逆行交锁髓内钉与微创内固定钢板修复股骨远端骨折的生物力学性能比较.doc

www.CRTER.org张慧东，等. 逆行交锁髓内钉与微创内固定钢板修复股骨远端骨折的生物力学性能比较逆行交锁髓内钉与微创内固定钢板修复股骨远端骨折的生物力学性能比较张慧东，王井伟，白 净(唐山市工人医院骨二科，河北省唐山市 063000)引用本文：张慧东，王井伟，白净. 逆行交锁髓内钉与微创内固定钢板修复股骨远端骨折的生物力学性能比较J.中国组织工程研究，2016，20(44):6577-6582.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.44.006 ORCID: 0000-0002-9846-5740(张慧东)文章快速阅读：逆行交锁髓内钉与微创内固定钢板修复股骨远端骨折：生物力学比较张慧东，男，1970年生，汉族，河北省卢龙县人，2004年解放军第四军医大学毕业，主治医师，主要从事骨外科研究。中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)44-06577-06稿件接受：2016-08-01制成相同标准AO分型A3型髁上骨折模型。取12根尸体股骨标本，均为男性。结果：LISS钢板既具有一定的变形性，又具有较强的刚度，且内固定牢固，能够为骨折内固定提供较好的稳定性。随机分成2组，分别用LISS钢板和逆行交锁髓内钉内固定。测定指标：股骨标本承受轴向压缩时的抗压刚度和载荷100，300，500 N下的位移值，以及标本承受弯曲载荷时的抗弯强度。文题释义：微创内固定系统(LISS)钢板：集带锁髓内钉及生物学接骨板的优点为一体，可通过小切口安放于骨表面对骨折进行锁定，对关节周围或关节内不稳定骨折的固定效果理想，1999年由国际内固定协会AO/ASIF推荐使用。LISS钢板适用于股骨远端和胫骨近端粉碎性骨折的固定，尤其对骨质疏松患者和假体周围骨折的固定优势明显。逆行交锁髓内钉：属于中心型固定，比侧方钢板接近下肢力线，符合生理应力的传导及股骨的生物力学特征，应力遮挡小，且不破坏骨折端附近的血运；扩髓后置入髓内钉和骨的接触点增加，可加强骨折固定的稳定性；扩髓导致髓腔扩大，可置入直径较大的髓内钉，进而达到坚强固定；同时扩髓时的碎骨屑具有自体植骨效应，更加有利于骨折的愈合。摘要背景：目前股骨远端骨折多采用微创内固定系统(LISS)钢板或逆行交锁髓内钉内固定治疗，但两种方法的选择尚有争议，且对其生物力学性能研究尚少。目的：比较逆行交锁髓内钉与LISS钢板置入内固定修复股骨远端骨折的生物力学稳定性。方法：取12根尸体股骨标本，均为男性，X射线摄片排除损伤、骨密度异常及骨病标本。随机分成2组，制成相同标准AO分型A3型髁上骨折模型，分别用LISS钢板和逆行交锁髓内钉内固定。观察股骨标本承受轴向压缩时的抗压刚度和载荷100，300，500 N下的位移值，以及标本承受弯曲载荷时的抗弯强度。结果与结论：在抵抗轴向变形能力(抗压刚度)方面，LISS钢板大于逆行交锁髓内钉(P 0.05)；在100，300，500 N轴向压缩载荷作用下，LISS钢板组的位移均小于逆行交锁髓内钉组(P 0.05)；生物力学测试结果显示，内固定物置入修复股骨远端骨折时，逆行交锁髓内钉的刚度较低。LISS钢板既具有一定的变形性，使应力能够通过骨传导，又具有较强的刚度，且内固定牢固，可为骨折愈合提供优良的生物学环境，是修复股骨远端骨折的可靠选择。关键词：骨科植入物；骨植入物；股骨远端骨折；逆行交锁髓内钉；LISS钢板；内固定；生物力学主题词：股骨骨折；内固定器；生物力学；组织工程3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 Biomechanical properties of retrograde interlocking intramedullary nail versus less invasive stabilization system plate in the repair of distal femoral fracturesZhang Hui-dong, Wang Jing-wei, Bai Jing (Second Department of Orthopedics, Tangshan Gongren Hospital, Tangshan 063000, Hebei Province, China)AbstractBACKGROUND: Distal femoral fractures are mainly treated with less invasive stabilization system (LISS) plate or retrograde interlocking intramedullary nail fixation, but choosing which method is controversial, and studies on their biomechanical properties are few.OBJECTIVE: To compare the biomechanical stability of retrograde interlocking intramedullary nail and LISS plate fixation in the treatment of distal femoral fractures.METHODS: Twelve male cadaveric femurs were collected, and the injured, with abnormal bone density and osteonosus