成角锁定钢板治疗肱骨干骨折的生物力学研究

　［摘要］  目的  对采用成角锁定钢板治疗肱骨干骨折的生物力学性能进行实验研究，为临床应用提供可靠的理论依据。方法  采用8具新鲜的成人肱骨标本进行实验应力分析，比较成角锁定钢板和传统LC-DCP钢板固定肱骨中段骨折在不同载荷下的强度、刚度和稳定性的差异性以及应力遮挡的结果。结果  成角锁定钢板的一系列生物力学性能优于传统LC-DCP钢板，在强度、刚度、应力遮挡率上具有较大的优势，两者均差异有显著性（P<0.05）。结论  成角锁定钢板在治疗肱骨等四肢长骨骨折方面，优于传统LC-DCP钢板。成角锁定钢板不但结构合理，而且符合生物力学内固定原理，临床上可推广应用。

    ［关键词］  肱骨骨折；生物力学；骨折固定术

     Biomechanical study of corner lock plate in treatment of humeral fracture

    QI Shan-hong，WANG Yi-jin.Tinglin Hospital of Jinshan District,Shanghai 201505,China

    ［Abstract］  Objective  To elucidate the biomechanical foundation of corner lock plate.Methods  Analyze the biomechanical stability of the fixed humeral fracture with corner lock plate and LC-DCP plate by three methods:tension test,bending test and torsion test.Results  From three tests above，the relation of load-straining,load-migration,bending moment-deflection,torsion moment-torsion angle were drew，both of results show  statistical significant deviation.Conclusion  Internal fixation of humeral fracture with corner lock plate could have good biomechanical stability.

    ［Key words］  humeral fractures;biomechanics;fracture fixation

    对移位的长骨骨折治疗，目前已发展了新的固定钢板，如LC-DCP钢板、点接触钢板、LISS及最新的LCP钢板等，提出生物学固定（BO）的理论，指出锁定钢板具有较高的优越性［1］。但LISS、LCP等锁定钢板也存在精确操作困难、松动等问题［2］。为此，根据临床实践，设计了钛制成角锁定钢板（已申请专利），依靠螺钉之间成角来锁定钢板、固定骨折。这种钢板制作工艺简单、操作方便、三维固定牢靠、手术创伤少。本文从生物力学角度来探讨成角锁定钢板内固定的作用及在治疗肱骨骨折上的生物力学特征，以积累基础理论依据，为临床服务。

    1  材料与方法

    1.1  标本的制备与分组  采用8具成人新鲜的肱骨干标本，解剖后分别剔除所有软组织，两端用骨水泥包埋固定，测量标本的尺寸，然后分组，随机取样，将标本分为成角锁定钢板。1.2  仪器设备

    1.2.1  成角锁定钢板  成角锁定钢板使用钛合金制作，是一种成角锁定钢板，由长条形的接骨用钢板和螺钉构成，钢板在纵向相隔设有若干个螺钉孔（见图1），而且螺钉孔的中心线与钢板内表面中心线成一定角度，螺钉孔依次相互交错（见图2）。螺钉为半螺纹自攻螺钉，螺钉光杆处直径和螺纹直径相同，且和螺钉孔直径相同（见图3）。成角锁定钢板锁定原理见图4。本实验使用8孔钢板，孔距和LC-DCP钢板相等。传统LC-DCP钢板为8孔钛合金钢板。

    1.2.2  力学测试仪器  力学测试采用WE-10A液压万能材料实验机(红山实验机厂)以及YJ-29型静态电阻应变演示仪(上海华东电子仪器厂)扭角仪、高精度数显光栅位移测微器(KG-101，精度1‰)、电阻应变片(上海应变片厂常温应变片)，502胶(上海新光化工厂)，703粘合剂单组分硫化硅橡胶（江苏无锡胶粘剂厂）。

    1.3  实验组与对照组固定方法

    1.3.1  肱骨中段骨折模型的制作  测量肱骨全长，定出中点位置后以线锯垂直于骨干长轴截断肱骨。

    1.3.2  骨折固定  传统LC-DCP钢板固定组：使用钛合金8孔钢板，依照标准AO固定技术加压固定肱骨骨折，骨折两端各使用3枚螺钉固定，中间钢板两孔不固定。成角锁定钢板组：先用2枚螺钉固定骨折一端后，在另一端钻一小孔，使用大巾钳使骨折端加压后，再用螺钉固定骨折另一端，同样骨折两端各使用3枚螺钉固定，中间钢板两孔不固定。

