端撐開，使內側軟組織松弛，移除撐開器[9]；將跟骨后結節內移 6 mm，克氏針臨時固定，然后植入相應內固定器械。X 線透視確認骨折復位。見圖 1。
圖1
內固定模型制備
a. 植入鎳鈦記憶合金階梯鋼板；b. X 線透視確認骨折復位良好
Figure1. Preparation of internal fixation modela. Nickel-titanium memory alloy stepped plate was implanted; b. X-ray confirmed a good reposition
1.2.3 生物力學測試
將標本固定于生物力學試驗機上，模擬站立負重體位（圖 2）。首先進行 5 個預處理，載荷 0～600 N，頻率 1 Hz，用以消除韌帶等組織蠕變影響[10]。然后給予 20～600 N 載荷，速度 20 N/s，記錄最大位移、彈性位移、最大負荷，作為疲勞試驗前測量數據。隨后進行疲勞試驗（頻率 5 Hz，循環 3 000 次）[11]，結束后再給予 20～600 N 載荷，速度 20 N/s，記錄最大位移、彈性位移、最大負荷，作為疲勞試驗后測量數據。按照以下公式計算軸向壓縮剛度[12]。軸向壓縮剛度=軸向載荷/軸向位移。其中，軸向位移=最大位移–彈性位移（載荷為 20 N 時位移），軸向載荷=最大負荷–20 N。
圖2
標本固定于生物力學試驗機
Figure2.
The specimen was fixed on the biomechanical testing machine
1.3 統計學方法
采用 SPSS 17.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組內疲勞試驗前、后數據比較采用配對 t 檢驗；多組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 LSD 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
2 結果
組內比較：3 組疲勞試驗前、后軸向壓縮剛度比較，差異均無統計學意義（P>0.05）。組間比較：疲勞試驗前、后，A 組軸向壓縮剛度均明顯大于 B、C 組，比較差異有統計學意義（P<0.05）；B、C 組間比較差異無統計學意義（P>0.05）。見表 1。
表1
各組軸向壓縮剛度比較（n=6，N/mm，
）
Table1.
Comparison of axial compression stiffness between groups (n=6, N/mm,
)
3 討論
研究表明，足部骨折手術后至骨折完全愈合最多負重約 3 000 次[11]，因此我們確定跟骨截骨內固定術后進行 3 000 次疲勞試驗以觀察軸向壓縮剛度變化。本實驗結果顯示，鎳鈦記憶合金階梯鋼板、空心拉力螺釘以及跟骨內移鋼板固定后，疲勞試驗前、后軸向壓縮剛度差異均無統計學意義；表明 3 種內固定物都能提供可靠的固定效果，抗疲勞性良好。疲勞試驗前后，空心拉力螺釘與跟骨內移鋼板固定軸向壓縮剛度比較，差異均無統計學意義，表明二者固定強度相當。倪明等[13]進行了有限元分析，結果表明鋼板及交叉螺釘均可為跟骨提供足夠的力學穩定性。臨床應用也表明，螺釘與鋼板固定效果可靠[14-16]。本研究中，疲勞試驗前鎳鈦記憶合金階梯鋼板軸向壓縮剛度大于跟骨內移鋼板和空心拉力螺釘，表明鎳鈦記憶合金階梯鋼板可以為跟骨截骨處提供更大的固定強度；疲勞試驗后組間比較結果與疲勞試驗前一致。
綜上述，自制鎳鈦記憶合金階梯鋼板固定跟骨截骨穩定性好，抗疲勞性優良，固定強度優于跟骨內移鋼板和空心拉力螺釘。而且，鎳鈦記憶合金彈性模量和骨質相近，更符合骨骼生物力學特性[17-18]，能夠很好的維持截骨處對位，有助于進行早期功能鍛煉。但本研究僅檢測了 6 具標本，且標本保存時間不等，存在骨量丟失差異，測量指標也較少；因此尚需進一步完善測量指標、擴大試驗樣本后再進行深入研究以驗證結論。
高弓足、低弓足、跟骨骨折畸形愈合等是臨床常見的足踝部疾病，可引起足部慢性疼痛，影響患者生活質量。跟骨內移截骨或外移截骨是治療此類疾病的重要術式之一[1-4]，截骨后臨床常用螺釘、鋼板固定，也有學者采用斯氏針固定[5]。生物力學試驗及臨床研究表明，螺釘、鋼板固定跟骨骨折效果可靠[6-7]。然而，采用螺釘固定易引起術后行走疼痛，截骨處的剪切力可能導致螺釘斷裂進而致內固定物難以取出；鋼板固定手術操作較復雜，費用較高。為此，本課題組自行設計了鎳鈦記憶合金階梯鋼板，本次研究擬比較該鋼板與跟骨內移鋼板、空心拉力螺釘固定跟骨截骨后的生物力學特性，為鎳鈦記憶合金階梯鋼板的臨床應用提供力學試驗依據。報告如下。
1 材料與方法
1.1 實驗標本以及主要儀器、材料
實驗用 6 具新鮮足部標本由 2012 年 1 月—2016 年 3 月昆明醫科大學提供。6 例捐贈者中，男 4 例、女 2 例；年齡 22～37 歲，平均 28.2 歲。左足 3 具，右足 3 具。所有標本踝關節及跟骨周圍韌帶完整，經大體及 X 線片檢查證實無骨折、畸形及腫瘤。于踝上 20 cm 截斷脛腓骨，剝離暴露脛骨約 5 cm 用于包埋固定。塑料薄膜包裝后置于–20℃ 冰箱保存備用。實驗前 6 h 取出，室溫下解凍。