specimens were excluded through X-ray examination, followed by randomly divided into two groups. Models of AO type A3 supracondylar fracture were prepared, and were fixed with LISS plate and retrograde interlocking intramedullary nail, respectively. The compressive stiffness and displacement values under axial compression and loading of 100, 300 and 500 N, as well as the bending strength of the specimens under bending load were observed.RESULTS AND CONCLUSION: (1) The resistance to axial deformation capacity (compressive stiffness) of the LISS plate was superior to the retrograde interlocking intramedullary nail (P 0.05). (2) Under axial compressive loading of 100, 300 and 500 N, the displacement values of LISS plate were significantly less than those of the retrograde interlocking intramedullary nail (P 0.05). (3) In conclusion, in the distal femoral fracture fixation, the stiffness of the retrograde interlocking intramedullary nail is low. While the LISS plate not only has certain deformation, but also has strong rigidity with firm internal fixation, which provides excellent biological environment for fracture healing; thus it is a reliable treatment for distal femoral fractures.Subject headings: Femoral Fractures; Internal Fixators; Biomechanics; Tissue EngineeringCite this article: Zhang HD, Wang JW, Bai J. Biomechanical properties of retrograde interlocking intramedullary nail versus less invasive stabilization system plate in the repair of distal femoral fractures. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(44):6577-6582.Zhang Hui-dong, Attending physician, Second Department of Orthopedics, Tangshan Gongren Hospital, Tangshan 063000, Hebei Province, China6579ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction股骨远端骨折是指股骨下端9 cm以内的骨折，包括髁上和髁间骨折。其发生率占所有股骨骨折的4%-7%，多因高能量创伤所致，因此多为粉碎性及不稳定型，容易累及膝关节面，固定难度大，导致膝关节活动受限，是最难治疗的骨折之一，治疗要求解剖复位及有效的骨折固定1-8。保守治疗难以达到解剖复位，难以达到固定效果。应用人工关节置换后股骨假体周围骨折以及静脉血栓等并发症时有发生，因此股骨远端骨折的内固定治疗变得迫切。目前国内治疗股骨远端骨折的内固定方法很多，临床疗效报道不一，对其生物力学性能缺乏研究。但多种植入物固定后会发生断钉、断板或螺钉松动的现象，其中导致内固定失败的主要原因有螺钉与皮质骨咬合不佳、钢板与股骨远端骨面解剖贴合不紧密、骨折骨块复位不佳等。因此，股骨远端骨折内固定治疗方法的改善及提高具有重要的意义9-10。随着内固定技术的进步，生物力学固定技术和具有锁定装置的角度稳定内固定物应运而生。其中不接触钢板即微创内固定系统(Less Invasive Stabilization System, LISS)钢板是“生物力学固定技术”的典型代表，其具有微创的优势，同时综合了交锁髓内钉技术与生物学接骨技术的特点，可应用于股骨远端和胫骨近端骨折。文章通过分析股骨远端骨折应用2种植入物内固定的生物力学变化，希望为股骨远端骨折的有效稳定以及最佳内固定物选择提供参考数据。1 材料和方法 Materials and methods 1.1 设计 随机对照实验。1.2 时间及地点 于2015年10月至2016年1月在唐山市工人医院完成。