成角鎖定鋼板治療肱骨干骨折的生物力學研究

成角鎖定鋼板治療肱骨干骨折的生物力學研究

［摘要］目的對采用成角鎖定鋼板治療肱骨干骨折的生物力學性能進行實驗研究，為臨床應用提供可靠的理論依據(jù)。方法采用8具新鮮的成人肱骨標本進行實驗應力分析，比較成角鎖定鋼板和傳統(tǒng)LC-DCP鋼板固定肱骨中段骨折在不同載荷下的強度、剛度和穩(wěn)定性的差異性以及應力遮擋的結果。結果成角鎖定鋼板的一系列生物力學性能優(yōu)于傳統(tǒng)LC-DCP鋼板，在強度、剛度、應力遮擋率上具有較大的優(yōu)勢，兩者均差異有顯著性。結論成角鎖定鋼板在治療肱骨等四肢長骨骨折方面，優(yōu)于傳統(tǒng)LC-DCP鋼板。成角鎖定鋼板不但結構合理，而且符合生物力學內固定原理，臨床上可推廣應用。

［關鍵詞］肱骨骨折；生物力學；骨折固定術

Biomechanicalstudyofcornerlockplateintreatmentofhumeralfracture

［Abstract］ObjectiveToelucidatethebiomechanicalfoundationofcornerlockAnalyzethebiomechanicalstabilityofthefixedhumeralfracturewithcornerlockplateandLC-DCPplatebythreemethods:tensiontest，bendingtestandtorsionFromthreetestsabove，therelationofload-straining，load-migration，bendingmoment-deflection，torsionmoment-torsionangleweredrew，bothofresultsshowstatisticalsignificantInternalfixationofhumeralfracturewithcornerlockplatecouldhavegoodbiomechanicalstability.

［Keywords］humeralfractures;biomechanics;fracturefixation

對移位的長骨骨折治療，目前已發(fā)展了新的固定鋼板，如LC-DCP鋼板、點接觸鋼板、LISS及最新的LCP鋼板等，提出生物學固定的理論，指出鎖定鋼板具有較高的優(yōu)越性［1］。但LISS、LCP等鎖定鋼板也存在精確操作困難、松動等問題［2］。為此，根據(jù)臨床實踐，設計了鈦制成角鎖定鋼板，依靠螺釘之間成角來鎖定鋼板、固定骨折。這種鋼板制作工藝簡單、操作方便、三維固定牢靠、手術創(chuàng)傷少。本文從生物力學角度來探討成角鎖定鋼板內固定的作用及在治療肱骨骨折上的生物力學特征，以積累基礎理論依據(jù)，為臨床服務。

1材料與方法

標本的制備與分組采用8具成人新鮮的肱骨干標本，解剖后分別剔除所有軟組織，兩端用骨水泥包埋固定，測量標本的尺寸，然后分組，隨機取樣，將標本分為成角鎖定鋼板。儀器設備

成角鎖定鋼板成角鎖定鋼板使用鈦合金制作，是一種成角鎖定鋼板，由長條形的接骨用鋼板和螺釘構成，鋼板在縱向相隔設有若干個螺釘孔，而且螺釘孔的中心線與鋼板內表面中心線成一定角度，螺釘孔依次相互交錯。螺釘為半螺紋自攻螺釘，螺釘光桿處直徑和螺紋直徑相同，且和螺釘孔直徑相同。成角鎖定鋼板鎖定原理見圖4。本實驗使用8孔鋼板，孔距和LC-DCP鋼板相等。傳統(tǒng)LC-DCP鋼板為8孔鈦合金鋼板。圖1成角鎖定鋼板俯視圖

圖2鋼板螺孔剖視圖

圖3螺釘主視圖圖4鋼板鎖定原理示意圖

力學測試儀器力學測試采用WE-10A液壓萬能材料實驗機(紅山實驗機廠)以及YJ-29型靜態(tài)電阻應變演示儀(上海華東電子儀器廠)扭角儀、高精度數(shù)顯光柵位移測微器(KG-101，精度1‰)、電阻應變片(上海應變片廠常溫應變片)，502膠(上海新光化工廠)，703粘合劑單組分硫化硅橡膠。

實驗組與對照組固定方法

肱骨中段骨折模型的制作測量肱骨全長，定出中點位置后以線鋸垂直于骨干長軸截斷肱骨。

骨折固定傳統(tǒng)LC-DCP鋼板固定組：使用鈦合金8孔鋼板，依照標準AO固定技術加壓固定肱骨骨折，骨折兩端各使用3枚螺釘固定，中間鋼板兩孔不固定。成角鎖定鋼板組：先用2枚螺釘固定骨折一端后，在另一端鉆一小孔，使用大巾鉗使骨折端加壓后，再用螺釘固定骨折另一端，同樣骨折兩端各使用3枚螺釘固定，中間鋼板兩孔不固定。