鎳鈦記憶合金階梯鋼板由本課題組委托蘭州西脈記憶合金股份有限公司制備；跟骨內移鋼板（型號 GC12Z05）、空心拉力螺釘（直徑 4.5 mm、長 56 mm；型號 GC4Z），由山東威高骨科材料有限公司提供。ElectroForce?3510 高精度生物材料試驗系統（Bose 公司，美國）。
1.2 實驗方法
1.2.1 實驗分組
實驗分為 3 組，分別為鎳鈦記憶合金階梯鋼板組（A 組）、跟骨內移鋼板組（B 組）、空心拉力螺釘組（C 組）。6 具標本均行截骨處理后，隨機選擇 3 種內固定順序進行生物力學測試。
1.2.2 內固定模型制備
于標本腓骨肌肌腱下方，從跟骨結節上方跟腱外側緣開始，向下方延伸，止于足底外側和跖側皮膚交界處，切開長約 4 cm 皮膚。向深層剝離至骨膜，顯露跟腱止點及腓骨肌肌腱，予以保護；與皮膚切口平行，用擺鋸截骨，截骨線與跟骨外緣垂直，與足底平面向后成 45°[8]角；撐開器將截骨兩端撐開，使內側軟組織松弛，移除撐開器[9]；將跟骨后結節內移 6 mm，克氏針臨時固定，然后植入相應內固定器械。X 線透視確認骨折復位。見圖 1。
圖1
內固定模型制備
a. 植入鎳鈦記憶合金階梯鋼板；b. X 線透視確認骨折復位良好
Figure1. Preparation of internal fixation modela. Nickel-titanium memory alloy stepped plate was implanted; b. X-ray confirmed a good reposition
1.2.3 生物力學測試
將標本固定于生物力學試驗機上，模擬站立負重體位（圖 2）。首先進行 5 個預處理，載荷 0～600 N，頻率 1 Hz，用以消除韌帶等組織蠕變影響[10]。然后給予 20～600 N 載荷，速度 20 N/s，記錄最大位移、彈性位移、最大負荷，作為疲勞試驗前測量數據。隨后進行疲勞試驗（頻率 5 Hz，循環 3 000 次）[11]，結束后再給予 20～600 N 載荷，速度 20 N/s，記錄最大位移、彈性位移、最大負荷，作為疲勞試驗后測量數據。按照以下公式計算軸向壓縮剛度[12]。軸向壓縮剛度=軸向載荷/軸向位移。其中，軸向位移=最大位移–彈性位移（載荷為 20 N 時位移），軸向載荷=最大負荷–20 N。
圖2
標本固定于生物力學試驗機
Figure2.
The specimen was fixed on the biomechanical testing machine
1.3 統計學方法
采用 SPSS 17.0 統計軟件進行分析。數據以均數±標準差表示，組內疲勞試驗前、后數據比較采用配對 t 檢驗；多組間比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用 LSD 檢驗；檢驗水準 α=0.05。
2 結果
組內比較：3 組疲勞試驗前、后軸向壓縮剛度比較，差異均無統計學意義（P>0.05）。組間比較：疲勞試驗前、后，A 組軸向壓縮剛度均明顯大于 B、C 組，比較差異有統計學意義（P<0.05）；B、C 組間比較差異無統計學意義（P>0.05）。見表 1。
表1
各組軸向壓縮剛度比較（n=6，N/mm，
）
Table1.
Comparison of axial compression stiffness between groups (n=6, N/mm,
)
3 討論
研究表明，足部骨折手術后至骨折完全愈合最多負重約 3 000 次[11]，因此我們確定跟骨截骨內固定術后進行 3 000 次疲勞試驗以觀察軸向壓縮剛度變化。本實驗結果顯示，鎳鈦記憶合金階梯鋼板、空心拉力螺釘以及跟骨內移鋼板固定后，疲勞試驗前、后軸向壓縮剛度差異均無統計學意義；表明 3 種內固定物都能提供可靠的固定效果，抗疲勞性良好。疲勞試驗前后，空心拉力螺釘與跟骨內移鋼板固定軸向壓縮剛度比較，差異均無統計學意義，表明二者固定強度相當。倪明等[13]進行了有限元分析，結果表明鋼板及交叉螺釘均可為跟骨提供足夠的力學穩定性。臨床應用也表明，螺釘與鋼板固定效果可靠[14-16]。本研究中，疲勞試驗前鎳鈦記憶合金階梯鋼板軸向壓縮剛度大于跟骨內移鋼板和空心拉力螺釘，表明鎳鈦記憶合金階梯鋼板可以為跟骨截骨處提供更大的固定強度；疲勞試驗后組間比較結果與疲勞試驗前一致。
綜上述，自制鎳鈦記憶合金階梯鋼板固定跟骨截骨穩定性好，抗疲勞性優良，固定強度優于跟骨內移鋼板和空心拉力螺釘。而且，鎳鈦記憶合金彈性模量和骨質相近，更符合骨骼生物力學特性[17-18]，能夠很好的維持截骨處對位，有助于進行早期功能鍛煉。但本研究僅檢測了 6 具標本，且標本保存時間不等，存在骨量丟失差異，測量指標也較少；因此尚需進一步完善測量指標、擴大試驗樣本后再進行深入研究以驗證結論。
