作者：闫宏伟，刘凯，宋金辉，刘军，黄向辉，王坤正，张开放
【摘要】 目的 研制具备动力加压功能的新型胫骨交锁髓内钉，并分析其在胫骨不稳定骨折治疗中的可行性及力学性能。方法 男性健康成人防腐尸骨胫骨湿标本45根，随机分左右侧进入不同实验组，按骨折髓内钉及加压钢板内固定的标准手术操作进行内固定后，于胫骨结节上缘至踝关节平面连线中点锯断，制成骨折端间隙环形扩大至5 mm的不稳定骨折模型。新型髓内钉组：新型胫骨髓内钉25套，直径8 mm，长度280 mm。对照组：分为进口髓内钉对照组及AO加压钢板对照组，其中髓内钉对照组为orthofix胫骨髓内钉10套，规格与实验组相同；胫骨8孔AO加压钢板10套为钢板对照组。各组分别进行轴向压缩试验、三点弯曲试验及扭转试验，对不稳定骨折模型的不同内固定方式的抗轴向压缩、抗侧弯、抗旋转力学性能进行测试比较。结果 不稳定骨折情况下，钢板对照组的抗轴向压缩能力最差，新型髓内钉组的抗短缩能力不及髓内钉对照组，组间差异有统计意义(P<0.01)。新型髓内钉组的抗侧弯稳定性明显优于髓内钉对照组，3组中钢板对照组抗侧弯性能最优，组间差异有统计意义(P<0.05)。随骨折稳定性的下降各组抗扭转性能均有不同程度下降。新型髓内钉组的抗扭转性能次于钢板对照组而优于髓内钉对照组(P<0.05)。结论 新型髓内钉的综合力学性能具有明显优越性，其力学性能可保证骨折端的复位和固定要求。
【关键词】 动力加压；不稳定骨折；力学
ABSTRACT: Objective To manufacture a new type of interlocking medullary nail which has dynamic compressing function and then discuss the possibility and acknowledge virtues of the new nail in treating unsteady tibial fractures. Methods A total of 25 pairs of tibial medullary nails (Φ=8mm， length=280 mm) were involved as the test group，10 imported orthofix nails and 10 AO compressing plates were taken as contrapose， and 45 tibias were pided into different test groups by left and right at random. We widened the fracture clearance to 5 mm and obtained the unsteady fracture models after bone fixed by three kinds of devices. The anti-axile compression， anti-lateral bending and anti-torsion property of the new interlocking dynamic compressing intramedullary nail were tested and compared with those of orthofix interlocking intramedullary nail and AO dynamic compression plate in treating unsteady tibial fracture to assess the reliability of the new nail came in cases of unsteady fractures. Results In the cases of unsteady fractures， the imported orthofix nail presented best anti-pressure performance and the new nail came second， the AO compressing plate was the worst， with significant differences (P<0.01). At the beginning of three-point bending， the flexibility was due to the small clearance between the nail and the cortex. The AO compressing plate provided best fixation in both tests of anti-lateral bending and the anti-torsion， and the new nail performed second best， with obvious differences (P<0.05). Conclusion In unsteady tibial fracture， the newly developed nails has superior biomechanical characters， and the reposition and fixation are reliable and better.