實驗力學模型的建立所有標本在結構、載荷、高度、力學性質、貼片技術與位置等方面均保持一致，以提高測量精度，精心制作實驗力學模型。根據(jù)肱骨的受力情況確定實驗載荷。肱骨上舉屈伸運動時載荷一般在400～800N左右，提物、支撐運動時載荷一般在500N左右，用手推拉時載荷一般在300～650N左右。據(jù)此在本實驗中最大軸向載荷設計在1000N范圍以內，以確保在生理運動范圍內受力狀態(tài)。由于肱骨的熱傳導性較差，且有有機質滲出，故應選擇相應良好溫度特性的片子，并進行溫度補償，并要求在零漂、機械滯后、疲勞壽命、絕緣電阻好的片子上。在模型中部位置上粘貼電阻應變片，采用高精度小標距應變片［R＝％，K＝％，1mm×1mm］。粘貼應變片時應遵循實驗力學要求，操作規(guī)范。關于位移到測量，采用高精度數(shù)顯光柵位移測微器(KG-101，精度1‰)測量。

實驗測量將肱骨標本固定在特殊的夾具內，安裝好載荷，位移，應變傳感器，連接好所有導線，調正儀表，進行預加載100N，以消除骨的松弛、蠕變等時間效應影響，再進行軸向拉壓實驗、彎曲實驗和扭轉實驗。實驗機加載速率控制在/min之內，實行分級加載，相應記錄應變、位移等力學數(shù)據(jù)。為了提高精度，標本應多次重復測量。

數(shù)據(jù)處理對所有實驗數(shù)據(jù)首先以線性回歸，方差分析，經(jīng)最小二乘法加以處理，再按數(shù)理統(tǒng)計加以篩檢，計算相關參數(shù)，Student’sT檢驗，并用Chaurent判斷進行精度分析與誤差分析。所有計算采用軟件在微機上處理。

2結果

肱骨軸向壓縮實驗

肱骨中段骨折內固定的應變根據(jù)所有標本的拉伸實驗測量，可得到骨折斷端應變值。載荷、應變值結果見表1。在生理載荷作用下，肱骨上的載荷－應變關系基本上呈線形變化，卸載后可恢復原狀。肱骨斷端兩側的應變均為壓應變，應變越小說明器械固定越牢，肱骨軸向穩(wěn)定。1000N時采用成角鎖定鋼板固定的應變小于LC-DCP鋼板固定，兩者相比相差%，統(tǒng)計顯示差異有顯著性。由此可見采用成角鎖定鋼板固定占有一定優(yōu)勢。表1兩種形式鋼板固定載荷－應變關系

肱骨中段骨折內固定的位移兩種形式鋼板固定載荷－位移關系見表2。在生理載荷作用下，肱骨上的載荷－位移關系基本上呈線形變化，卸載后可恢復原狀。肱骨斷端兩側的位移在1000N時采用成角鎖定鋼板固定的位移為，LC-DCP鋼板固定位移為，兩者相比相差10%，統(tǒng)計顯示差異有顯著性。由此可見采用成角鎖定鋼板固定比較牢固，位移很小。

表2兩種形式鋼板固定載荷－位移關系(n=6，±s，mm)

彎曲實驗

肱骨彎距－彎曲應變關系肱骨骨折進行彎曲實驗，兩者不同形式的鋼板固定在張力側，安置在實驗機，中間加負荷，形成三點彎曲實驗。給所有標本測試，得到的結果見表3。肱骨骨折采用成角鎖定鋼板在最大生理負荷彎矩6N·m作用下，其在肱骨斷端上產(chǎn)生108με，低于LC-DCP鋼板在相同負荷產(chǎn)生的120με，兩者相差10%，差異有顯著性。結果顯示成角鎖定鋼板抗彎曲能力強。表3兩種形式鋼板固定彎矩－彎曲應變關系

肱骨彎矩－橈度關系在彎曲載荷作用下，在肱骨骨折斷端會產(chǎn)生向下位移，即彎曲橈度，其測量結果見表4。肱骨骨折采用成角鎖定鋼板在最大生理負荷彎矩6N·m作用下，其在肱骨斷端上產(chǎn)生，同樣低于LC-DCP鋼板在相同負荷產(chǎn)生的，兩者相差13%，差異有顯著性。再次證明成角鎖定鋼板抗彎曲能力強。表4兩種不同形式鋼板固定彎矩－彎曲橈度關系

