不同角度植骨和空心钉固定股骨颈骨折的生物力学研究

李智勇　张奇　张英泽　王娟　田帅　秦士吉　刘跃驹　许斌

不同角度植骨和空心钉固定股骨颈骨折的生物力学研究

李智勇张奇张英泽王娟田帅秦士吉刘跃驹许斌

【摘要】目的探讨游离髂骨块不同角度植骨、空心钉固定股骨颈骨折的生物力学效果，为临床应用提供生物力学依据。方法选用9对成人防腐股骨标本，随机分入0°角植骨组和30°角植骨组。所有标本均制成股骨颈骨折模型，解剖复位后采用3枚空心钉及髂骨块固定，空心钉呈正等腰三角型分布，髂骨块越过骨折线约1.5 cm，其中0°角植骨组髂骨块位于三枚空心钉中间，并与其平行，30°角植骨组髂骨块与空心钉成30°角。2组标本均应用Electroforce 3520-AT生物力学实验机进行抗扭转、抗压、循环载荷及极限载荷实验。结果抗扭转实验中使股骨头扭转3° 和5°时，30°角植骨组扭矩值均大于0°角植骨组(P均＜0.05) ;抗压实验中在700 N和1 000 N的垂直载荷下，30°角植骨组位移值均小于0°角植骨组(P均＜0.05) ;所有标本均成功完成了循环实验，无疲劳骨折、内固定失败出现。30°角植骨组能够承受的极限载荷比0°角植骨组大11.7%(P＜0.05)。结论采用3枚空心钉固定股骨颈骨折时，30°角植骨的生物力学稳定性优于0°角植骨，本实验结果为临床上治疗股骨颈骨折采用最佳的植骨方式提供了生物力学依据。

【关键词】股骨颈骨折;骨折固定术;植骨;生物力学

项目来源:河北省科学技术研究与发展支撑计划项目(编号: 122777169)

作者单位: 050051石家庄市，河北医科大学第三医院，河北省骨科生物力学重点实验室

股骨颈由于解剖位置特殊，骨折后血运遭受破坏，容易发生骨折不愈合及股骨头坏死［1］。为了提高骨折愈合率、降低股骨头坏死率，各国学者均在寻求各种治疗，如带肌蒂或者血管蒂的骨移植［2－4］，但这些手术方法创伤大、手术操作复杂，不易在临床推广应用。游离骨块植骨，手术简单，能够促进骨折愈合，已经应用于临床［5－7］。目前临床上游离骨块植骨多采用空心钉固定，植骨块放置于股骨颈中部并与空心钉平行(植骨块与空心钉成0°角)，这种固定方法生物力学稳定性差，术后需要石膏外固定或者皮肤牵引［5－7］，影响患者术后进行髋关节功能锻炼。本研究设计了一种30°角植骨、三枚空心钉固定股骨颈骨折的方法(植骨块与空心钉成30°角)，经生物力学研究证实稳定性优于0°角植骨，报告如下。

1　材料与方法

1.1标本的制备及保存9具经甲醛防腐处理的成年尸体标本，男6例，女3例;年龄47～73岁，平均年龄67岁。将股骨及同侧髂前上棘处包括内外板的骨块从每具尸体标本取下。通过肉眼观察，正、侧位X线检查，证实全部标本无风湿、结核、肿瘤等病变及解剖学变异。采用双能X线全身骨密度测量仪检测9对股骨近端标本的骨密度。

1.2骨折模型的制备及固定将每对股骨及同侧的髂前上棘骨块随机分入0°角植骨组和30°角植骨组。所有股骨标本均用摆锯于股骨颈中部并垂直于股骨颈轴线锯断，造成骨折模型［8，9］。所有标本固定均由同一术者在C型臂X线透视仪下完成。

1.2.10°角植骨组，骨折端解剖复位后，平行打入3根导针，呈正等腰三角型分布，于3根克氏针中央平行打入第4根导针，用直径8.5 mm空心钻沿第4根导针钻取骨性隧道，越过骨折线约1.5 cm。根据骨隧道的大小及深度修剪髂骨块，保留外侧及上方皮质，将骨块打入骨性隧道，拧入3枚空心钉。见图1～3。

1.2.230°角植骨组，解剖复位后，平行打入3根导针，布局同0°角植骨组。由大转子处向股骨头前下方打入第4根导针，与其余导针约成30°角，用直径8.5 mm空心钻沿第4根导针钻取骨性隧道，越过骨折线约1.5 cm，植入髂骨块并拧入空心钉。见图4～6。

1.3生物力学实验(1)抗扭转实验:将股骨标本固定于Electroforce 3520-AT生物力学实验机上，使股骨与垂直面成25°夹角，前倾5°～10°，以模拟正常人单足站立时的负重情况［10］，以0.5°/s的速度将股骨头顺时针扭转至5°，记录扭转3°、5°时的扭矩。(2)抗压实验:将标本恢复至初始位置，以20 N/s的速度垂直向下给予股骨头加载应力至1 000 N，记录700 N，1 000 N时生物力学机显示的位移数值。(3)循环载荷实验:将标本恢复至初始位置，以频率2 Hz，给予股骨头加载700 N的交变压应力，加载方式为正弦波加载，做1 000个循环。完成后对标本再次进行抗扭转和抗压实验，方法同上。(4)极限载荷实验:最后以20 N/s的速度对标本进行垂直加载应力，直至内固定失败。失败标准:标本出现骨折，股骨颈、股骨头破裂，力位移曲线维持平直或下降，记录内固定失败时的应力。