KEY WORDS: dynamic compressing; unsteady fracture; biomechanics
文献报道胫骨骨折交锁髓内钉治疗后有5%-28.16%的延迟愈合率和0%-8%不愈合率，早期将静力交锁改为动力交锁是促进胫骨骨折愈合的一种较好的方法。但对于胫骨不稳定骨折而言，早期采用动力固定除可能发生髓内钉退出或进入关节、肢体短缩、骨折移位等并发症外，二次动力化还会增加患者的痛苦及经济负担。本研究旨在对自设计新型动力加压髓内钉应用于胫骨不稳定骨折的可行性及力学性能进行评价。
1 材料与方法
1.1 新型髓内钉的设计思路
将传统交锁髓内钉远端的圆形锁孔设计为椭圆形，这样既保留了交锁髓内钉抗旋转、抗短缩能力，又增加了纵向动力加压功能。在钉体部设计锁钉凹槽，改锁钉钉孔接触为钉面接触，提高交锁准确性及髓内钉的承重面积。体部相邻凹槽为背对式，使髓内钉亦适合偏向干骺段的骨折及多段骨折(图1)。钉体设计按国人胫骨髓腔参数测量结果为依据［1］，交锁髓内钉的近端弯曲角度为11°-12°，弯曲部位设计在髓内钉近端1/4处，使髓内钉更适合国人使用。
1.2 材料
新型髓内钉组为新型胫骨髓内钉25套，胫骨钉直径8 mm，长度280 mm；锁钉为中部采用滑杆设计的双皮质螺纹自攻锁钉，直径4.5 mm。髓内钉对照组为Orthofix进口胫骨髓内钉10套，规格与实验组相同。钢板对照组为AO胫骨8孔加压钢板10套，规格为3 mm×12 mm×140 mm，螺钉直径4.5 mm。
1.3 骨标本收集与骨折内固定模型制备
男性健康成人防腐尸骨胫骨湿标本45根，随机分左右侧进入不同实验组。按骨折髓内钉及加压钢板内固定的标准手术操作进行内固定后，于胫骨结节上缘至踝关节平面连线中点锯断制成骨折端间隙环形扩大至5 mm的不稳定骨折模型，固定完成后将标本两端适当修整，用自制圆形夹具夹持，标本与夹具间空隙用自凝牙托粉充满使固定牢靠并保持两端夹具尽量在同一轴线水平。
1.4 实验方法
新型髓内钉组25根、髓内钉对照组及钢板对照组各10根骨—内固定复合体不稳定骨折模型分别在MTS 880材料测试系统及NJ-50B型扭转试验机上进行轴向压缩试验、三点弯曲试验和扭转试验，每一标本测试结束后将应变仪归零后测试下一标本。轴向压缩试验采用连续加载方式，加载速度1 mm/mm，胫骨最大载荷设定为1 400 N；三点弯曲试验为连续加载方式，加载速度1 mm/mm，最大弯矩设定为4.0 N/m，分别测试矢状面的前—后弯曲及冠状面的内—外弯曲；扭转试验采用内旋方向连续行同轴扭转加载，加载速度1/mm，分别测定扭转刚度和扭转强度。
1.5 统计学分析
实验结果以均数±标准差(±s)表示，统计学分析中，组间方差齐时，组间两两比较采用LSD-t检验；若组间方差不齐，组间比较则采用非参数秩和检验。显著性水平为0.05，统计软件为SPSS11.0。
2 结 果
2.1 轴向压缩试验
髓内钉对照组由于采用静力性固定，其在不稳定骨折情况下表现出了良好的抗短缩能力，新型髓内钉组抗轴向压缩能力优于钢板对照组，钢板对照组对不稳定骨折的抗轴向压缩能力最差(表1)。 表1 不同方式固定后胫骨干载荷-位移变化（略）
2.2 三点弯曲试验
通过对实验过程的观察和对测试结果的分析可见，桡度均随着载荷的增加而增大，加载的初期，桡度的发生主要于钉骨之间的间隙有关。新型髓内钉组的抗侧弯性能较髓内钉对照组优良，钢板对照组测试结果最优。采用髓内钉固定的新型髓内钉组和髓内钉对照组，由于骨髓腔呈矢状径长的椭圆形，故而钉骨之间的间隙在矢状位和冠状位不等，导致内→外弯曲与前→后弯曲抗弯性能出现差异(表2、表3)。表2 不同方式固定后胫骨干弯矩-桡度变化（略）表3 不同方式固定后胫骨干弯矩-桡度变化（略）
