新型防脱出螺钉治疗股骨颈骨折的生物力学特性

聂明喜 王建民 孙永健 李保良

股骨颈骨折约占全身骨折的4%[1]，随着世界人口的老龄化及交通、建筑的迅速发展,老年及青壮年股骨颈骨折的发病率均逐渐上升。目前股骨颈骨折的治疗，AO空心加压螺钉治疗股骨颈骨折是目前国际上主要提倡的内固定方法[2-3]，但对于骨质疏松症老年人股骨颈骨折来说，内固定器械对骨的把持力较弱，易造成螺钉的松动退钉、螺钉穿透股骨头，影响患侧关节功能，更有甚者增加了骨折不愈合率和股骨头坏死率[4]，在年轻患者常会出现螺钉的取出困难。为解决这一系列临床问题，本课题设计出新型防脱出型多六角空心加压钛合金螺钉，本文旨在测试其生物力学特性。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 标本准备 收集南方医科大学提供的国人成年福尔马林浸泡尸体股骨标本48对(96根)，去除股骨头及股骨颈部所有组织，经X线检查排除畸形、骨折等病变，在经双能X线骨密度测定，筛选出密度相近的标本，按实验要求制成60个标本，把标本放入福尔马林浸泡。测试前24h取出进行实验。

1.1.2 螺钉设计 新型防脱出型多六角空心加压螺钉采用医用钛合金材料；螺钉规格：螺钉的长度75～110mm，每5mm为一规格，外径7.5mm；内径5.0mm；中央孔径为2.7mm，近侧螺纹长度10mm；近侧螺纹螺距1.75mm，远侧螺纹长度18mm，远侧螺纹螺距2.75mm，钉头内六角对边径4.0mm，钉头外六角对边径8.5mm；钉头宽度5mm；如图1、图2。

图1 新型防脱出型多六角空心加压钛合金螺钉设计图

图2 新型防脱出型多六角空心加压钛合金螺钉实物

1.1.3 实验仪器 C臂透视机；双能X线吸收骨密度仪(LunarCorp.Madison,W I,USA),博士Electro Force 3510高精度生物材料实验系统。

表1 五种力学实验数据表（±s）

表1 五种力学实验数据表（±s）

注：新型螺钉组与AO螺钉组相比较，差异具有统计学意义P＜0.05。

A(N) B(N) C(N.m/度) D E上钉(N) 下钉(N) 上钉(N) 下钉(N)新型螺钉 4996.33±424.52 2184.8±145.3 3.32±0.37 1603.83±47.31 1988.50±71.19 13695.50±1428.28 18954.33±1809.38 AO螺钉 4952.17±597.03 2070.50±184.94 3.25±0.28 1215.83±68.78 1639.17±46.44 7581.17±758.74 12581.17±1431.37 t值 0.23 5.26 0.50 12.73 2.19 15.40 11.70 P值 ＞0.05 ＜0.05 ＞0.05 ＜0.005 ＜0.05 ＜0.005 ＜0.005

1.2 方法 将福尔马林浸泡人尸体近端股骨成对（30对）标本按左右侧各分为一组，即左侧标本为一组，右侧标本为一组，每组30个标本，两组标本按成对（30对）随机分为5个亚组，即A、B、C、D、E；每个亚组12个标本，即6对标本。其中A、B、C亚组以Klenerman法截骨，造成股骨颈骨折模型(Pauwels角=50°)；右侧每个标本用2枚新型防脱出型多六角空心加压钛合金螺钉固定，左侧每个用2枚AO空心加压螺钉固定（进钉时，在平行导向器及C臂机的辅助下使一枚螺钉通过股骨颈的中下方股骨距，一枚螺钉通过股骨颈的前上方，即骨小梁经过的部位，形成一个“张力带”，螺钉头距股骨头约0.5cm；所有标本内固定经X线证实达到所需预定位置）。在博士Electro Force 3510高精度生物材料实验系统上将股骨标本固定于特制的夹具上，A组模拟人单足站立下将标本与生物力学试验机相连，开始以5.0mm/min的加载速度逐渐增加直至内固定失败并记录数值(失败标准：标本出现骨折，股骨颈、股骨头破裂），记录最大数值；B组标本两端固定于特制夹具上，将标本与生物学机相连（使固定螺钉的长轴与试验机纵轴平行），开始以5.0mm/min的加载速度逐渐进行拔出实验，出现螺钉被拔出股骨头为止，记录拔出最大力；C组标本以2N.m/min的加载速度，以扭矩0～2N.m下标本的旋转角度值，记录相应数值；D组标本沿螺钉方向经专用工具固定在实验机上以5.0mm/min的加载速度拔出螺钉，测量每个标本上下两钉最大拔出力；E组标本螺钉方向经专用工具与试验机相连以5.0mm/min加载速度挤压螺钉，直至螺钉头穿出股骨头，测量最大挤压力。

1.3 统计学方法 采用SPSS 10.0统计软件分析，对每组中对应的亚组中的差值的总体进行正态性检验和方差齐性检验，对应差值的总体满足正态分布；因此，两组中对应的A、B、C、D、E亚组数值均采用配对t检验。

