微型钢板在掌（指）骨骨折内固定对比性生物力学研究.pdf

2 0 1 0年 0 4 月 笙z 查 笙 型 d o i ： 1 03 9 6 9 i is s n 1 6 7 2 5 9 7 2 2 01 00 2 0 1 2 文章编号： s wgk 2 0 0 9 0 9 o1 41 生 物 骨 科 材 料 与 临 床 研 究 0r t h op a e d i c b i ome ch a nic s ma t e r ia l s a nd cl i n i c a l s t ud y 微 型钢板 在掌 ( 指 )骨骨 折 内固定对 比性 生物 力学研 究 周建国 钱红兵周亚平 吕建元昊天河 f 摘要l 目的 比较掌指骨骨折不r h 内崩定方法在生物力学方面的差异。 方法采用尸体掌指骨人为造成骨折， 分 别应用微型钢板、 贯穿克氏针、 交叉克氏针、 钢丝固定， 比较其在生物力学方面的差异。结论 微型钢板固定治疗掌 指骨骨折在抗托伸、 抗压缩、 抗弯曲、 抗扭转方面较其他几种常用内固定方法具有明显的优越性。 结论微型钢板 与临床上常用的其它几种掌( 指) 骨骨折 内固定材料相比在生物力学性能方面有明显的优越性 l 关键词l 掌指骨骨折：内固定； 生物力学 i 中图分类号l r 6 5 8 2 i 文献标识码1 b m i c r o - p l a t e i n t h e p a l m ( fi n g e r ) b o n e f r a c t u r e c o mp a rat i v e b i o me c h a n i c a l s t u d y z h o u d i a n g u o , q ia n ho n g b i n g , z h o u y a p i n g , e t a 1 k u n s h a n c i ty c h i n e s e me d i c i n e ho s p i t a l , k u n g s h a n , d i a n g s h u c h i n a 2 1 5 3 0 0 i a b s t r a c t j ob j e c t i v e t o c o mp a r e t h e d i ff e r e n t fi x a t i o n o f m e t a c a r p a l a n d p h a l a n g e a l f r a c t u r e me c h a n i c s me t h o d s i n t h e b i o l o g i c a l d i ffe r e n c e s me t h o d s t h e b o d y o f me t a c a r p a l a n d p h a l a n g e a l f r a c t u r e s c a u s e d b y man, n a me l y a p p l i c a t i o n o f mi c r o pl a t e ， t hr o u g h t h e k wi r e ， c r o s s ki r s c h n e r , wi r e fix e d t o c o mp are the i r b i o me c ha ni c a l d i ffe r e n c e s re s ul t s mi n i pl a t e fix a t i o n o f me t a c a r p a l an d p h a l an g e a l f r a c t u r e s i n t h e an t i s t r e t c h ， an t i - c omp r e s s i o n ， an t i b e nd i n g， an t i r e v e r s e i n a f e w c o mp are d wi th o t h e r c ommo n l y u s e d fi xa t i o n me t ho d h a s o b vi o us a d v a n t a g e s co n c l u s i o n mi ni - pl a t e wi t h s e v e r a l o t h e r c o mmo n l y u s e d c l i n i c a l p a ( fi n g e r s ) c o mp are d t o b o n e f r a c t u r e fi x a t i o n ma t e r i a l s i n b i o ， me c h ani c a l p r o p e r t i e s h a ve o bv i ous a d v an t a g e s i ke y wo r d s l me tac a r p a l a n d p h ala n g e a l f r a c t u r e； f i x a t i o n ； b i o me c h a n i c s 掌 ( 指) 骨骨 折以往常用手法复位 、 小夹板 、 石膏托外 固定或髓 内穿针 、 交叉穿针固定。