股骨头双极假体置换与内固定修复老年股骨颈骨折的生物力学特征.doc

www.CRTER.org姜源涛，等. 股骨头双极假体置换及内固定修复老年股骨颈骨折的生物力学特征股骨头双极假体置换及内固定修复老年股骨颈骨折的生物力学特征姜源涛，焦建宝，薛金伟，王云飞(河北大学附属医院骨外科，河北省保定市 071000)引用本文：姜源涛，焦建宝，薛金伟，王云飞. 股骨头双极假体置换及内固定修复老年股骨颈骨折的生物力学特征J.中国组织工程研究，2016，20(26):3805-3810.DOI: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.26.001 ORCID: 0000-0002-5962-6476(王云飞)文章快速阅读：股骨头双极假体置换及内固定修复老年股骨颈骨折的生物力学特征姜源涛，男，1972年生，河北省围场县人，1999年河北医科大学毕业，硕士，主治医师，主要从事老年骨折方面的研究。通讯作者：王云飞，硕士，主治医师，河北大学附属医院骨外科，河北省保定市 071000 中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)26-03805-06稿件接受：2016-05-21内固定组：行常规金属植入物内固定；股骨头双极假体置换组：行股骨头双极假体置换。生物力学实验结果：与内固定植入物相比，股骨头双极假体置换修复老年股骨颈骨折更加稳定，修复效果更佳，能够提高患者髋关节功能，获得良好的初始稳定性。分组根据修复方式对老年股骨颈骨折股骨标本进行分组。测定指标：在万能试验机上测定股骨假体柄的力学性能，比较股骨头双极假体置换及内固定的生物力学性能。 文题释义：股骨头双极假体：传统的人工股骨头置入人体后，由于金属的人工假体在髋臼内不断地运动，会逐渐出现髋臼软骨面的磨损、变性，进而损及软骨下骨质。这时，就可能发生不同程度的关节功能障碍，如关节运动时不滑顺、感到不适或疼痛等。为了减少这些情况的发生，设计了双极人工股骨头用于临床。目前国内生产、使用的双极人工股骨头是由3部分组成的：带颈的金属柄、高分子量聚乙烯的股骨头杯与金属杯。老年股骨颈骨折：有以下3个特点：一是患者多为老年人，较易发生肺炎、压疮、尿路感染等并发症，死亡率较高；二是由于解剖学上的特点，骨折部位常承受剪力，影响骨折复位及骨折复位后的稳定性，以及影响内固定的效果与愈合；三是由于股骨头供血的特殊性，骨折时易使主要供血来源阻断，不但影响骨折的愈合，且有可能发生股骨头缺血坏死及塌陷的不良后果。摘要背景：双极人工股骨头假体在股骨颈骨折患者中虽然能够取得理想的修复效果，但是临床上对于双极人工股骨头假体的生物力学性能尚存在较大的争议。目的：比较股骨头双极假体置换及内固定修复老年股骨颈骨折的生物力学性能。方法：选取23具(46侧)老年股骨颈骨折股骨标本进行分析，随机将标本分为内固定组与股骨头双极假体置换组，每组23侧。内固定组标本行常规金属植入物内固定，股骨头双极假体置换组行股骨头双极假体置换。在万能试验机上测定股骨假体柄的力学性能，比较股骨头双极假体置换及内固定的生物力学性能。结果与结论：股骨头双极假体置换组的最大承载负荷显著高于内固定组(P 0.05)；最大承载负荷趋势图显示，股骨头双极假体置换组最大承载负荷显著高于内固定组(P 0.05)；股骨头双极假体置换组轴向拔出试验位移显著短于内固定组(P 0.05)；轴向拔出试验位移趋势图显示，股骨头双极假体置换组轴向拔出试验位移显著短于内固定组(P 0.05)；结果提示，与内固定植入物相比，股骨头双极假体置换修复老年股骨颈骨折更加稳定，修复效果更佳，能够提高患者髋关节功能，获得良好的初始稳定性。关键词：骨科植入物；人工假体；股骨头双极假体置换；内固定；老年股骨颈骨折；生物力学；轴向拔出试验位移；髋关节功能主题词：股骨骨折；关节成形术，置换；内固定器；生物力学；组织工程3 P.O.Box 1200,Shenyang 110004 Biomechanical characteristics of bipolar femoral head prosthesis replacement and internal fixation for femoral neck fractures in the elderlyJiang Yuan-tao, Jiao Jian-bao, Xue Jin-wei, Wang Yun-fei (Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Hebei University, Baoding 071000, Hebei Province, China)AbstractBACKGROUND: Bipolar femoral head prosthesis has achieved the desired repair effect in patients with femoral neck fracture, but there is