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1、新型髓内钉治疗股骨不稳定骨折的生物力学研究【摘要】 目的： 将新型髓内钉用于股骨不稳定骨折模型治疗，探讨新型髓内钉用于不稳定骨折治疗的可行性及力学性能优劣. 方法： 将新型股骨髓内钉与Orthofix进口交锁髓内钉及AO加压钢板等不同方式内固定在股骨不稳定骨折条件下的抗轴向压缩、抗侧弯、抗旋转力学性能进行测试与比较. 结果： 不稳定骨折情况下，钢板对照组的抗轴向压缩能力最差，新型髓内钉的抗短缩能力居于髓内钉对照组和钢板对照组之间，组间差异有统计学意义. 髓内钉实验组的抗侧弯稳定性明显优于髓内钉对照组，三组中钢板对照组抗侧弯性能最优，组间差异有统计学意义. 髓内钉实验组的抗扭转性能次于钢板对照组
2、而优于髓内钉对照组. 结论： 新型髓内钉对股骨不稳定骨折固定的综合力学性能具有明显优越性，固定稳定性好，能够满足临床治疗需要；加压钢板内固定并不是骨折内固定的最佳选择，尤其是在不稳定骨折；骨髓腔狭窄部形态亦是影响侧弯稳定性的重要因素. 【关键词】 骨钉；骨折固定术，髓内;股骨；骨折；生物力学 0引言 髓内钉治疗骨折的优点在于早期稳定的骨折固定，控制了骨折断端旋转，保护了骨折端软组织及血运，骨折愈合时间较短. 但对于不稳定骨折的的治疗尚存在争议1-2，尤其在选择静力固定还是动力固定问题上. 我们通过对不同固定方式治疗不稳定骨折的生物力学性能的对比研究，评价新型髓内钉在不稳定骨折治疗中的作用和力学
3、性能优劣. 1材料和方法 材料实验组为新型股骨髓内钉20套，股骨钉直径9 mm，长度310 mm，原材料及加工制造均来自西北有色金属研究院. 髓内钉对照组为Orthofix进口股骨髓内钉10套，规格与实验组相同; 钢板对照组为AO股骨10孔加压钢板10套. 方法 骨标本收集与骨折内固定模型制备男性健康成人股骨防腐尸骨湿标本40根，随机分左右侧进入不同实验组，分别于小转子顶点至股骨内外髁平面连线中点锯断制成骨折横断模型. 按骨折髓内钉及加压钢板内固定的标准手术操作进行标本的髓内钉及钢板内固定. 在此基础上，将骨折端间隙环形扩大至5 mm，使成不稳定骨折内固定模型3. 固定完成后将标本两端适当修整
4、，用自制圆形夹具夹持，标本与夹具间空隙用自凝牙托粉充满使固定牢靠并保持两端夹具尽量在同一轴线水平. 实验过程股骨实验组20根、髓内钉及钢板对照组各10根骨内固定复合体不稳定骨折模型分别在MTS 880材料测试系统、NJ50B型扭转试验机上进行轴向压缩试验、三点弯曲试验和扭转试验，每一标本测试结束将应变仪归零后测试下一标本. 轴向压缩试验：连续加载方式，加载速度1 mm/min，最大载荷设定为1800 N;三点弯曲试验：连续加载方式，加载速度1 mm/min，最大弯矩设定为 NM，分别测试矢状面的前后弯曲及冠状面的内外弯曲;扭转试验：内旋方向连续行同轴扭转加载，加载速度1度/min，测定扭转刚度
5、和扭转强度. 统计学处理：实验数据以xs表示， 统计学分析中，组间方差齐时，采用方差分析，组间两两比较采用LSDt检验;若组间方差不齐，组间比较则采用非参数秩和检验. 统计软件为SPSS ，为有统计学意义. 2结果 21轴向压缩试验髓内钉对照组由于采用静力性固定，两断端在轴向载荷作用下发生的相互靠近嵌插反应不如实验组明显，实验组抗轴向压缩能力优于钢板对照组，钢板对照组对不稳定骨折的抗轴向压缩能力最差(表1，2).表1不同方式固定股骨干载荷位移变化表2不同方式固定后股骨干载荷应变情况 22三点弯曲试验桡度和应变均随着载荷的增加而增大，加载的初期，桡度的发生主要于钉骨之间的间隙有关. 实验组的抗侧
6、弯性能较髓内钉对照组优良，钢板对照组测试结果最优. 采用髓内钉固定的实验组和对照组，由于骨髓腔呈矢状径长的椭圆形，故而钉骨之间的间隙在矢状位和冠状位不等，导致内外弯曲与前后弯曲抗弯性能出现差异(表36). 表3不同方式固定后股骨干弯矩桡度变化(内外弯曲) 23扭转试验从实验结果可以看出,由于骨折稳定性下降，各组抗扭转性能均有不同程度下降，加压钢板对照组的抗扭转性能最好，实验组居中，髓内钉对照组又次之. 说明静力性固定在不稳定骨折治疗中并不能提高抗扭转稳定性，而新型髓内钉能够满足不稳定骨折防旋转稳定要求，力学测试结果见表7.表5不同方式固定后股骨干弯矩应变变化(内外弯曲)表6不同方式固定后股骨干
