成角鎖定鋼板治療肱骨干骨折的生物力學(xué)研究

成角鎖定鋼板治療肱骨干骨折的生物力學(xué)研究

［摘要］目的對(duì)采用成角鎖定鋼板治療肱骨干骨折的生物力學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為臨床應(yīng)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(biāo)本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)應(yīng)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(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的差異性以及應(yīng)力遮擋的結(jié)果。結(jié)果成角鎖定鋼板的一系列生物力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)LC-DCP鋼板，在強(qiáng)度、剛度、應(yīng)力遮擋率上具有較大的優(yōu)勢(shì)，兩者均差異有顯著性。結(jié)論成角鎖定鋼板在治療肱骨等四肢長(zhǎng)骨骨折方面，優(yōu)于傳統(tǒng)LC-DCP鋼板。成角鎖定鋼板不但結(jié)構(gòu)合理，而且符合生物力學(xué)內(nèi)固定原理，臨床上可推廣應(yīng)用。

［關(guān)鍵詞］肱骨骨折；生物力學(xué)；骨折固定術(shù)

Biomechanicalstudyofcornerlockplateintreatmentofhumeralfracture

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

［Keywords］humeralfractures;biomechanics;fracturefixation

對(duì)移位的長(zhǎng)骨骨折治療，目前已發(fā)展了新的固定鋼板，如LC-DCP鋼板、點(diǎn)接觸鋼板、LISS及最新的LCP鋼板等，提出生物學(xué)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(dòng)等問(wèn)題［2］。為此，根據(jù)臨床實(shí)踐，設(shè)計(jì)了鈦制成角鎖定鋼板，依靠螺釘之間成角來(lái)鎖定鋼板、固定骨折。這種鋼板制作工藝簡(jiǎn)單、操作方便、三維固定牢靠、手術(shù)創(chuàng)傷少。本文從生物力學(xué)角度來(lái)探討成角鎖定鋼板內(nèi)固定的作用及在治療肱骨骨折上的生物力學(xué)特征，以積累基礎(chǔ)理論依據(jù)，為臨床服務(wù)。

1材料與方法

標(biāo)本的制備與分組采用8具成人新鮮的肱骨干標(biāo)本，解剖后分別剔除所有軟組織，兩端用骨水泥包埋固定，測(cè)量標(biāo)本的尺寸，然后分組，隨機(jī)取樣，將標(biāo)本分為成角鎖定鋼板。儀器設(shè)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(zhǎng)條形的接骨用鋼板和螺釘構(gòu)成，鋼板在縱向相隔設(shè)有若干個(gè)螺釘孔，而且螺釘孔的中心線與鋼板內(nèi)表面中心線成一定角度，螺釘孔依次相互交錯(cuò)。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(jiàn)圖4。本實(shí)驗(yàn)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(xué)測(cè)試儀器力學(xué)測(cè)試采用WE-10A液壓萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)(紅山實(shí)驗(yàn)機(jī)廠)以及YJ-29型靜態(tài)電阻應(yīng)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(cè)微器(KG-101，精度1‰)、電阻應(yīng)變片(上海應(yīng)變片廠常溫應(yīng)變片)，502膠(上海新光化工廠)，703粘合劑單組分硫化硅橡膠。