still much controversy on the biomechanical properties of bipolar artificial femoral head prosthesis. OBJECTIVE: To compare biomechanical properties of the bipolar femoral head prosthesis replacement and internal fixation in the repair of femoral neck fracture in the elderly. METHODS: Twenty-three (46 sides) senile femoral neck fracture specimens were analyzed and randomized into internal fixation group (n=23) and bipolar femoral head prosthesis replacement group (n=23). Specimens in the internal fixation group underwent conventional metal implant fixation. Specimens in the bipolar femoral head prosthesis replacement group underwent bipolar femoral head prosthesis replacement. Mechanical properties of femoral prosthesis stem were tested on universal testing machine. Biomechanical properties after bipolar femoral head prosthesis replacement and internal fixation were compared. RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum load was significantly higher in the bipolar femoral head prosthesis replacement group than in the internal fixation group (P 0.05). The maximum load trend images showed that the maximum load was significantly higher in the bipolar femoral head prosthesis replacement group than in the internal fixation group (P 0.05). (2) The displacement in axial pull test was significantly shorter in the bipolar femoral head prosthesis replacement group than in the internal fixation group (P 0.05). The displacement trend images exhibited that the displacement in axial pull test was significantly shorter in the bipolar femoral head prosthesis replacement group than in the internal fixation group (P 0.05). (3) These findings suggest that compared with the implant, bipolar femoral head prosthesis replacement in the repair of femoral neck fracture in the elderly is more stable, has better repair effects, can elevate hip function and obtain good initial stability. Subject headings: Femoral Fractures; Arthroplasty, Replacement; Internal Fixators; Biomechanics; Tissue EngineeringCite this article: Jiang YT, Jiao JB, Xue JW, Wang YF. Biomechanical characteristics of bipolar femoral head prosthesis replacement and internal fixation for femoral neck fractures in the elderly. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu. 2016;20(26):3805-3810.Jiang Yuan-tao, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Hebei University, Baoding 071000, Hebei Province, ChinaCorresponding author: Wang Yun-fei, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Hebei University, Baoding 071000, Hebei Province, China3807ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH0 引言 Introduction股骨颈骨折是临床上常见的疾病，该疾病在老年人群中比较普遍，发生率约占全身骨折的3.6%1。近年来，随着国内人口老龄化的不断加剧，股骨颈骨折发生率呈现上升趋势。患者骨折后由于股骨头的血运遭到破坏，导致股骨头出现缺血性坏死及骨折不愈合2。传统方法主要以内固定治疗为主，该方法虽然能够改善患者症状，但是由于治疗后长期卧床，导致患者术后并发症发生率较高3-4。近年来，双极人工股骨头假体在股骨颈骨折患者中得到应用，常用的双极人工股骨头假体主要有锥形扁柄、锥形圆柄或直杆式柱形柄等，能够获得理想的初始及永久固定，从而提高临床疗效5-6。从材料学角度来说，骨骼是一个由羟基磷灰石与胶原等组成的两相材料，磷灰石能够维持骨的压缩强度，而胶原则能够为机体提供足够的抗拉伸能力7-8。但是，人体的骨骼并不个单一的生物材料，而是具备活跃的骨重建活动的人体器官9-10。对于一个正常人而言，人体的骨骼主要依赖于骨形成及骨吸收的动态平衡来维持自身结构及功能的完整性，这些组成结构及其力学强度则成为假体强度维持的条件之一11。双极人工股骨头假体在股骨颈骨折患者中虽然能够取得理想的修复效果，但是临床上对于双极人工股骨头假体的生物力学性能尚存在较大的争议12-13。文章选取河北大学附属医院骨外科2015年1至10月符合标准的23具(46侧)老年股骨颈骨折股骨标本进行分析，观察股骨头双极假体置换及内固定对老年股骨颈骨折的修复效果，探讨股骨头双极假体置换及内固定的生物力学性能。1 材料与方法 Materials and methods1.1 设计 随机对照实验。1.2 时间及地点 于2015年1至10月在河北大学附属医院完成。1.3 材料1.3.1 尸体标本 选取23具(46侧)老年股骨颈骨折股骨标本进行分析，男13例，女10例，年龄63-81岁，采用随机数字表法将标本分为内固定组与股骨头双极假体置换组，每组23侧。试验前入选标本均通过X射线检查确认，排除局部肿瘤、结核、骨折及病理情况，去除附着的软组织。为了便于试验时固定，所有标本自股骨远端中下1/3截除，取双侧股骨中上段标本制作股骨颈骨折模型。1.3.2 内固定植入物股骨头双极假体：股骨头双极假体由捷迈公司生产提供。进口产品注册标准：YZB/USA 1166-2010髋关节假体-双极杯，该产品主要由双极杯、衬垫等组成。其中，双极杯采用ISO5832-4铸造铬钴钼合金组成，灭菌包装。髋关节假体-双极杯生产厂家地址，产品使用与Zimmer股骨头与Zimmer陶瓷股骨头一起配合使用，适用于髋关节置换。股骨头双极假体置换及内固定老年股骨颈骨折实验的主要材料和仪器：材料和仪器来源防腐含双侧股骨骨盆标本河北保定市各医院骨科提供电钻、导针(2 mm克氏针)、线锯、六角改锥、普通注射器河北大学附属医院提供双能X射线骨密度测量仪法国MEDILINK公司C 型X射线透视机德国西门子公司生物力学测试机长春试验机研究所 CSS-44020牙托粉上海医疗器械股份有限公司齿科材料厂1.4 方法1.4.1 标本的制备 内固定组标本行常规金属内固定物置入，根据标本类型置入相应的金属内固定物。股骨头双极假体置换组则行股骨头双极假体置换固定，建立标本模型(见图1)。1.4.2 生物力学测试 固定强度：将2组标本分别根据Pauwell单腿站立模型，模仿人单腿站立时的知识，冠状面股骨干长轴与垂直线呈25角，并保持股骨颈前倾角15，并采用牙托粉将其固定在力学实验机模型中(见图2)14-15。待牙托粉充分凝固稳定后，采用生物力学测试机根据20 N/s负荷在标本股骨头负重区垂直加载，直到负荷达到700 N停止加载，该负荷相当于成人的生理负重，记录两组标本700 N负荷时位移变化16-17。抗压缩性能：将2组标本放置在牙托粉中，并固定在力学实验机的模具中，将力学试验机设置为5 mm/N速度在股骨头负重区垂直加载，指导骨折固定失败位置，记录标本的最大负荷值18-19。