1.4统计学分析应用SAS 8.1统计软件，左、右侧股骨标本近端的骨密度值，垂直应力为700 N及1 000 N时的位移值，股骨头扭转3°、5°时扭矩值及内固定失败时的极限载荷值，采用t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

图1　平行打入3根导针，呈正等腰三角形分布，于股骨颈中央平行打入第4根导针

图2　用直径8.5 mm空心钻沿第4根导针钻取骨性隧道

图3　最后骨折采用3枚空心钉固定

图4　由大转子处向股骨头前下方打入第4根导针，与其余导针约成30°角

图5　用直径8.5 mm空心钻沿导针钻取骨性隧道

图6　骨折采用3枚空心钉固定，髂骨块与空心钉约成30°角

2　结果

左侧股骨近端标本的骨密度值为(0.794±0.073) g/cm2，右侧为(0.803±0.082) g/cm2，双侧骨密度差异无统计学意义(P＞0.05)。所有标本均成功完成了循环载荷实验，无疲劳骨折、内固定失败出现。内固定失败时，30°角植骨组能够承受的极限载荷为(2 360.811±204.340) N，0°角植骨组为(2 112.689 ±186.913) N，30°角植骨组比0°角植骨组大11.7% (P＜0.05)。见表1、2。

3　讨论

股骨颈骨折是临床常见的创伤，约占股骨近端骨

表1　不同垂直载荷下的位移值　n=9，mm，±s

表1　不同垂直载荷下的位移值　n=9，mm，±s

载荷　30°角植骨组　0°角植骨组　t值　P值循环实验前700 N　0.364±0.046　0.522±0.064　8.97　0.000 1 000 N　0.444±0.050　0.675±0.063　17.28　0.000循环实验后700 N　0.315±0.049　0606±0.049　15.93　0.000 1 000 N　0.398±0.051　0.732±0.071　25.67　0.000

表2　不同扭转角度下的扭矩值　n=9，Nm，珋±s

表2　不同扭转角度下的扭矩值　n=9，Nm，珋±s

扭转角度　30°角植骨组　0°角植骨组　t值　P值循环实验前3°　9.914±1.658　8.716±1.731　3.42　0.009 5°　14.027±1.780　12.490±1.744　5.01　0.001循环实验后3°　9.561±1.913　7.936±1.547　4.81　0.001 5°　13.205±2.111　11.173±1.653　5.23　0.001

折的53%［11］，近年来随着世界人口老龄化的加剧和交通、建筑业的发展，股骨颈骨折呈逐年增加的趋势［12，13］。空心钉内固定具有较强的抗旋转、抗剪力作用，并且能够对骨折断端自动加压，提高了骨折固定的强度，目前在国内外已成为治疗股骨颈骨折的一种公认方法，然而骨折不愈合、股骨头缺血性坏死依然是空心钉内固定治疗股骨颈骨折的两大并发症，其各自的发生率可高达33%和16%［1］，一旦发生将严重影响患者的生活质量，并给患者造成沉重的经济负担。

植骨是提高股骨颈骨折愈合率及降低股骨头坏死率的一种有效方法。根据骨块植入的方式，植骨术可分为两种: (1)开窗植骨［3，4］:切开关节囊，在股骨颈前外侧开凿骨槽，将骨块嵌入骨槽，骨块多取自髂骨并且带有肌蒂或者血管蒂，手术创伤大，操作复杂，容易破坏股骨颈残留的血运，并且骨块不稳定，容易脱落［3］，目前多用于青壮年股骨颈骨折的治疗。(2)股骨颈中部植骨［5－7，14］，切开关节囊但无需开凿骨槽，于股骨颈中部钻取骨隧道，将骨块打入骨隧道，骨块与螺钉平行，多取自腓骨，可带游离血管(笔者将这种植骨方法称为0°角植骨)。这种植骨方法操作简单，但是仍然需要切开关节囊，创伤大，由于钻取的骨隧道与空心钉平行，容易破坏空心钉之间的骨性结构，因此稳定性差，术后需要石膏外固定或者皮肤牵引［5－7］，这必然会影响患者术后进行髋关节功能锻炼，若骨块取自腓骨还会破坏正常的小腿骨性结构，不易为患者所接受，目前主要用于陈旧性股骨颈骨折或者股骨头坏死的治疗［2，14］。

本研究设计的30°角植骨不同于以上两种植骨方法，无需切开关节囊及开凿骨槽，于股骨大粗隆向股骨头前下方开拓骨隧道，置入髂骨块，骨块同时包含松质骨和皮质骨并与3枚空心钉呈一定角度，因此抗压及抗旋转能力增强，这种植骨方式简单，创伤小，并且采用3枚空心螺钉固定，可用于新鲜股骨颈骨折的治疗。