實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組固定方法

肱骨中段骨折模型的制作測(cè)量肱骨全長(zhǎng)，定出中點(diǎn)位置后以線鋸垂直于骨干長(zhǎng)軸截?cái)嚯殴恰?/p>

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(biāo)準(zhǔn)AO固定技術(shù)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(shí)驗(yàn)力學(xué)模型的建立所有標(biāo)本在結(jié)構(gòu)、載荷、高度、力學(xué)性質(zhì)、貼片技術(shù)與位置等方面均保持一致，以提高測(cè)量精度，精心制作實(shí)驗(yàn)力學(xué)模型。根據(jù)肱骨的受力情況確定實(shí)驗(yàn)載荷。肱骨上舉屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)載荷一般在400～800N左右，提物、支撐運(yùn)動(dòng)時(shí)載荷一般在500N左右，用手推拉時(shí)載荷一般在300～650N左右。據(jù)此在本實(shí)驗(yàn)中最大軸向載荷設(shè)計(jì)在1000N范圍以內(nèi)，以確保在生理運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)受力狀態(tài)。由于肱骨的熱傳導(dǎo)性較差，且有有機(jī)質(zhì)滲出，故應(yīng)選擇相應(yīng)良好溫度特性的片子，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并要求在零漂、機(jī)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(yīng)變片，采用高精度小標(biāo)距應(yīng)變片［R＝％，K＝％，1mm×1mm］。粘貼應(yīng)變片時(shí)應(yīng)遵循實(shí)驗(yàn)力學(xué)要求，操作規(guī)范。關(guān)于位移到測(cè)量，采用高精度數(shù)顯光柵位移測(cè)微器(KG-101，精度1‰)測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量將肱骨標(biāo)本固定在特殊的夾具內(nèi)，安裝好載荷，位移，應(yīng)變傳感器，連接好所有導(dǎo)線，調(diào)正儀表，進(jìn)行預(yù)加載100N，以消除骨的松弛、蠕變等時(shí)間效應(yīng)影響，再進(jìn)行軸向拉壓實(shí)驗(yàn)、彎曲實(shí)驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)機(jī)加載速率控制在/min之內(nèi)，實(shí)行分級(jí)加載，相應(yīng)記錄應(yīng)變、位移等力學(xué)數(shù)據(jù)。為了提高精度，標(biāo)本應(yīng)多次重復(fù)測(cè)量。

數(shù)據(jù)處理對(duì)所有實(shí)驗(yàn)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(jì)加以篩檢，計(jì)算相關(guān)參數(shù)，Student’sT檢驗(yàn)，并用Chaurent判斷進(jìn)行精度分析與誤差分析。所有計(jì)算采用軟件在微機(jī)上處理。

2結(jié)果

肱骨軸向壓縮實(shí)驗(yàn)

肱骨中段骨折內(nèi)固定的應(yīng)變根據(jù)所有標(biāo)本的拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)量，可得到骨折斷端應(yīng)變值。載荷、應(yīng)變值結(jié)果見(jiàn)表1。在生理載荷作用下，肱骨上的載荷－應(yīng)變關(guān)系基本上呈線形變化，卸載后可恢復(fù)原狀。肱骨斷端兩側(cè)的應(yīng)變均為壓應(yīng)變，應(yīng)變?cè)叫≌f(shuō)明器械固定越牢，肱骨軸向穩(wěn)定。1000N時(shí)采用成角鎖定鋼板固定的應(yīng)變小于LC-DCP鋼板固定，兩者相比相差%，統(tǒng)計(jì)顯示差異有顯著性。由此可見(jiàn)采用成角鎖定鋼板固定占有一定優(yōu)勢(shì)。表1兩種形式鋼板固定載荷－應(yīng)變關(guān)系

肱骨中段骨折內(nèi)固定的位移兩種形式鋼板固定載荷－位移關(guān)系見(jiàn)表2。在生理載荷作用下，肱骨上的載荷－位移關(guān)系基本上呈線形變化，卸載后可恢復(fù)原狀。肱骨斷端兩側(cè)的位移在1000N時(shí)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(jì)顯示差異有顯著性。由此可見(jiàn)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(guān)系(n=6，±s，mm)

彎曲實(shí)驗(yàn)

肱骨彎距－彎曲應(yīng)變關(guān)系肱骨骨折進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)，兩者不同形式的鋼板固定在張力側(cè)，安置在實(shí)驗(yàn)機(jī)，中間加負(fù)荷，形成三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。給所有標(biāo)本測(cè)試，得到的結(jié)果見(jiàn)表3。肱骨骨折采用成角鎖定鋼板在最大生理負(fù)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(fù)荷產(chǎn)生的120με，兩者相差10%，差異有顯著性。結(jié)果顯示成角鎖定鋼板抗彎曲能力強(qiáng)。表3兩種形式鋼板固定彎矩－彎曲應(yīng)變關(guān)系

肱骨彎矩－橈度關(guān)系在彎曲載荷作用下，在肱骨骨折斷端會(huì)產(chǎn)生向下位移，即彎曲橈度，其測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。肱骨骨折采用成角鎖定鋼板在最大生理負(fù)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(fù)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(qiáng)。表4兩種不同形式鋼板固定彎矩－彎曲橈度關(guān)系

肱骨骨折固定的扭轉(zhuǎn)力學(xué)特性

肱骨骨折兩種內(nèi)固定時(shí)扭矩－扭角變化肱骨骨折兩種形式鋼板固定，根據(jù)所有標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)測(cè)到的扭矩－扭角關(guān)系結(jié)果見(jiàn)表5。表5兩種不同形式鋼板固定扭矩－扭轉(zhuǎn)變形關(guān)系