肱骨骨折固定的扭轉力學特性

肱骨骨折兩種內固定時扭矩－扭角變化肱骨骨折兩種形式鋼板固定，根據(jù)所有標本的實驗測到的扭矩－扭角關系結果見表5。表5兩種不同形式鋼板固定扭矩－扭轉變形關系

結果分析扭矩－扭角關系變化因肱骨變斷面，其變化呈非線性變化，在扭矩·m之后才成線性變化。在等量線載荷·m作用下，其成角鎖定鋼板扭角為°，LC-DCP鋼板扭角為°，分別相差12%，統(tǒng)計顯示差異有顯著性。說明成角鎖定鋼板抗扭轉變形能力大于LC-DCP鋼板。在等量扭轉變形°/cm時，其成角鎖定鋼板扭矩為·m，LC-DCP鋼板扭矩為·m，分別相差11%，統(tǒng)計顯示，差異亦有顯著性。其成角鎖定鋼板承受扭矩大、扭轉強度高。

應力遮擋效應實驗這里所謂應力遮擋是指肱骨在不同器械固定下，應力傳導被器械承擔了，而骨上的應力被減少，這種現(xiàn)象被稱為應力遮擋效應。從力學觀點，應力遮擋是鋼板和肱骨組合構件應力的重分配，它同組合構件形式材料性質有關。根據(jù)所有標本的實驗測到的結果見表6。A側為鋼板側，B側為鋼板對側。成角鎖定鋼板的應力遮擋率在1000N時A側為34%，B側為19%，而LC-DCP鋼板和肱骨接觸緊密，因而A側為43%，B側為25%。兩種不同形式鋼板固定應力遮擋率分別在A、B側相差21%和24%，差異有顯著性。說明成角鎖定鋼板不直接和肱骨皮質接觸，應力遮擋效應小。表6兩種不同形式鋼板固定應力遮擋率比較

3討論

成角鎖定鋼板，由長條形的接骨用鋼板和半螺紋自攻螺釘構成，鋼板與螺釘孔成一定角度，螺釘孔依次相互交錯。其固定骨折原理不再是通過接骨板與骨的摩擦阻力原理達到固定作用，而是通過相互交錯成角度螺釘和鋼板之間內鎖定來固定骨折。因為外科專家的測試結果表明每枚螺釘擰緊時產(chǎn)生大約2000～3000N的軸向加壓力。活體骨上的在體測量的結果表明，加壓力在幾個月內逐漸減弱，說明螺釘?shù)募訅毫S持的時間比骨折愈合要長［3］。依靠螺釘擰緊時產(chǎn)生的軸向加壓力足夠來相互和鋼板鎖定。

從一系列的實驗結果顯示，成角鎖定鋼板的生物力學性能十分優(yōu)越，其抗壓、抗彎、抗扭力學性能優(yōu)于LC-DCP鋼板。它不但承載能力大，而且軸向穩(wěn)定性好，它有較大的強度裕度，安全穩(wěn)定。其次它的應力遮擋小，斷端固定牢固，傳導力合理，有利于骨痂生長。

LC-DCP鋼板是低接觸性接骨板的設計。但是，低接觸性接骨板的固定仍必須有壓力施加在皮質骨上［4］。螺釘將接骨板固定在皮質骨上的壓力造成接骨板下皮質骨血流障礙［5］。而成角鎖定鋼板是靠螺釘和鋼板成角鎖定，鋼板對骨皮質沒有接觸或沒有壓力，鋼板對接骨板下皮質骨血流影響降到最低限度。

傳統(tǒng)螺釘由于其螺柱較細而抗彎曲的能力相對較弱。只需加粗柱直徑30%，就可以提高抗彎曲能力3倍。有鑒于此，成角鎖定鋼板螺釘使用自攻桿螺釘，大部分螺柱為，絲牙處螺柱為，柱直徑適當增大，增加了抗彎能力。

在動態(tài)載荷影響下，如果內固定螺釘在體內放置好的話，螺釘?shù)乃蓜又皇怯陕菁y和骨之間界面的微動所引起［6］，這種由骨的再吸收所造成的松動見于較低的軸向壓力，常見于外固定支架中的螺釘松動［7］。穩(wěn)定的堅強固定不會在界面上產(chǎn)生骨吸收［8］。成角鎖定鋼板螺釘螺紋能和骨皮質產(chǎn)生較高的軸向壓力，螺紋和骨皮質結合牢固，不易產(chǎn)生螺釘松動。［參考文獻］

1張長青，蘇琰，曾炳芳.肱骨近端鎖定接骨板治療肱骨近端骨折的臨床分析及手術技巧.中華手外科雜志，2005，5:262-264.

2紀方，楊鐵毅，王銘春，等.MIPPO技術治療肱骨骨折的解剖學分析及初步應用報告.中華創(chuàng)傷骨科雜志，2005，12:1128-1131.

3BlumleinH，CordeyJ，SchneiderU，etmeasunementoftheaxialforceofbonescrewsinOrthopTech，1978，1:17-19.

4王欣，張世民，俞光榮，等.四肢長管骨鋼板內固定后再骨折的原因分析.中國矯形外科雜志，2