    1.4  实验力学模型的建立  所有标本在结构、载荷、高度、力学性质、贴片技术与位置等方面均保持一致，以提高测量精度，精心制作实验力学模型。根据肱骨的受力情况确定实验载荷。肱骨上举屈伸运动时载荷一般在400～800N左右，提物、支撑运动时载荷一般在500N左右，用手推拉时载荷一般在300～650N左右。据此在本实验中最大轴向载荷设计在1000N范围以内，以确保在生理运动范围内受力状态。由于肱骨的热传导性较差，且有有机质渗出，故应选择相应良好温度特性的片子，并进行温度补偿，并要求在零漂、机械滞后、疲劳寿命、绝缘电阻好的片子上。在模型中部位置上粘贴电阻应变片，采用高精度小标距应变片［R＝（120±0.5）％，K＝（2.16±0.5）％，1mm×1mm］。粘贴应变片时应遵循实验力学要求，操作规范。关于位移到测量，采用高精度数显光栅位移测微器(KG-101，精度1‰)测量。

    1.5  实验测量  将肱骨标本固定在特殊的夹具内，安装好载荷，位移，应变传感器，连接好所有导线，调正仪表，进行预加载100N，以消除骨的松弛、蠕变等时间效应影响，再进行轴向拉压实验、弯曲实验和扭转实验。实验机加载速率控制在1.4mm/min之内，实行分级加载，相应记录应变、位移等力学数据。为了提高精度，标本应多次重复测量。

    1.6  数据处理  对所有实验数据首先以线性回归，方差分析，经最小二乘法加以处理，再按数理统计加以筛检，计算相关参数，Student’s T检验，并用Chaurent判断进行精度分析与误差分析。所有计算采用SPSS10.0软件在微机上处理。

    2  结果

    2.1  肱骨轴向压缩实验

    2.1.1  肱骨中段骨折内固定的应变  根据所有标本的拉伸实验测量，可得到骨折断端应变值。载荷、应变值结果见表1。在生理载荷作用下，肱骨上的载荷－应变关系基本上呈线形变化，卸载后可恢复原状。肱骨断端两侧的应变均为压应变，应变越小说明器械固定越牢，肱骨轴向稳定。1000N时采用成角锁定钢板固定的应变小于LC-DCP钢板固定，两者相比相差10.4%，统计显示差异有显著性（P<0.05）。由此可见采用成角锁定钢板固定占有一定优势。表1  两种形式钢板固定载荷－应变关系

    2.1.2  肱骨中段骨折内固定的位移  两种形式钢板固定载荷－位移关系见表2。在生理载荷作用下，肱骨上的载荷－位移关系基本上呈线形变化，卸载后可恢复原状。肱骨断端两侧的位移在1000N时采用成角锁定钢板固定的位移为2.15mm，LC-DCP钢板固定位移为2.40mm，两者相比相差10%，统计显示差异有显著性（P<0.05）。由此可见采用成角锁定钢板固定比较牢固，位移很小。表2  两种形式钢板固定载荷－位移关系 

    2.2  弯曲实验

    2.2.1  肱骨弯距－弯曲应变关系  肱骨骨折进行弯曲实验，两者不同形式的钢板固定在张力侧，安置在实验机，中间加负荷，形成三点弯曲实验。给所有标本测试，得到的结果见表3。肱骨骨折采用成角锁定钢板在最大生理负荷弯矩6N·m作用下，其在肱骨断端上产生108με，低于LC-DCP钢板在相同负荷产生的120με，两者相差10%，差异有显著性（P<0.05）。结果显示成角锁定钢板抗弯曲能力强。表3  两种形式钢板固定弯矩－弯曲应变关系

    2.2.2  肱骨弯矩－桡度关系  在弯曲载荷作用下，在肱骨骨折断端会产生向下位移，即弯曲桡度，其测量结果见表4。肱骨骨折采用成角锁定钢板在最大生理负荷弯矩6N·m作用下，其在肱骨断端上产生4.5mm，同样低于LC-DCP钢板在相同负荷产生的5.2mm，两者相差13%，差异有显著性（P<0.05）。再次证明成角锁定钢板抗弯曲能力强。 表4  两种不同形式钢板固定弯矩－弯曲桡度关系

    2.3  肱骨骨折固定的扭转力学特性

    2.3.1  肱骨骨折两种内固定时扭矩－扭角变化  肱骨骨折两种形式钢板固定，根据所有标本的实验测到的扭矩－扭角关系结果见表5。表5  两种不同形式钢板固定扭矩－扭转变形关系

    2.3.2  结果分析  （1）扭矩－扭角关系变化因肱骨变断面，其变化呈非线性变化，在扭矩1.8N·m之后才成线性变化。（2）在等量线载荷2.6N·m作用下，其成角锁定钢板扭角为12.25°，LC-DCP钢板扭角为17.26°，分别相差12%，统计显示差异有显著性（P<0.05）。说明成角锁定钢板抗扭转变形能力大于LC-DCP钢板。（3）在等量扭转变形0.8°/cm时，其成角锁定钢板扭矩为3.02N·m，LC-DCP钢板扭矩为2.70N·m，分别相差11%，统计显示，差异亦有显著性（P<0.05）。其成角锁定钢板承受扭矩大、扭转强度高。