2 结果

由表1可以看出新型防脱出型多六角空心加压钛合金螺钉与对照AO空心加压螺钉固定最大抗压强度和等量扭矩下的旋转角度无统计学意义(P＞0.05)，新型防脱出型多六角空心加压钛合金螺钉最大抗脱出力、最大轴向拔出力、螺钉进入关节腔最大挤压力有统计学意义(P＜0.05)。

3 讨论

自从Langenback(1850)首创内固定治疗股骨颈骨折以来，至今已有近百种内固定器械相继应用，归纳起来，大体上分为无螺纹钉和有螺纹钉两大类，目前股骨颈骨折的治疗，AO空心加压螺钉治疗股骨颈骨折是目前国际上主要提倡的内固定方法[2-3]，优点：可经皮穿刺、创伤小、操作简单、对股骨头血运破坏少，手术时间短，愈合率高，据报道空心螺钉治疗股骨颈骨折愈合率达91.4%[5]；2枚螺钉“张力带”固定具有较强的抗压强度和抗旋转能力[6]；骨折端可获得良好的加压力，通过应力刺激加速骨折愈合；患者因内固定牢固、疼痛等症状迅速缓解，可能很快进行功能锻炼和部分负重，减少骨折并发症发生,同时2枚螺钉固定法也减少股骨颈骨折内固定后股骨颈短缩几率[7]。但在临床应用中发现对于骨质疏松症老年人股骨颈骨折来说，内固定器械对骨的把持力较弱,易造成螺钉的松动退钉、螺钉穿透股骨头,影响患侧关节功能，更有甚者增加了骨折不愈合率和股骨头坏死率[4]，在年轻患者常会出现螺钉的取出困难。为解决这一系列临床问题，本课题设计出新型防脱出型多六角空心加压钛合金螺钉。

新型防脱出型多六角空心加压钛合金螺钉头部比AO的螺钉稍大，可以有效阻止螺钉进入骨质内，防止螺钉进入关节内或向对侧移动；螺钉近侧螺杆部分为皮质骨螺纹，近侧部分的螺纹可以有力地的固定在骨质的皮质部分，防止螺钉向外脱出，同时骨折端血液除可沿中央空心部分流出外，也可沿近侧皮质骨螺纹渗出到股骨颈以外，既对骨折端起到减压作用，又可改善股骨头的静脉回流[8]；螺钉远侧螺杆部分为松质骨螺纹，直径和长度比AO螺钉稍长，对老年骨质疏松者，可以增加螺钉的把持力以及对骨折端的挤压力。螺钉近侧螺纹与远侧螺纹之间的部分为光滑的螺杆部分，螺杆两端的螺纹在螺钉拧入时远近侧螺丝前进的速度不同，远端松质骨螺纹前进速度较快，从而能在骨折的两端之间产生轴向挤压力，可以有效的对抗使骨折面分离的拉力。使骨折端紧密接触，骨折端剪切力变小，压应力增加，大大增加内固定的稳定性，从而提高骨折的愈合率。

螺钉另外特点在于螺钉头有两个内六角组成，由一个外六角，一个内六角，有两套相配的套筒扳手：即外六角套筒扳手和外六角套筒扳手，在取出螺钉时起双保险作用，尤其年轻患者，可以防止取钉困难，避免强行取螺钉时大量破坏股骨颈内的骨质和血运，从而减少内固定物取出术后股骨头坏死的几率。钛合金螺钉具有生物相容性好、稳定性强、耐磨蚀、抗磁性及更强的抗疲劳，金属惰性大，不易产生电解反应，很少有排异反应，对患者骨折愈合基本无不良影响，如果没有特殊症状可以不必手术取出，可以避免患者二次手术损伤，从经济效益上减少支出，也可降低股骨头坏死几率；钛合金螺钉对X线、CT、MRI等成相的干扰性很小，基本不产生伪影，便于辨认早期股骨头坏死，早期发现，早期治疗。

本实验证实新型防脱出型多六角空心加压钛合金螺钉与AO空心加压螺钉具有相同的抗压、抗扭转，但在抗轴向拔出性、抗脱出、抗螺钉进入关节腔方面的性能比AO空心加压螺钉更好。因此对于临床上出现的骨质疏松病人，新型防脱出型多六角空心加压钛合金螺钉以提供坚强的内固定，同时防止退钉，也防止螺钉穿进股骨头，但必须指出骨质疏松的患者术后需进行骨质疏松的药物治疗[9]，同时对年轻患者也可防止螺钉取出困难。本螺钉的缺陷在于螺钉的远端部分体积较AO螺钉大，而内固定器械在股骨头内所占的体积对股骨头的血运有一定影响[10]，从而增加股骨头坏死几率，但临床上多数患者已从三钉法逐步改用两钉法固定股骨颈骨折，总体上所有螺钉总体积有所减小，股骨头坏死几率有所减少[11]。本实验的缺陷是股骨颈标本使用的是甲醛固定的防腐标本，标本是用防腐标本，Spring和Blair等[12-13]提出，可以将防腐尸骨所获得的生物力学数据看作是从骨密度值比防腐尸骨低的新鲜尸骨中获得，但由于活体股骨颈力学的复杂性，仍需大规模的临时实验验证新型防脱出型多六角空心加压钛合金螺钉实用性。

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