股骨颈骨折采用空心钉固定后，植入骨块必然会对骨折固定效果造成一定影响，植骨块的位置、角度和空间分布不同，其抗压力、抗扭转作用及稳定性也不尽相同。李强一等［15］通过生物力学实验证实股骨颈骨折采用3枚空心钉固定后，股骨颈中部植入髂骨块后生物力学稳定性与单纯采用3枚钉固定无显著性差异。本试验的目的是比较成角度植骨、3枚空心钉固定与股骨颈中部植骨、3枚空心钉固定股骨颈骨折的生物力学效果。结果显示在700 N及1 000 N的垂直应力下，30°角植骨组股骨头的位移均明显小于0°角植骨组，说明30°角植骨组的抗压能力优于0°角植骨组。结果还显示使股骨头顺时针扭转3°及5°时，30°角植骨组所需扭矩均大于0°角植骨组，说明30°角植骨组的抗扭转能力优于0°角植骨组。导致30°角植骨组内固定失败的极限载荷比0°角植骨组大11.7%，说明30°角植骨组的极限抗压能力优于0°角植骨组。总之，股骨颈骨折采用3枚空心钉固定后，30°角植骨在生物力学稳定性方面优于股骨颈中部植骨。

成人股骨颈前面平坦，后面光滑而凹陷，其断面为椭圆形，横径男性平均为24 mm，女性为21.7 mm，而临床上通常使用的空心钉直径一般为6.5 mm或者7.3 mm。因此当股骨颈骨折采用3枚空心钉固定后，股骨颈内剩余空间并不大。进行股骨颈中部植骨钻取骨性隧道时，空心钻与空心钉之间容易互相接触，3枚空心钉中间的骨皮质及骨松质会遭到一定程度的破坏，虽然植入骨块，但3枚螺钉对周围骨质的把持力依然减弱了，因此对固定骨折的稳定性有一定的影响。而30°角植骨则最大限度的降低了空心钻与空心钉之间接触的机会，并且没有对3枚空心钉中间的骨质造成破坏，因此对固定骨折的稳定性影响并不大。

总之，股骨颈骨折采用3枚空心螺钉固定后成角度植入游离髂骨块，其生物力学稳定性在抗扭转、抗压及极限载荷方面均明显优于股骨颈中部植骨。本实验结果为临床上治疗股骨颈骨折采用最佳的植骨方式提供了生物力学理论依据，但在临床工作中是否能进一步提高骨折愈合率和降低股骨头缺血坏死率，还有待于临床研究进一步证实。

参考文献

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Biomechanical study of femoral neck fracture fixed by cannulated screws and iliac bone graft at different angles

LI Zhiyong，ZHANG Qi，ZHANG Yingze，et al.
The Third Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang 050051，China

【Abstract】ObjectiveTo investigate the biomechanical stability of iliac bone grafts at different angles with three cannulated screws for fixation of femoral neck fractures in order to provide scientific basis for clinical application.Methods The nine pairs of proximal femora and ipsilateral iliac bone grafts with lateral and upper surface retaining cortex were harvested from nine cadavers fixed in formalin，which were randomly divided into two groups: cannulated screw with medial bone graft fixation group (CMB group)，cannulated screw with cross bone graft fixation group (CCB group).The specimens were cut with power saw to create a standardized midcervical osteotomy perpendicular to the cervical neck.The fracture was then reduced and fixed with three parallel 7.3mm cannulated screws and an iliac bone graft.The cannulated screws were placed triangularly with one screw superior and two inferior.In the CMB group，the bone graft was in the middle of three cannulated screws and parallel with it，however，in the CCB group，the bone graft was made an angle of 30°with the screws on postero-anterior position.All the bone grafts were passed across the fracture line about 1.5cm.Every specimen was detected by Electroforce 3520-AT biomechanical machine.ResultsWhen femoral head was rotated to 3°and 5°，the torque values in CCB group were significantly higher than those in CMB group (P＜0.05)，however，during axial displacement at the load of 700N and 1000N，the displacement values in CCB group were significantly lower than those in CMB group (P＜0.05).All the specimens underwent cycling compression test at 700N compression force successfully，without fatigue fracture or screw failure.The mean ultimate load in CMB group and CCB group was (2112.689±186.913) N and (2360.811±204.340) N，respectively，there was a significant difference between two groups (P＜0.05).ConclusionThe biomechanical stability of fixation of femoral neck fracture with three cannulated screws in CCB group is superior to that in CMB group，and the experimental results provide a biomechanical basis for adopting optimal bone graft mode in the treatment of femoral neck fracture.

【Key words】femoral neck fracture; fracture fixation; bone transplant; biomechanics

通讯作者:张奇，050051石家庄市，河北医科大学第三医院; E-mail: liyong99423@163.com

doi:10.3969/j.issn.1002－7386.2015.08.005

【文章编号】1002－7386(2015) 08－1138－04

【文献标识码】A

【中图分类号】R 683.421