2.3 扭转试验
从实验结果可以看出，由于骨折稳定性下降，各组抗扭转性能均有不同程度下降，加压钢板对照组的抗扭转性能最好，新型髓内钉组居中，髓内钉对照组又次之。说明在髓内钉与髓腔匹配性下降情况下，在不稳定骨折治疗中采用静力性固定并不能提高抗扭转稳定性。力学测试结果见表4。表4 不同方式固定后胫骨干扭矩-扭角/扭转刚度情况（略）
3 讨 论
3.1 髓内钉设计的目标
具备动力加压性能同时不增加骨折段的旋转或发生短缩的潜在危险是目前髓内钉设计的目标。目前国际上常用的髓内钉有两种，一种是以Grosse-Kempf为代表的第一代交锁髓内钉及对其进行改型设计后的第二代交锁髓内钉，简称G-K钉；另一种是以Brooker-Wills为代表，其钉的远端由槽中伸展出几个凸出物，起动态交锁及抗旋转作用，简称B-W钉。国内大多应用的为其仿制品，并主要为G-K钉［2］。这种钉主要依据欧美人股骨、胫骨形态而设计，G-K钉是一种静态交锁，易产生应力遮挡导致骨折延迟愈合或不愈合可能，负重后应力集中导致断钉可能，另一个束缚髓内钉广泛应用的原因是远端交锁螺钉安装困难［3］。B-W钉属于动力型髓内钉，其缺点是抗旋转能力差、退钉、需多次手术等［4-5］。目前国内外应用的交锁髓内钉主要是静力型交锁髓内钉，其主要弊端表现为高应力遮挡和断钉风险，将静力型固定动力化是目前促进骨折愈合、解决应力遮挡问题的主要方法，静力型固定转化为动力型固定时需要同时手术取出远端的两枚交锁螺钉，其不但增加患者痛苦，而且有骨折再次出现旋转或短缩的潜在风险。这也是对于胫骨不稳定骨折如粉碎性骨折，不宜采用动力固定的原因所在。现阶段的设计目标应是方便交锁且具备动力加压性能，同时要求不增加骨折段的旋转或短缩发生的潜在危险。
本研究发现，在不稳定骨折条件下，同为接近骨骼生物力线的髓内钉内固定，髓内钉对照组由于采用了静力性固定，表现出了较强的抗轴向压缩性能，但由于与髓腔的匹配性不如新型髓内钉组髓内钉好，其抗侧弯及抗旋转性能在不稳定骨折治疗中并未因其静力性固定而得到加强。其较高的应力遮挡不但增加了断钉的风险，更使有益于刺激骨愈合的轴向压应力传导很少通过骨折断端，容易导致骨折延迟愈合，往往需要在固定过程中通过手术转变为动力性固定。新型髓内钉优良的抗侧弯及抗旋转性能能够减少或避免弯曲或旋转等有害应力对骨折愈合的干扰，其动力加压功能能增加有利于骨折愈合的应力传导，对骨折愈合极为有利。新型髓内钉结构上的特殊设计，不但使远端交锁更加准确、方便，也使其适用于胫骨的多段骨折。动力加压过程中锁钉对主钉滑动的适当限制既能防止短缩的发生，也能避免髓内钉退出或进入关节。力学研究发现，与新型髓内钉相配套的新型交锁螺钉更能有效提高交锁螺钉的力学性能，减少与交锁螺钉相关的术后并发症［6］。因此，新型髓内钉的设计符合髓内钉的发展方向，力学性能优良，符合生物力学和生物学标准，呈弹性、动态固定，且应力遮挡效应低，可满足胫骨不稳定骨折的治疗要求。
3.2 加压钢板用于不稳定骨折内固定的生物力学性能分析
加压钢板螺钉内固定是AO理论的产物，是治疗不稳定骨折的常用方法。其与髓内钉固定不同，髓内钉处于骨干的力学中心，在冠状面和矢状面上同时具有与骨干相同的力学行为［7］，而加压钢板属于偏心固定，其仅与骨干在一个方向上表现出相同的力学行为。从本研究的力学分析可以看出，虽然其表现出了较好的抗侧弯和抗旋转性能，但其较大的应力遮挡效应和较差的抗轴向压缩性能已成为其应用于不稳定骨折的致命缺点，尤其在不稳定骨折承载更多轴向载荷情况下，此种早期开始并将持久作用于断端周围的轴向压应力，将会导致骨折的移位或短缩，或是钢板的折弯或断裂。
参考文献
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