1.3 材料1.3.1 尸体股骨标本 选用成人尸体股骨标本12根，均为男性，死亡时间均在1年内，剔除标本附属软组织，X射线摄片排除损伤、骨密度异常及骨病标本。以生理盐水纱布包裹、封装后于-20 冰冻保存。本实验经医院伦理委员会批准后实施。1.3.2 实验仪器 夹具；电子万能试验机岛津AG-10TA型(日本岛津公司)。1.3.3 股骨逆行交锁髓内钉 购自常州市康辉医疗器械有限公司。在髓内钉杆近端设有近端锁定螺钉孔，在髓内钉杆表面设置有减压平面。在髓内钉杆表面设有一条以上呈长条形的减压平面，减压平面可从髓内钉杆近端直至髓内钉杆远端。在髓内钉杆近端设置有锁紧螺杆定位螺孔、连接套定位槽。该产品由股骨髓内钉、克氏针、固定螺钉和保护帽组成，见图1。采用符合GB/T13810-1997的锻造钛合金材料和符合GB/T4234-2003的00Cr18Ni14Mo3的锻造不锈钢材料制成。一次性使用。图1 股骨逆行交锁髓内钉示意图Figure 1 The schematic diagram of the femoral retrograde interlocking intramedullary nail 1.3.4 LISS钢板 购自瑞士辛迪思医疗器械有限公司，是基于微创外科的原则，吸取交锁髓内钉技术与生物学接骨技术的优点而发展起来的新型内固定系统。使用体外螺钉孔瞄准器，采用经皮固定技术，使手术对软组织的损伤降低到最低程度。具有成角固定作用的自钻螺钉可以提供更可靠的固定，见图2。其优点如下：螺钉与钢板锁定，产生角度稳定性；解剖型设计，避免钢板预弯塑性；对骨折端血供影响小；螺钉不易松动。图2 LISS钢板示意图Figure 2 The schematic diagram of the less invasive stabilization system plate 1.4 方法1.4.1 标本制备 成人尸体股骨标本12根，随机分成2组，用电锯在髁上制成相同标准AO分型A3型髁上骨折模型，见图3，每组6根股骨分别用微创内固定系统钢板和逆行交锁髓内钉固定。标本两端以牙托粉包埋。A1 A2 A3图3 股骨远端骨折AO分类A型示意图Figure 3 The schematic diagram of the AO classification of A type distal femoral fracture1.4.2 轴向压缩实验 将实验标本放置于岛津AG-10TA电子万能试验机上，使股骨轴线与试验机轴重合。进行轴向压缩实验。对标本进行预调处理，载荷通过载荷传感器传递，位移通过电光编码器传递。以2.0 mm/min的速度对标本施加轴向压缩载荷，施加最大载荷为500 N，依次测出100，300，500 N所对应的压缩位移值；另外计算标本在轴向压缩载荷的抗压刚度，重复5次取平均值。1.4.3 抗弯实验 将标本置于电子万能试验机的弯曲支座上，标本两端用夹具固定，进行弯曲实验，最大弯曲载荷为500 N，实验速度为2.0 mm/min，记录标本在弯曲载荷下的抗弯强度，重复5次取平均值。1.5 主要观察指标 观察股骨标本承受轴向压缩时的抗压刚度及位移值，标本承受弯曲载荷时的抗弯强度。1.6 统计学分析 应用SPSS 20.0软件完成资料统计，采用t 检验检测逆行交锁髓内钉组及LISS钢板组间的差异，以P 0.05为差异有显著性意义。2 结果 Results 2.1 实验标本同质性分析 所有股骨实验标本制备的力学模型在结构、载荷、材料、固定方式上完全一致，具有可比性。2.2 逆行交锁髓内钉及LISS钢板固定股骨远端骨折的抗压刚度及抗弯强度比较 见表1。表1 逆行交锁髓内钉及LISS钢板的抗压刚度及抗弯强度比较 (s，n=6)Table 1 Comparisons of the compressive stiffness and bending strength of the less invasive stabilization system plate and retrograde interlocking intramedullary nail表注：股骨远端骨折内固定植入物的抗压刚度微创内固定系统钢板大于逆行交锁髓内钉；股骨远端骨折内固定植入物的抗弯强度逆行交锁髓内钉大于微创内固定系统钢板。组别抗压刚度(N/mm)抗弯强度(MPa)逆行交锁髓内钉组210.1939.8780.345.36LISS钢板组398.5744.3276.905.58P 0.05刚度是指内固定物在外力作用下抵抗变形的能力。表1结果表明在抵抗轴向变形能力方面，微创内固定系统钢板大于逆行交锁髓内钉(P 0.05)，见图4。生物力学测试结果显示，内固定物置入修复股骨远端骨折时，逆行交锁髓内钉的刚度较低。微创内固定系统钢板既具有逆行交锁髓内钉组LISS钢板组抗压刚度(N/mm)抗弯强度(MPa)400350300250200150100500aLISS钢板组3.53.02.52.01.51.00.50300 N100 Naa逆行交锁髓内钉组6583ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH位移(mm)a500 N图4 逆行交锁髓内钉及LISS钢板的抗压刚度及抗弯强度比较Figure 4 Comparisons of the compressive stiffness and bending strength of the less invasive stabilization system plate and retrograde interlocking intramedullary nail图注：在抵抗轴向变形能力方面，微创内固定系统钢板大于逆行交锁髓内钉(P 0.05)。与逆行交锁髓内钉比较，aP 0.05。