    2.4  应力遮挡效应实验  这里所谓应力遮挡是指肱骨在不同器械固定下，应力传导被器械承担了，而骨上的应力被减少，这种现象被称为应力遮挡效应。从力学观点，应力遮挡是钢板和肱骨组合构件应力的重分配，它同组合构件形式材料性质有关。根据所有标本的实验测到的结果见表6。A侧为钢板侧，B侧为钢板对侧。成角锁定钢板的应力遮挡率在1000N时A侧为34%，B侧为19%，而LC-DCP钢板和肱骨接触紧密，因而A侧为43%，B侧为25%。两种不同形式钢板固定应力遮挡率分别在A、B侧相差21%和24%，差异有显著性（P<0.05）。说明成角锁定钢板不直接和肱骨皮质接触，应力遮挡效应小。表6  两种不同形式钢板固定应力遮挡率比较

    3  讨论

    成角锁定钢板，由长条形的接骨用钢板和半螺纹自攻螺钉构成，钢板与螺钉孔成一定角度，螺钉孔依次相互交错。其固定骨折原理不再是通过接骨板与骨的摩擦阻力原理达到固定作用，而是通过相互交错成角度螺钉和钢板之间内锁定来固定骨折。因为外科专家的测试结果表明每枚4.5mm螺钉拧紧时产生大约2000~3000N的轴向加压力。活体骨上的在体测量的结果表明，加压力在几个月内逐渐减弱，说明螺钉的加压力维持的时间比骨折愈合要长［3］。依靠螺钉拧紧时产生的轴向加压力足够来相互和钢板锁定。

    从一系列的实验结果显示，成角锁定钢板的生物力学性能十分优越，其抗压、抗弯、抗扭力学性能优于LC-DCP钢板。它不但承载能力大，而且轴向稳定性好，它有较大的强度裕度，安全稳定。其次它的应力遮挡小，断端固定牢固，传导力合理，有利于骨痂生长。

    LC-DCP钢板是低接触性接骨板的设计。但是，低接触性接骨板的固定仍必须有压力施加在皮质骨上［4］。螺钉将接骨板固定在皮质骨上的压力造成接骨板下皮质骨血流障碍［5］。而成角锁定钢板是靠螺钉和钢板成角锁定，钢板对骨皮质没有接触或没有压力，钢板对接骨板下皮质骨血流影响降到最低限度。

    传统螺钉由于其螺柱较细而抗弯曲的能力相对较弱。只需加粗柱直径30%，就可以提高抗弯曲能力3倍。有鉴于此，成角锁定钢板螺钉使用自攻杆螺钉，大部分螺柱为4.5mm，丝牙处螺柱为3.2mm，柱直径适当增大，增加了抗弯能力。

    在动态载荷影响下，如果内固定螺钉在体内放置好的话，螺钉的松动只是由螺纹和骨之间界面的微动所引起［6］，这种由骨的再吸收所造成的松动见于较低的轴向压力，常见于外固定支架中的螺钉松动［7］。稳定的坚强固定不会在界面上产生骨吸收［8］。成角锁定钢板螺钉螺纹能和骨皮质产生较高的轴向压力，螺纹和骨皮质结合牢固，不易产生螺钉松动。

    ［参考文献］

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    2  纪方，杨铁毅，王铭春，等.MIPPO技术治疗肱骨骨折的解剖学分析及初步应用报告.中华创伤骨科杂志，2005，12:1128-1131.

    3  Blumlein H，Cordey J，Schneider U，et al.Long-term measunement of the axial force of bone screws in vivo.Med Orthop Tech，1978，1:17-19.

    4  王欣，张世民，俞光荣，等.四肢长管骨钢板内固定后再骨折的原因分析.中国矫形外科杂志，2004，12（23）：1836-1838.

    5  费军，余洪俊，杨欣建，等.微接触钢板治疗长管状骨骨折临床疗效观察.中国矫形外科杂志，2004，12(5):342-344.

    6  关平，戴玉景.两种外固定器治疗胫骨骨折的临床研究.中国骨伤，2005，10:614-615.

    7  丁毅，朱俊昭，郑洪福，等.单侧多功能外固定支架治疗下肢长骨骨折的并发症及其防治对策.中医正骨，2000，10：525-526.

    8  吴英华，杨明富，王增约，等.胫骨远段解剖钢板内固定治疗胫骨远段骨折.中国骨与关节损伤杂志，2005，8:210-213.

    作者单位： 1 201505 上海，上海市金山区亭林医院

    2 201800 上海，上海大学生物力学工程研究所

　　 (编辑：夏  琳)