結(jié)果分析扭矩－扭角關(guān)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(jì)顯示差異有顯著性。說(shuō)明成角鎖定鋼板抗扭轉(zhuǎn)變形能力大于LC-DCP鋼板。在等量扭轉(zhuǎn)變形°/cm時(shí)，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(jì)顯示，差異亦有顯著性。其成角鎖定鋼板承受扭矩大、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度高。

應(yīng)力遮擋效應(yīng)實(shí)驗(yàn)這里所謂應(yīng)力遮擋是指肱骨在不同器械固定下，應(yīng)力傳導(dǎo)被器械承擔(dān)了，而骨上的應(yīng)力被減少，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為應(yīng)力遮擋效應(yīng)。從力學(xué)觀點(diǎn)，應(yīng)力遮擋是鋼板和肱骨組合構(gòu)件應(yīng)力的重分配，它同組合構(gòu)件形式材料性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)所有標(biāo)本的實(shí)驗(yàn)測(cè)到的結(jié)果見(jiàn)表6。A側(cè)為鋼板側(cè)，B側(cè)為鋼板對(duì)側(cè)。成角鎖定鋼板的應(yīng)力遮擋率在1000N時(shí)A側(cè)為34%，B側(cè)為19%，而LC-DCP鋼板和肱骨接觸緊密，因而A側(cè)為43%，B側(cè)為25%。兩種不同形式鋼板固定應(yīng)力遮擋率分別在A、B側(cè)相差21%和24%，差異有顯著性。說(shuō)明成角鎖定鋼板不直接和肱骨皮質(zhì)接觸，應(yīng)力遮擋效應(yīng)小。表6兩種不同形式鋼板固定應(yīng)力遮擋率比較

3討論

成角鎖定鋼板，由長(zhǎng)條形的接骨用鋼板和半螺紋自攻螺釘構(gòu)成，鋼板與螺釘孔成一定角度，螺釘孔依次相互交錯(cuò)。其固定骨折原理不再是通過(guò)接骨板與骨的摩擦阻力原理達(dá)到固定作用，而是通過(guò)相互交錯(cuò)成角度螺釘和鋼板之間內(nèi)鎖定來(lái)固定骨折。因?yàn)橥饪茖?zhuān)家的測(cè)試結(jié)果表明每枚螺釘擰緊時(shí)產(chǎn)生大約2000～3000N的軸向加壓力?；铙w骨上的在體測(cè)量的結(jié)果表明，加壓力在幾個(gè)月內(nèi)逐漸減弱，說(shuō)明螺釘?shù)募訅毫S持的時(shí)間比骨折愈合要長(zhǎng)［3］。依靠螺釘擰緊時(shí)產(chǎn)生的軸向加壓力足夠來(lái)相互和鋼板鎖定。

從一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，成角鎖定鋼板的生物力學(xué)性能十分優(yōu)越，其抗壓、抗彎、抗扭力學(xué)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(qiáng)度裕度，安全穩(wěn)定。其次它的應(yīng)力遮擋小，斷端固定牢固，傳導(dǎo)力合理，有利于骨痂生長(zhǎng)。

LC-DCP鋼板是低接觸性接骨板的設(shè)計(jì)。但是，低接觸性接骨板的固定仍必須有壓力施加在皮質(zhì)骨上［4］。螺釘將接骨板固定在皮質(zhì)骨上的壓力造成接骨板下皮質(zhì)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(duì)骨皮質(zhì)沒(méi)有接觸或沒(méi)有壓力，鋼板對(duì)接骨板下皮質(zhì)骨血流影響降到最低限度。

傳統(tǒng)螺釘由于其螺柱較細(xì)而抗彎曲的能力相對(duì)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(dāng)增大，增加了抗彎能力。

在動(dòng)態(tài)載荷影響下，如果內(nèi)固定螺釘在體內(nèi)放置好的話，螺釘?shù)乃蓜?dòng)只是由螺紋和骨之間界面的微動(dòng)所引起［6］，這種由骨的再吸收所造成的松動(dòng)見(jiàn)于較低的軸向壓力，常見(jiàn)于外固定支架中的螺釘松動(dòng)［7］。穩(wěn)定的堅(jiān)強(qiáng)固定不會(huì)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(zhì)產(chǎn)生較高的軸向壓力，螺紋和骨皮質(zhì)結(jié)合牢固，不易產(chǎn)生螺釘松動(dòng)。［參考文獻(xiàn)］

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