此类方法操作简单， 技 术要求不高， 常给 患者带来不能早期进行功能锻炼而导致 关节僵硬、 骨间肌萎缩 、 肌腱粘 连、 针道感染等 并发症 ， 或 者 由于骨折端固定不牢固， 导致骨折端不愈合或者畸形愈 合“ 。 近年来我院应用微型钢板 技术治疗掌( 指) 骨骨 折， 疗效显著， 获得满意 的临床效果。为此 ， 本课题从生物力 学角度进行基础研究 ， 为临床提供科学的基础理论依据 。 l 材料 与方法 1 1 标本的制作 与分组 取新鲜成人尸体 上肢手掌 8 例 ( 表 1 ) ， 左右不拘， 制成 掌 ( 指) 骨标本 2 5具 。模拟临床应用微型钢板对人为造 成 骨折掌 ( 指) 骨进行固定。 所有标本均属随机取样 ， 并拍摄 x片， 排除病变、 明显损伤、 骨质疏松 或退行性变的标本。 剥离肌 肉、 骨膜等软组织后于一 2 0摄氏度冰箱用双层塑料 作 者单位： 昆山市中医医院， 江 苏 昆山 2 1 5 3 0 0 袋密封 保存 。 生物力学测试设立掌( 指) 骨微型钢板 内固定组 ( 试验 组 ms p ) ， 并设立 4个对照组： 螺钉 固定组 ( s f ) 、 克氏针贯 穿骨髓腔 固定组( k ni f ) 、 交义克氏针 内固定组 ( i kn) 和钢 丝固定组 ( s w) 加以对照 比较和分析。 1 2 生物力学测试模型 所有的标本在模拟、 结构 、 载荷、 材料力学性质、 尺寸 选择上均保持一致 ， 以提高试验检测精度 。将标本置 于 微型特 殊支具上 ， 用医用骨水泥 ( p mma ) 固定标本两端 ， 保持两端水平 ， 置于万能试验机 ( we 5 ) 测试台特 别夹具 内， 进行压缩 、 拉伸 、 弯 曲和扭转测试 。 测试前先进行预试 验，以消除骨的松弛、 蠕变等流变学影响， 然后 以 1 4 mm ra i n速度进行正式力学试验。 试验前应对标本模型进行 电阻应变片粘贴技术 ，遵 循实验 应力分析要求 。 对 电阻应变片应选择高精度 、 小标 踞、 蠕变、 滞后、 疲劳性能好的传感器 ， 按实验技术要求， 严 格表面处理贴片、 鳖胶、 接 线等技术， 保证具有 良好的应变 传递性和高精度 的接触电阻， 并进行温度补偿 技术处理 ， 生 物 骨 科 材 料 与 临 床 研 究 or t h op a e d i c b i ome c h a n i c s ma t e r i a l s a nd cl i n i c a l s i u d y 2 0 1 0年 0 4 月 第 7卷 第 2期 才能保证达到应变精度 0 1 o 1 m。 全 部试验工作准备完成之后 ， 进行 1 0 0 n预测验后进 行正式试验 。 试验中位移测量采用 g k 1 0 1 数显高精度测 微传感器( 精度 1 o ) 。 1 - 3 数据处理 应用软件 s p s s 1 0 0 进行数据统计学处理 ， 比较各组 力学量的差异 。在计算机上进行统计分析 ，用最小二乘 法， 两两 比较 t 检验和单因素方差分析 。本报 告设显著性 水平为p 0 0 5 。 2 结果 2 1 掌( 指) 骨不同 内固定的轴 向压缩试验 2 1 1掌( 指) 骨不同内固定时轴向压缩实验载荷一应变关系 结果表明： ( 1 ) 掌( 指) 骨在生理载荷作用下 ， 载荷 与应变基本上 呈线 形关系变化 ， 应变 随载荷 的增加成 比例的不断增加 。 ( 2 ) 以 1 0 0 0 n载荷作用 时， 各种不 同形式的内固定掌 ( 指) 骨骨折端的应变 加以比较 ， 发现使用 ms p ( a组) 内固 定时骨折上应变最小 ， 仅 3 1 8 ， 其次是 i k n( d组) 内固定 3 5 6 ， 两者相比较相差 l l ， 而后是 s f( b组)内固定为 3 6 8 ， 娜( c组) 内固定为 3 7 6 7 e ， s w( e 组) 内固定为 3 8 6 p ， 分别与 ms p内固定相 比较分别相差 1 4 ， 1 5 ， 1 8 。 