磷酸钙骨水泥固定桡骨远端骨折的生物力学研究

【摘要】  测试磷酸钙骨水泥（CPC）固定桡骨远端骨折的生物力学效果，为临床应用CPC治疗桡骨远端骨折提供生物力学依据。［方法］18具成人上肢标本(肘关节以下)的桡骨远端制备成骨折伴有骨缺损模型，随机分为3组，分别用克氏针、CPC及CPC联合克氏针固定，在腕关节上垂直施加98N的纵向压缩负荷，并模拟腕关节的掌屈和背伸运动，运动范围为掌屈5°～背伸30°，运动2 000次，每隔500次时测量桡骨远端向桡侧及背侧移位的距离。取2份标本进行CPC弹性模量测试。［结果］克氏针固定组与其他2组固定的骨折移位距离差异具有统计学意义(P<0.05)，而骨水泥固定组及骨水泥强化克氏针固定组间差异无统计学意义(P>0.05)。［结论］CPC对伴有骨缺损的桡骨远端骨折具有良好的固定效果。CPC的弹性模量为30 MPa左右，介于松质骨和密质骨之间。

【关键词】  桡骨远端骨折 生物力学 磷酸钙骨水泥 弹性模量

    Biomechanical  research of calcium  phosphate cement  in  fixating  distal  radius  fractures∥LUO Hua-song，XU Yong-qing，ZENG Li-jun，et al. Center  of  Orthopaedics，Kunming  General  Hospital  of  Chengdu Military Command，Kunming 650032，China

    Abstract：［Objective］To test the biomechanical effects of calcium phosphate  cement  in fixating distal  tadius fractures，and to provid biomechanical foundation for clinical treating distal tadius fractures．［Method］A models of 18 human distal  radius fracture of adult upper limbs  specimen were made and randomly divided  into   three groups：fixed  with Kirschner wire(Kirschner group)，CPC(CPC group)，and CPC   combined with Kirschner wire(combination group)．Wrist  joint was vertically  loaded with 98 N，and  palmar flexion with dorsal  extention motion was  dimulated，which   range of movement was from palmar flexion 5°to dorsal  extention 30° and frequency  was 2000 cycles．Displace data of distal radius were measured by sliding caliper at every 500 cycles, we had tested Young' s modulus of  two samples of  CPC. ［Result］Multiple  factor variance analysis was used,  Kirschner  group and  others   had significantly statistical difference(P<0. 05),but CPC group and CPC combined with Kirschner wire group had not significantly statistical difference(P>0. 05). ［Conclusion］CPC can provide enough fixation strength for distal radius fracture with bone defect and Young' s modulus of CPC is about 30 MPa, which is  between those of cancellous bone and compact bone.

    Key words：radial fracture;  biomechanics;  calcium phosphate cement;  Young's modulus

     桡骨远端骨折是指距桡骨远端关节面3 cm以内的骨折。这个部位是松质骨和密质骨交界处，是解剖学和力学薄弱的地方，一旦受外力容易发生骨折。其发生率约占全身骨折的1／6，多发生于中老年，女性多于男性，若治疗不及时或方法不当，常造成功能障碍和痛苦。

    磷酸钙骨水泥(calcium phosphate cement，  CPC)是在生理条件下具有自固化能力及降解活性、成骨活性的无机材料，是一种良好的骨折内固定和骨填充修复材料，用于治疗桡骨远端骨折具有一定的优势。

    国内对CPC治疗桡骨远端骨折的生物力学研究相对较少［1］，为了探讨CPC固定桡骨远端骨折的可行性，作者对CPC固定桡骨远端骨折的生物力学强度进行测试，并与传统的克氏针固定方法进行比较，为临床应用CPC治疗桡骨远端骨折提供生物力学依据。

    1  材料与方法

    1.1  桡骨远端骨折模型的制备

    术前对所有标本进行腕关节X线片检查和骨密度测定，排除标本畸形和获取骨密度的数据。去除标本的所有软组织，保留骨间膜、腕背膜及腕横韧带的完整性。以桡骨背侧近端2.5 cm处为中心，在远端和近端各0.5 cm以约30°的角度用电摆锯做一个1 cm宽与桡骨长轴垂直楔形截骨，保留掌侧皮质骨完整。去掉背侧楔形骨块后，形成成骨缺损，再用骨刀将掌侧皮质横行截断，保留皮质接触，模拟桡骨远端Colles骨折［2～5］。

    1.2  分组固定

    将18具成人上肢标本（肘关节以下）的桡骨远端骨折模型随机分为3组，各组间骨密度值经方差分析，差异无统计学意义。（1）克氏针组：先将骨折复位，保持掌侧皮质接触，采用2根1.5 mm的克氏针对骨折进行固定。用电钻将1枚克氏针由桡骨茎突穿入近端骨干尺侧，与桡骨干长轴呈60°角，另1枚克氏针由桡骨远端Lister结节穿入近端骨干，经掌侧穿出，与桡骨背侧面呈60°角。将桡骨远端骨折块与近端骨干固定；(2)CPC组：将骨折复位后，保持掌侧皮质接触，随后将CPC的固相粉末与液相调和液按比例混合(上海瑞邦生物材料有限公司提供)，按4 g/cm3的浓度快速将骨水泥填充入骨缺损处，注意保持骨折块的稳定，不要发生位置的移动，10 min后待骨水泥初步固化后方可移动；(3)CPC联合克氏针固定组：先将骨折块复位经克氏针固定后，再用CPC填充骨缺损。