最大轴向拔出力试验(Fmax)：将2组标本进行简单处理后放置在生物力学测试机上进行力学测试，记录2组标本固定后在700 N负荷时的位移变化情况。测试完毕后，检查2组标本是否存在固定失败等20-21。图1 股骨颈标本模型建立Figure 1 Establishment of models of femoral neck图注：左图为制备的左股骨模型，右图为制备右股骨模型。BAC图2 两组标本的生物力学测试Figure 2 Biomechanical testing of specimens in both groups图注：图A为固定强度测试试验；B为抗压缩性能测试；C为最大轴向拔出力试验下试样外观破坏。箭头指受力后标本产生的裂纹。1.5 主要观察指标 标本制备完毕后采用力学实验机测试标本的最大承载负荷及最大拔出力。1.6 统计学分析 采用SPSS 18.0软件对采集到的数据进行分析，其中符合正态分布的数据进行单因素方差分析，存在统计学意义予以LSD法两两比较。P 0.05提示经比较2组数据间差异有显著性意义。2 结果 Results 2.1 标本数量分析 纳入23具(46侧)老年股骨颈骨折股骨标本，全部进入结果分析，中途无脱落。2.2 两组标本最大承载负荷比较 股骨头双极假体置换组最大承载负荷均显著高于内固定组(P 0.05)，见表1。入选的46侧标本中随机选取8个标本的最大承载负荷绘制趋势图，结果显示，股骨头双极假体置换组最大承载负荷显著高于内固定组(P 0.05)，见图3。3811ISSN 2095-4344 CN 21-1581/R CODEN: ZLKHAH表1 两组标本最大承载负荷比较 (s，n=23)Table 1 Comparison of the maximum load in both groups 组别最大承载负荷(N)股骨头双极假体置换组3 895.3219.5内固定组3 347.5200.3t20.33P 0.05股骨头双极假体置换组aaaaa最大承载负荷(N)4 5004 0003 5003 0002 5002 0001 5001 000 50001 2 3 4 5 6 7 8 图4 两组最大轴向拔出力试验位移比较Figure 4 Comparison of the maximum axial pullout displacement in both groups 图注：与内固定组比较，aP 0.05。不同标本测定图3 两组标本的最大承载负荷比较Figure 3 Comparison of the maximum load between the two groups图注：与内固定组比较，aP 0.05。1614121086420内固定组a轴向拔出试验位移(mm)aa内固定组aaa表2 两组标本的最大轴向拔出位移比较 (s，n=23，mm)Table 2 Comparison of the maximum axial pullout displacement in both groups组别轴向拔出试验位移股骨头双极假体置换组3.5450.024内固定组7.0320.329t16.39P 0.05aaaaa股骨头双极假体置换组1 2 3 4 5 6 7 8 不同标本测定a 2.3 两组标本最大轴向拔出力试验结果比较 股骨头双极假体置换组轴向拔出试验位移显著短于内固定组(P 0.05)，见表2。由此看出，与内固定组相比，股骨头双极假体置换组固定更加稳定，修复效果更佳。入选的46侧标本中随机选取8个标本的轴向拔出试验位移绘制趋势图，结果显示，股骨头双极假体置换组轴向拔出试验位移显著短于内固定组(P 0.05)，见图4。由此看出，与内固定组相比，股骨头双极假体置换组轴向拔出承受力较大。3 讨论 Discussion股骨颈骨折是临床上常见的疾病，该疾病在老年人群中比较普遍，患者发病后如果不采取积极有效的方法治疗，将会导致愈合率与股骨头坏死，其发生率能够达到20%-30%22-23。临床上，如何采取积极有效的措施避免股骨颈骨折的不愈合，降低股骨头坏死率成为骨科中面临的共性问题24-25。目前，临床上对于老年股骨颈骨折更多的以内固定与股骨头双极假体置换治疗为主，这些方法均能够有效的改善患者症状，提高临床疗效，但各有优缺点26。股骨颈AO空心加压螺钉内固定一直以来被认为具有静力性与动力性加压作用，并且具有一定的张力作用，固定效果理想，治疗费用低等优点，同时该治疗方法手术时间短、创伤小，能够促进骨折的愈合，是目前治疗股骨颈骨折首选的治疗方法27-28。但是，老年患者多数患者伴有骨质疏松，患者常表现为骨骼骨量的丢失及微结构的破坏。这些骨的退行性改变不但增加了骨骼发生骨折风险，也严重影响患者骨折后内固定的稳定性，从而导致骨折后内固定的失败，增加不愈合风险率。数据报道显示，在年龄超过50岁人群中，40%的女性与14%的男性由于骨质疏松症而并发骨折。随着国内人口寿命的不断延迟，骨质疏松性骨折已经成为严重的、而且正在加剧的社会经济问题之一，尤其是对于股骨头骨折，患者采用的内固定治疗时的可靠性存在较大的争议29。