统计显示， 前两者( a与d组) 有显著性差异( f = 2 4 7 2 ， f = 9 7 6 ， p 0 0 5 ) ， 后三者( a与 b、 c、 e组) 也有 明显的显著性差异 0 = 2 9 6 2 ， f = i o 6 8 ， p0 o 5 ) 。 ( 3 ) 骨折端 的应变越小， 说明采用的 内固定越牢， 越不 容 易引起变形 。上面的结果正说明采 用掌 ( 指) 骨骨折微 型钢板 内固定是最牢的， 最不容 易引起变形与移位 ， 是 比 较理想 的固定方式 。 表 1掌( 指) 骨不同内固定轴 向压缩载荷 一应变关系 单位： i ( x 士 s ) 2 1 2 掌( 指) 骨不同内固定 时载荷 一移位关系 在轴 向压缩 实验 时， 在测量掌骨应变的同时， 测量它的骨折线 的移位 。 结果表 明： ( 1 ) 掌( 指) 骨在生理载荷作用下， 载荷位移关系基本上也呈线形关系变化， 位移随着载荷成 比例关系 不断增加 。 ( 2 )以 i o 0 0 n载荷作用下 的位移大小来作比较可 以看到采用 ms p内固定 ( a组)时的骨折线移位仅 1 1 7 mm， 而采用 i k n( d组) 内固定的骨折线移位为 1 3 1 mm， 而采用 s f ( b组) ， k r f ( c组) ， s w( e组) 内固定 的移位分别为 1 3 6 mm，1 3 8 mm， 1 4 6 m m， 分别相差 l 1 ， 1 4 ， 1 5 ， 2 0 。统计显示均呈显著性差异 ( t =- 3 1 2 8 ， f = 1 2 3 4 ， p 0 0 5 ) 。 ( 3 ) 骨折线的移位越 大， 说明骨折 内固定越不牢， 上面的结果说 明采用掌( 指) 骨骨折微型钢板 内固定是 比较坚强 的内 固定方式， 其它类型的 内固定均不是理想的 内固定方式 。 毒2掌 揖) 骨不 内固枣 轴向载 荷一 移位关系单位： m m ( x j =s ) 2 0 1 0年 o 4月 第 7卷 第 2期 生 物 骨 科 材 料 与 临 床 研 究 or t h op a e d i c b i ome c h a nic s ma t e r i a l s a nd cl i n i c a l s t u d y 2 2 掌( 指) 骨不同内固定时的三点弯曲试验 2 2 1 掌( 指) 骨不同内固定时弯 曲载荷 一弯 曲应变关系 掌( 指) 骨不同 内固定组分别进行三点弯 曲试验 ， 得到 它们 的弯 曲载荷一应变关系值 。 结果表明： ( 1 ) ， 掌( 指) 骨在 生理载荷作用下， 弯 曲载荷与弯 曲应 变基本上呈线性变化 ， 弯曲应变随着弯 曲载荷 的增加而不 断增加。 ( 2 ) ， 掌( 指) 骨不 同内固定组进行弯 曲测试时， 发现采 用ms p( a组) 内固定 的试验组应变 最小， 在 l o 0 0 n载荷作 用下仅 l 1 l ，其余各固定组弯 曲应变分别为 1 2 4 p c ，1 2 9 ， l 3 1 ， 1 3 8 。与 ms p组应变相 比分别相差 l 1 ， 1 4 ， l 5 ， 2 0 。 统计显示各组均呈显著性差异( t =- 2 6 6 4 ， f =1 3 4 4 ， p o 0 5 ) 。说明 ms p内固定组在抗弯变形方面仍然具有 较大 的优势 。 表 3 掌( 指) 骨不同内固定弯 曲载荷一应变关系 单位 ： 应 变 ( x 蜘) 2 - 3 掌( 指) 骨的扭转力学测试 2 3 1 掌( 指) 骨不同内固定时的扭矩扭 角关系 。 根据所有标本进行扭转力学测量 ， 得到掌骨不 同内固 定时扭矩 相对扭角的关系 。 结果表明 ( 1 ) 掌( 指) 骨不同内固定的扭矩一相对扭角曲线， 由于 掌( 指) 骨呈非圆断面， 在测试初始值时呈线性变化 ， 而后 呈非线性变化 ， 扭矩 与扭角不成 比例增加 。 ( 2 ) 在扭矩 5 0 n m 作用时 ， 试验组 ms p的相对扭角为 0 0 9 8 度 c m而对照组分别依次为 0 1 1 0 度 c m， 0 1 1 2 度 c m， 0 1 1 5 度 c m， 0 1 2 0 度 e m。分别与 ms p组相 比较， 分别相 差 l l ，l 3 ，l 5 ，1 8 。统计显示均呈显著性 差异 ( t =- 2 9 6 4 ， f =i 1 2 4 ， p 0 0 5 ) 。说 明掌( 指) 骨骨折后 ， 采用 微 型钢板 内固定在抗扭转力学性能上 比其它各组来得优 越 ， 在掌( 指) 骨扭矩 5 0 n m 作用下相对扭角 比较小。