    以上各组标本经过固定后，摄X线片检查，了解复位固定情况，然后均放置于100％湿度、37℃环境中24 h后取出，进行生物力学测试。

    1.3   生物力学测试

    1.3.1   桡骨远端骨折桡侧和背侧移位距离测试

    将标本的远端在掌指关节处离断，近端在肘关节下5 cm处离断，远近两端分别用自凝牙托粉包埋［6，7］，待其固化后取出固定于生物力学测试机上进行生物力学测试。在腕关节上垂直施加98 N［8］的纵向压缩负荷，于生物力学测试机上设定好运动频率参数并模拟腕关节的掌屈和背伸运动，运动范围为掌屈5°～背伸30°［9，10］，运动2 000次［11］。在桡骨远端骨折处分别于桡侧和背侧固定2根1 mm的钢针，用作测量骨折位移的标志点。用电子游标卡尺(精度为0.01 mm)分别于活动100、500、1 500、2 000次时测量标志点间的距离。记录移位数据并统计3组标本间的差异。

    1.3.2  CPC弹性模量测试

    取2份CPC粉末和液体调和后置入5 ml注射器内，震荡使其分布均匀严实，待其自然固化。24 h后取出，用电子游标卡尺测定CPC圆柱体的直径、高度，然后置入生物力学测试机持续施加纵向压缩负荷，待骨水泥圆柱体结构出现松动、裂隙时停止测试，用电子游标卡尺测量压缩后的圆柱体高度，记录加载的负荷值，运用应力／应变公式计算出该材料的弹性模量［12，13］。

    1.4  统计学分析

    桡骨远端桡侧和背侧移位距离数据用±s表示，采用SPSS 13.0软件包进行处理，重复测量多因素方差分析，P=0.05。

    2  结  果

    2.1  桡骨远端桡侧和背侧移位的数据（表1、2）。表1  桡骨远端桡侧移位距离表2  桡骨远端背侧移位距离

    各组于不同的运动频率时比较，桡骨远端桡侧移位距离和背侧移位距离P>0.05，差异无统计学意义。单纯克氏针组与单纯骨水泥组，单纯克氏针组与骨水泥强化克氏针组桡骨远端桡侧和背侧移位距离比较P<0.05，差异具有统计学意义，而单纯骨水泥组与骨水泥强化克氏针组桡骨远端桡侧及背侧移位距离比较P>0.05，差异无统计学意义。表3  CPC弹性模量测试值

    2例标本所测得的CPC的弹性模量值介于松质骨和密质骨之间，可以对桡骨远端骨折所造成的骨质塌陷起到很好的填充作用。

　　3  讨  论

    在患者条件允许下，桡骨远端骨折的治疗目标应该是良好的复位，避免进一步的组织损伤以及提供临时稳定的固定直至骨折愈合。近年来，随着科学技术的发展和人们对腕部生物力学及解剖知识的了解，治疗观念不断更新，治疗手段不断完善。对于严重的粉粹性骨折、骨质疏松的患者，骨折处骨缺损严重，传统的治疗方法有较高的再次移位及畸形愈合的发生，很难获得比较满意的效果。

    近年来兴起的CPC用于桡骨远端骨折内固定具有以下优点：（1）稳定骨折块；（2）填充因骨折造成的骨质塌陷；（3）增强其他内固定器材的固定作用；（4）具有可吸收性，并诱导成骨作用，骨折愈合后不用2次手术取出CPC，是治疗桡骨远端骨折的一个新选择。

    作者在对CPC固定桡骨远端骨折的生物力学研究中发现，在腕关节的日常活动范围内 (掌屈5°～背伸30°)，运动2 000次、加载轴向压缩负荷98 N的情况下，桡骨远端桡侧及背侧移位距离与腕关节的运动频率的增加无必然的联系。CPC及CPC强化克氏针固定桡骨远端骨折的稳定性明显优于单纯克氏针固定，同时作者还发现，CPC与CPC强化克氏针比较无统计学意义，说明在治疗桡骨远端骨折时CPC既可以单独使用，也可以联合克氏针使用。CPC的抗压强度介于松质骨和皮质骨之间，可以对骨缺损起到很好的填充作用。由于CPC抗剪切强度较小，对于抵抗前臂的旋转应力的固定效果还需要进一步的研究。

    总之，本研究的生物力学试验结果表明，CPC对于伴有骨缺损的桡骨远端骨折具有较好的固定作用，可以单独或者是联合其它内固定材料用于桡骨远端骨折的治疗，以达到最佳的治疗效果。作者相信，随着新材料科学的发展和各种复合成分的研究，CPC的性能将不断完善，并有望成为一种理想的骨折内固定和骨缺损修复材料。

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作者单位：成都军区昆明总医院全军骨科中心， 昆明 650032