7、弯矩应变变化表7不同方式固定后股骨干扭矩扭角/扭转刚度情况（ 3讨论 不同固定方式的生物力学测评对选择骨折固定方式的指导意义加压钢板内固定及髓内钉内固定是治疗不稳定骨折的常用方法. 加压钢板内固定较高的应力遮挡效应使有益于骨折愈合的轴向应力刺激不能作用于骨折局部，容易造成钢板下骨皮质吸收及内固定取出后再骨折4，而且其偏心型的固定方式及明显的手术创伤对骨骼及软组织的血供破坏及生物力学干扰较大5. 力学测试发现，该固定方式较好地抗侧弯及抗扭转性能并不能掩盖其在轴向压缩性能上的缺点，在早期负重情况下，此种早期开始并将持久作用于断端周围的轴向压应力，将大部分被钢板的骨折断端处所承担，而不是转化为骨折断
8、端间有益于刺激骨折愈合的压应力，导致的后果是骨折的移位和短缩，或是钢板的折弯和断裂. 因此，加压钢板内固定不能算作股骨骨折内固定的最佳选择，尤其在不稳定骨折. 髓内钉固定符合骨折内固定的新理论(BO理论)的要求6，尤其是非扩髓髓内钉技术1,7. 对于不稳定骨折采用静力性固定还是动力性固定目前尚存争议的原因是静力性固定与骨延迟愈合或骨不连的矛盾，以及静力性固定动力化后及动力式内交锁髓内钉固定后产生的髓内钉退出、进入关节，旋转对线不良、肢体短缩等并发症无法解决. 本研究发现，虽然髓内钉对照组采用了静力性固定，但随着骨折稳定性的下 降，其固定的生物力学性能亦下降，其较强的抗轴向压缩性能虽能防止发生骨
9、折移位及肢体短缩的风险，但有益于刺激骨愈合的轴向压应力传导将很少通过骨折断端，而是转化为主钉与锁钉间的剪力，增加了断钉的风险. 由于与髓腔的匹配性不如实验组髓内钉好，其抗侧弯及抗旋转性能在不稳定骨折治疗中并未因其静力性固定而得到加强. 在轴向压缩试验中，新型髓内钉的动力加压装置不会产生严重的骨折移位和肢体短缩，相反，却能增加有利于骨折愈合的应力传导，对骨折愈合极为有利. 新型髓内钉结构上的特殊设计，不但能使主钉及锁钉的力学性能增强，减少断钉的发生，动力加压过程中锁钉对主钉滑动的适当限制更能避免髓内钉退出或进入关节等并发症. 新型髓内钉由Ti6Al7Nb材料制成，其耐磨性及耐蚀性均较强，材料本身
10、的优势使因磨损及腐蚀电解导致的力学疲劳及有害元素释放产生的细胞毒性降至最小程度8. 因此，新型髓内钉综合性能优良，可满足股骨不稳定骨折的治疗要求，值得推广使用. 髓内钉形态与骨髓腔形态间的适配性对髓内钉生物力学性能表达的影响在髓内钉的设计和应用中，骨髓腔的长度、狭窄段的形态、髓腔弧度等参数具有重要意义. 尤其是最狭窄点矢状径及冠状径大小，其不但对髓内钉的直径设计起制约作用，更被认为是髓内钉与骨皮质接触的“第二固定点”，可以起到类似交锁螺钉的作用9. 新型髓内钉与国人髓腔匹配性好，这种良好的匹配不但使髓内钉的穿钉及交锁操作变得更加顺畅和准确，也明显影响了其生物力学性能的表达. 在三点弯曲实验中，
11、桡度和应变均随着载荷的增加而增大，加载的初期，桡度的发生主要与钉骨之间的间隙有关. 而股骨最狭窄点髓腔表现为矢状径大、冠状径小的类椭圆形，所以髓内钉的直径设计应以冠状径为参考依据，正是狭窄段髓腔的这种特殊形态使得髓内钉固定后的内外侧弯稳定性较前后侧弯稳定性好. 新型髓内钉弧度与国人股骨髓腔弧度的良好匹配使新型髓内钉获得了更大范围内的钉骨接触面，表现出了较好的抗侧弯及抗旋转能力. 因此，骨髓腔的弧度与狭窄段的形态不但是髓内钉设计的主要参考因素，也是影响髓内钉力学性能表达的重要原因. 【参考文献】 1 冯卫，刘建国交锁髓内钉治疗胫骨骨折研究进展J骨与关节损伤杂志，2001, 16(5)：390-3
12、92. 2 田勇，卡索股骨交锁髓内钉的研究进展J中国矫形外科杂志，2002，10(14): 1423-1424. 3 权毅，张波，廖冬发，等动力性交锁髓内钉的设计及生物力学研究J.中华创伤杂志，2003，19(4)：235-237. 4 王满宜骨折治疗的进展J创伤外科杂志，2004, 6(6): 401-403. 5 姜炳春，高文阁，张贵阳股骨带锁髓内钉治疗股骨干骨折J局解手术学杂志，2005，14：159-160. 6 裴国献，任高宏.21世纪骨科领域的新技术微创外科J.中华创伤骨科杂志, 2002, 4: 89-94. 7 Brynback RJ, Virkus WW. Intramedullary nailing of the femur: Reamed versus nonreamedJ. J Am Acad Orthop Surg, 2000, 8: 83-90. 8 Buly RL. Titanium wear debris in failed cemented total hip arthroplastyJ. J Arthroplasty, 1992, 7(3): 315-323. 9 罗先正，邱贵兴髓内钉内固定M北京：人民卫生出版社，1997: 12-13.