如果 以掌( 指) 骨平均长度 5 c m来说， 则各组的扭角依次为 0 4 9 。 ， o 5 5 。 ， 0 5 6 。 ， 0 5 8 。 ， 0 6 0 。 ， 具有相 同的规律性。 表 4掌( 指) 骨 不间内固定扭矩一相对扭 角关系 单位 ： 度 e m ( x 虹) 2 4 掌( 指) 骨不同内固定时的拉伸试验 前面我们曾讨论过掌骨不 同内固定时的压缩实验， 这 里我们 再来讨论一下它的拉伸试验结果。压缩 试验与拉 伸试验 两者基本 的力学原理是相 同的。前者一对相向的 力进行压缩 ， 后者一对力相 向分离 ， 即拉伸 。力的大小相 等方 向相反 ， 所 以结果相似 ， 为此我们只给 出主要的试 验 结 果 。 结果表 明： ( 1 ) 掌( 指) 骨拉伸 时在弹性范围内， 初始时拉伸载荷与 骨的应变 呈线性关系 ， 它随载荷 的增加而增 加， 而后呈非 线性增加 ， 增加 倒一定 限度随之破坏 。 ( 2 ) 掌( 指) 骨骨折采 用微型钢板固定后进行拉伸破坏 试验 ，最大 拉伸载荷 为 3 8 9 n，此时最大骨 破坏位 移为 2 】 2 mm 。 4 6 生 物 骨 科 材 料 与 临 床 研 究 or i hop a e d i c b i om e ch a nic s ma t e r ia l s an d cl i ni c a l s t ud y 2 0 1 o年 0 4 月 第 7卷 第 2期 ( 3 ) 采用其它不同内固定如螺钉固定 ( s f ， b组) 时， 最 大破坏载荷 3 4 6 n， 破坏位移 2 3 2 m m、 其次用交义克 氏针内 固定( n， d组) ， 最大破坏载荷 2 5 9 n， 破坏位移 1 9 4 m m， 而若用钢丝 固定 ( s w，e组)和克 氏针贯穿骨髓腔固定 ( kn， e组) 时分别为 2 1 6 n和 1 3 0 n， 承受力较 小而破坏 ， 破坏位移分别为 2 2 0 mm和 1 8 5 ram。 由此进行比较 ， 微型钢板 固定 的拉力载荷 比螺钉 内固 定组高 1 4 ， 比交叉克氏针 固定高 3 3 ， 比钢丝固定和克 氏针 固定分别高 4 4 和 6 7 ，由此可见微型钢板 固定 的 强度是相当高的， 比其它内固定来得优越很 多， 始终在强 度和刚度上 占有强大的优势( t =- 3 3 6 7 ， f = 1 3 1 2 ， p o 0 5 ) 。 一 般 日常生活中手捏持，握持力达 1 5 5 n 一2 5 0 n 左 右， 所 以采用微型钢板固定完全能承受 日常生活中掌指关 节的负载， 其它 内固定的负载相对 比较差。当然在各种 内 固定中， 交叉型克 氏针固定和螺钉固定要 比钢丝固定和克 氏针贯穿型来得好 。 表 5 掌骨不同内固定拉伸试 验结果 ms p ( a ) s f ( b ) i k n( d) s w( e ) f ( c ) 0 1 7 o 2 2 0 2 9 0 4 0 o 5 l 0 3 5 0 41 0 51 0 7 4 1 3 2 0 5 2 0 7 5 o 6 7 0 9 1 o 8 5 1 3 2 1 2 4 1 9 4 1 3 0 1 8 5 09 8 1 21 2 5 9 1 9 4 2l 6 2 2 o 1 2 5 1 61 3 8 9 2 1 2 3 3 6 2 3 2 3 讨论 微型钢板在掌 ( 指) 骨骨折 内固定 中具有生物力学上 的优势 。 轴 向固定稳定是临床 内固定要达到的首要 目的， 从微型钢板在掌( 指) 骨骨折 内固定的轴 向压缩 、 拉伸试验 可以看 出微型钢板用于掌 ( 指) 骨骨折 内固定较其它几种 内固定材料相 比较其 固定 的轴 向抗 拉伸及 压缩 的强度有 显著差异 ， 明显优于其它几种 内固定材料 。内固定物承受 侧 向负载的能力同样 是其 非常重要的一个方面。临床上 曾多有 出现 因遭受侧 向负载 而导致 内固定的变形甚至断 裂的。通过对微型钢板与其它 4 种常用 的掌 ( 指 ) 骨骨折 内固定方式的抗弯 曲强度试验比较发现 ， 微型钢板抗弯 曲 强度 明显优于其它几种 内固定材料 。统计 学上亦 显示呈 显著性差异 。这从另一方面证 明了微 型钢板用于掌 ( 指 ) 骨骨折 内固定 的牢固性。临床 上经 常会 遇到不同类型的 螺旋型骨折 ， 骨折固定后也有可能遭受扭转负载 ， 因此本 试验也从5 种掌 ( 指) 骨骨折内固定材料的抗扭转强度来 评价其 固定效果 。 结果表 明， 微型钢板 明显优于其它几种 内固