图5 逆行交锁髓内钉及LISS钢板在100，300，500 N轴向压缩载荷作用下的位移比较Figure 5 Comparisons of the displacement values under axial compression and loading of 100, 300 and 500 N of the less invasive stabilization system plate and retrograde interlocking intramedullary nail图注：在100，300，500 N轴向压缩载荷作用下，LISS钢板组的位移均小于逆行交锁髓内钉组(P 0.05)。与逆行交锁髓内钉比较，aP 0.05。表2 逆行交锁髓内钉及LISS钢板在100，300，500 N轴向压缩载荷作用下的位移比较 (s，n=6，mm)Table 2 Comparisons of the displacement values under axial compression and loading of 100, 300 and 500 N of the less invasive stabilization system plate and retrograde interlocking intramedullary nail表注：在100，300，500 N轴向压缩载荷作用下，LISS钢板组的位移均小于逆行交锁髓内钉组(P 0.05)，说明LISS钢板组固定股骨远端骨折较逆行交锁髓内钉更牢固。组别100 N300 N500 N逆行交锁髓内钉组0.780.091.620.233.020.45LISS钢板组0.470.020.930.011.610.05P 0.05 0.05 0.05一定的变形性，使应力能够通过骨传导，又具有较强的刚度，能够为骨折的内固定提供较好的稳定性。2.3 逆行交锁髓内钉及LISS钢板固定股骨远端骨折在轴向压缩不同载荷下的位移比较 位移越小，说明固定越牢固。随着载荷的加大，2组位移均呈增大趋势。在100，300，500 N轴向压缩载荷作用下，LISS钢板组的位移均小于逆行交锁髓内钉组(P 0.05)；2组术后不同时间点血清标志物差异无显著性意义(P 0.05)。说明逆行交锁髓内钉和LISS钢板治疗股骨远端骨折对软组织损伤均较小，且无明显差异。宫涛等18选择C2型股骨髁间骨折患者33例，随机采用LISS钢板内固定术(LISS组，15例)、逆行交锁髓内钉内固定术(交锁髓内钉组，18例)治疗，术后3 d拍X射线片检查骨折复位及内固定情况，术后12个月复查X射线片检查内固定及骨折愈合情况，并根据HSS标准评分评价膝关节功能。结果显示，LISS钢板治疗C2型股骨髁间骨折的疗效优于交锁髓内钉，但应视术中骨折具体情况而定，术中可先行恢复股骨髁部解剖结构，再根据骨折块的稳定性进行内固定物选择，若复位后骨折块稳定性良好可采用交锁髓内钉内固定，若骨折块稳定性不足则须采用LISS钢板内固定，应充分把握两种内固定物的优缺点，合理选择内固定方案。Chen等19对LISS微创固定系统及股骨髁支撑钢板治疗股骨远端骨折的并发症及早期临床疗效进行回顾性分析。术后随访13-38个月，2组患者术后切口长度、出血量、骨折愈合时间及末次随访时的膝关节功能评分差异显著(P 0.05)。说明LISS微创固定系统具有创伤小、骨折愈合时间短、功能恢复快的特点。LISS微创固定系统已经成为一个治疗AO C型股骨远端骨折的理想内固定方案。余智锋等20的研究也显示，LISS系统可减少组织创伤，保护局部血运，降低不愈合和延迟愈合的风险，减少术后感染的发生率。是一种值得临床推广和使用修复股骨远端骨折的方法。本文的股骨标本生物力学实验结果显示，逆行交锁髓内钉治疗股骨远端骨折刚度较低，容易造成锁钉疲劳，不宜过早负重运动；而LISS钢板既有较强的刚度，能为骨折提供良好的稳定性，又有一定变形能力，应力能够通过骨传导，生物力学性能良好。另外对逆行交锁髓内钉及LISS钢板在轴向压缩载荷作用下的位移进行比较，逆行交锁髓内钉大于LISS钢板，说明LISS钢板固定股骨远端骨折较逆行交锁髓内钉更牢固21-31。3.3 结论 综上所述，与逆行交锁髓内钉相比，LISS钢板修复股骨远端骨折的抗压刚度和抗弯强度适宜，内固定牢固，表现出更好的生物力学性能及固定效果，有利于骨折的愈合。但是应充分把握2种内固定器械的优缺点，合理选择内固定方法。作者贡献：每位作者按照项目计划书参与课题研究。利益冲突：所有作者共同认可文章内容不涉及相关利益冲突。伦理问题：试验方案经唐山市工人医院伦理委员会批准，符合医学伦理学要求。文章查重：文章出版前已经过CNKI反剽窃文献检测系统进行3次查重。文章外审：文章经国内小同行外审专家双盲外审，符合本刊发稿宗旨。作者声明：第一作者对研究和撰写的论文中出现的不端行为承担责任。论文中涉及的原始图片、数据(包括计算机数据库)记录及样本已按照有关规定保存、分享和销毁，可接受核查。文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。4 参考文献 References1 Bliemel C, Buecking B, Mueller T, et al.Distal femoral fractures in the elderly: biomechanical analysis of a polyaxial angle-stable locking plate versus a retrograde intramedullary nail in a human cadaveric bone model. 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