同时，内固定治疗时也存在一些缺点，患者治疗后需要长期卧床，不能早起下床负重活动，难以避免股骨头缺血性坏死等，且关节功能优良率较高30。近年来，股骨头双极假体置换在老年股骨颈骨折中得到应用，且效果理想。国外学者进行了一次实验，实验中采用股骨头双极假体置换治疗发现，股骨头双极假体置换治疗时不仅增强了内固定的稳定性，而且对骨折的愈合与股骨头的存在不会产生影响。同时，Antapur等31证实采用股骨头双极假体置换治疗老年股骨颈骨折的有效性，股骨头双极假体置换组较传统内固定组术后的失败率显著下降。股骨头双极假体置换是临床上使用较多的治疗方法，该治疗方法强度与刚度较强，具备良好的生物相容性，并且还具有良好的力学相容性，置入后凝固时不会产生放热反应，也不会引起化学性骨坏死等优点，能够提高患者治疗后稳定性32。文章中股骨头双极假体置换组最大承载负荷、骨密度均显著高于内固定组(P 0.05)。从材料学角度分析，骨骼是一个由羟基磷灰石与胶原组成的两相材料，磷灰石能维持骨的压缩强度，而胶原则能提供其抗拉伸能力。但是，骨骼并不是单纯地生物材料，它具有活跃的骨重建活动的人体器官。对于正常人而言，骨骼主要依靠骨形成、骨吸收的动态平衡来维持自身结构与功能的完整性，这些组成的结构与强度时力学强度维持的必要条件。在年龄增长与雌激素缺乏的多因素作用下，骨吸收超过骨形成，骨重建平衡被打破，从而形成的骨质疏松症，患者发病后主要以皮质骨内膜再吸收与髓腔扩大及松质骨网状连接的断裂与骨小梁变细，最终影响整个骨骼的弯曲、扭转等力学强度，从而引起低能量骨折。Azegami等33研究结果显示，髋部骨折，无论是股骨颈骨折还是转子骨折，患者采用股骨头双极假体置换后均能够有效防止骨折过度嵌插、塌陷，能够减少骨折间的移位，从而更加有利于骨折部位解剖形态恢复，提高骨与内固定之间的把持力，从而能够提高骨折部位的强度与刚度，更加有利于患者术后恢复34-35。文章中入选的46侧标本中随机选取8个标本最大承载负荷绘制趋势图，结果显示，股骨头双极假体置换组最大承载负荷显著高于内固定组(P 0.05)。Bozek等36采用股骨头双极假体置换及内固定治疗老年股骨颈骨折，结果显示，股骨头双极假体置换能够提高患者骨折部位的稳定性与把持力，但是，虽然股骨头双极假体置换优点较多，但有文献报道患者治疗后其抗压强度介于松质骨与皮质骨之间，但是抗张力与抗剪切力不及松质骨37。文章中股骨头双极假体置换组轴向拔出试验位移显著短于内固定组(P 0.05)。对于一个正常人而言，生理情况下髋关节活动幅度大，范围广，因此股骨颈部不仅承受躯体的压缩负荷，而承受了更大的剪切负荷与张力负荷，使得股骨头双极假体置换效果受到不同程度的影响。Takamura等38进行了一次研究，患者手术后在不限制其负重情况下，股骨头双极假体置换组与内固定组患者在术后6周内其稳定性均会有所上升。但是，术后6周与第1周相比效果得到下降。因此，患者治疗过程中应该根据机体髋部力学特性、临床症状等选择合适的治疗方法。文章中入选的46侧标本中随机选取8个标本轴向拔出试验位移绘制趋势图，结果显示，股骨头双极假体置换组轴向拔出试验位移显著短于内固定组(P 0.05)。同时，患者治疗时应该要保证骨折部位的愈合，必须掌握治疗的时机与治疗的方法。对于伴有严重骨质疏松的极度粉碎性骨折患者，治疗时必须具备足够的初始稳定性。临床上对于治疗股骨头双极假体置换及内固定治疗老年股骨颈骨折效果不理想者，可以联合其他方法治疗，发挥不同治疗方案优势，促进患者早期恢复，提高临床治愈率39。综上所述，与内固定植入物相比，股骨头双极假体置换修复老年股骨颈骨折更加稳定，修复效果更佳，能够提高患者髋关节功能，获得良好的初始稳定性，具有较高的临床应用价值。作者贡献：姜源涛负责实验设计，焦建宝、薛金伟负责收集材料，王云飞负责实施，姜源涛负责审核。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：实验方案获得河北大学附属医院伦理委员会批注。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：第一作者对研究与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、分享与销毁，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 彭笳宸,李安余,吕国庆.两种不同手术方法治疗老年股骨颈骨折的疗效J.中国老年学杂志,2011,31(16):3176-3177.2 姚进,赵允,仲从丽.全髋关节置换治疗老年股骨颈骨折52例疗效观察J.中国老年学杂志,2012,32(3):637-638.3 刘亦恒,张寿,张海英,等.全髋关节置换术后的阶段性康复训练临床效果分析J.中国康复医学杂志,2010,25(8): 790-792.4 Korner J,Lill H,Muller LP,et al. 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