三叉形股骨膨胀式空心加压螺钉抗旋出性能的生物力学研究

尹一然，陈 歌，鲁晓波

（泸州医学院附属医院骨关节外科，四川 泸州 646000）

股骨颈骨折主要由于骨质疏松、老年人髋周肌肉群退变、反应迟钝或遭受严重外伤所致的股骨颈断裂［1］。且由于股骨颈处血运和生物力学特点，具有较高的股骨头坏死发生率［2］。由于老年人易存在骨质疏松的特性，骨折难以愈合，且易发生严重并发症，影响我国老年患者的生活质量［3］。传统的内固定器械在手术后由于负载过大往往易出现内固定物的松动或拔出，影响治疗效果。因此，国内外众多学者均致力于研制具有可靠生物力学特性的内固定器械。本研究采用自行设计三叉形膨胀式空心加压螺钉固定股骨颈骨折，与普通AO空心加压螺钉比较，通过测定其抗旋出性能来探讨三叉形股骨膨胀式空心加压螺钉内固定植入的稳定性作用。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 标本 新鲜猪股骨标本12个（均为养殖1年以内公猪，自养殖场统一购买），经X线检查排除明显骨质疏松、骨折及骨病。制备成标准股骨颈基底部骨折模型（Pauwels角＝50°）。

1.1.2 内固定器械 三叉形膨胀式空心加压螺6枚，普通AO空心螺钉6枚，由北京中智云天医疗器械公司按设计图样制造。

1.1.3 测量工具和仪器 64排64层CT、C臂X光机、万能材料实验机、四川大学生物力学实验室扭转力学试验机、普通空心加压螺钉（北京中智云天医疗器械公司）、电动摆锯等。

1.2 实验方法

1.2.1 制备三叉形膨胀式空心加压螺钉，见图1。

图1 三叉形膨胀式空心加压螺钉Figure 1 The trigeminal form expansion cannulated screws注：a.主钉及内栓；b.内栓拧入主钉后

1.2.2 分组及固定 将12只新鲜猪股骨标本随机分为实验组和对照组。实验组采用三叉形膨胀式空心加压螺钉固定，对照组采用AO空心加压螺钉固定。所有内固定进钉方法一致，X线下检测复位效果满意。

1.2.3 测定各组最大旋出力矩 在万能材料实验机上进行轴向拔出实验。将股骨固定于特制夹具，使螺钉长轴与试验机的扭转轴处于同一轴线。沿长轴方向以240°／min的角速度旋出螺钉，至螺钉松动后停止。载荷信号由计算机数据采集系统记录，并由连接的测试软件计算出螺钉的最大旋出力矩。并计算出角度－旋出力矩曲线下0～180°范围的面积，即为螺钉旋出180°能量吸收值。

1.3 统计学方法 采用SPSS 12.0统计软件分析处理，采用t检验，计数资料以¯s±s表示，P≤0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 外观观察 三叉形膨胀式空心加压螺钉组和普通AO空心加压螺钉组骨折复位和固定均符合临床标准，各组标本在实验过程中螺钉均无断裂、松动等情况出现。标本在实验过程中未出现其他骨折。

2.2 实验数据 螺钉类型、最大旋出力矩、旋出180°能量吸收值及骨密度等实验数据，见表1。表1显示，三叉形膨胀式空心加压螺钉的抗旋出性能明显优于普通AO空心螺钉。

表1 两组螺钉的最大旋出力矩与旋出180°时能量吸收值（n，）Table 1 The energy absorption value and the maximum rotating torque

表1 两组螺钉的最大旋出力矩与旋出180°时能量吸收值（n，）Table 1 The energy absorption value and the maximum rotating torque

组别 螺钉类型 最大旋出力矩（Nm） 旋出180°能量吸收值（J） 骨质密度（g／cm2）P 3.23±0.68 7.63±1.58 0.85±0.07 0.05对照组 普通AO空心螺钉实验组 膨胀式空心加压螺钉1.98±0.32 2.89±1.030.83±0.09 0.05

3 讨论

股骨颈骨折是临床最常见的骨折之一，多数学者认为股骨颈骨折的发生随年龄的增加骨折退化及女性绝经后骨质疏松有关。国外资料统计约80%股骨颈骨折与骨质疏松有关［4］；国内研究显示，股骨颈骨折中伴有骨质疏松症患者高达86.2%［5］。由于股骨颈解剖结构及其骨折后病变特点，股骨颈骨折后股骨头的血供受到破坏，关节囊内出血使囊内压力增高，致使股骨头血供进一步遭到破坏。因而股骨颈骨折后骨折处不愈合及股骨头坏死的发生率较高，不仅严重影响中老年人的身体健康和生活质量，也是中老年人致残、致死的主要原因之一［6］。

近年来中空加压螺钉内固定术由于简捷方便，损伤较小，疗效较好，逐渐成为治疗新鲜股骨颈骨折的首选方法［7］。有观点认为，无论何种类型的股骨颈骨折（即使是无移位型或嵌插型），除非病人有明确手术禁忌症，均应考虑手术治疗，可以有效地防止骨折再移位，并减少卧床时间，减少骨折合并症发生［8］。但虽然内固定术在骨质疏松性股骨颈骨折的治疗中起着重要的作用，但临床效果仍不十分令人满意［9］。中空加压螺钉固定的优越性依赖于它能否获得足够的骨－螺钉界面握持力。老年人由于骨质疏松，骨骼质量差，其脆弱的骨质不能给内固定器械提供牢固的锚定点及骨支持，单纯螺钉固定的支持作用较差，在骨－螺钉界面握持力不足或术后承载负荷过大时，可造成内固定物松动、退出及再次发生骨质等并发症，内固定失效率较高［10］。众多的学者专家一直着力于内固定器械的设计以及材料的改进，提高手术操作技术，以使得股骨颈骨折患者早期内固定手术的可靠性得到更大的提高。

本实验所设计采用的三叉形膨胀式空心加压螺钉采用钛合金制备，生物相容性好、稳定性强、耐磨蚀、抗磁性及抗疲劳，金属惰性大，不易产生电离反应，排异反应小，对患者骨折愈合不良影响小。且钛合金在X线、CT、MRI等影像学检查中基本不产生伪影，便于早期在术后复查中发现股骨头坏死。在传统的AO空心加压螺钉外形基础上改良的三叉形膨胀空心加压螺钉，增加了螺钉整体体积及与周围骨质的接触面积，方法是通过拧入内栓，使空心加压螺钉前端的膨胀部直径明显增加，使得螺钉与周围骨折接触面成角增加，剪切应力增加，增加了螺钉的把持力以及对骨折端的压力，使得螺钉的稳固性明显增加。同时，内螺钉采用拧入而非锤入，避免了在负载下骨折断端间的分离。在评价螺钉的稳定性的生物力学测试的众多方法，轴向拔出力试验常被采用作为评价螺钉稳定性的指标。因最大轴向拔出力主要取决于螺钉与周围骨质的剪切应力，即螺钉与周围骨质接触面积越大，其剪切应力也越大，可较好的反映螺钉的生物稳定性。

4 结论

三叉形膨胀式空心加压螺钉能有效增强内固定的抗拔出力，抗扭转效能明显优于传统AO空心螺钉，具有较传统中空螺钉更好的固定作用，可显著提高内固定的稳定性。应用于临床特别是具有骨质疏松的患者具有较高的实用价值。

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