锁定钢板外置与单臂一体式外固定支架固定骨折的生物力学研究*

李乔谭进红马小明梁春祥李涤义

锁定钢板外置与单臂一体式外固定支架固定骨折的生物力学研究*

李乔1谭进红1马小明2梁春祥3李涤义1

目的通过对锁定钢板（LCP）外置与外固定支架固定骨折的生物力学的研究分析，为临床应用LCP外置固定治疗提供理论依据。方法 选择不同长度的牛小腿骨（胫骨20条形成骨折标本并随机分成两组），分别采用LCP外置固定和外固定支架固，观察标本在不同的载荷下承受的轴向压缩、扭转和弯曲作用下变化情况。结果两组在100、200、300、400、500、600、700N载荷轴向压缩值比较差异均有统计学意义（＜0.05），且随着载荷越大则轴向压缩值差距越大。两组在4、6、8、10、12、14N.cm扭转角度比较差异均有统计学意义（＜0.05），且随着载荷越大则扭转角度值差距越大。两组在50、100、150、200、250、300 N载荷弯曲位移值比较差异均有统计学意义（＜0.05），且随着载荷越大则弯曲位移值差距越大。结论LCP外置固定骨折在轴向压缩、扭转和弯曲等生物力学方面优于外固定支架，其在临床治疗开放性骨折方面有着潜在的应用价值。

锁定钢板；外固定支架；骨折；生物力学

严重外伤如伴有严重软组织损伤的开放性骨折或骨髓炎、感染性不愈合、化脓性关节炎导致的骨缺损，由于伴有软组织损伤，内固定物使用往往受到限制；外固定支架体积大、笨重，不方便日常生活，阻碍个人卫生及穿衣，尤其是用于下肢时，在睡觉、穿衣、行走均会感到不便，同时严重影响对侧肢体。患者在治疗期间感受痛苦，临床上需要寻找一种替代传统外固定支架的方法。该方法必需是相对容易操作、体积小、固定牢固可靠、方便日常生活行走的特点。

LCP用于外固定是一种替代传统外固定的方法，LCP固定骨折的原理是依赖于钢板与锁定螺钉角稳定性及螺钉与骨皮质之间的把持力，以实现对骨折的固定[1]。其在临床上运用广泛。但LCP用于外固定治疗骨折与传统外固定支架治疗骨折，两者之间生物力学比较未见报道，本次研究就通过在牛腿（胫）骨标本上进行单臂一体式外固定支架和 LCP的生物力学变化情况，以期找出锁定钢板外置的循证医学依据，更好的为临床服务。

1 资料与方法

1.1 临床资料

在普通菜场上采购20条新鲜牛胫骨，在X线片下排除新鲜或陈旧骨折，骨肿瘤等。剔除软组织，用线据在骨中段锯开，制成中段横行缺损15mm骨折模型，随机分成两组，每组10具模型。长度平均为（21.5±8.3）cm。

准备胫骨锁定接骨板，型号 LCLP 08/LSLP 08，16孔（厚4.5mm，长297mm，宽14mm），锁定钉（长90mm，直径5mm），钛合金，内固定胫骨骨折（厦门大博医疗器械有限公司）。胫骨单臂一体式外固定支架，型号E10/E20/E30/ E40，由平头夹，弯头夹，连接棒（直径8mm），金属骨针（长200mm，直径5mm），延长杆组合构成，铝合金，外固定胫骨骨折（厦门大博医疗器械有限公司）。电子万能试验机（MTS 858 Mini Bionix型，美特斯工业系统公司）。

1.2 方法

LCP外固定组采用外置固定，钢板至骨间隙25mm，骨折端两螺钉间隔（锁定板固定后动力臂）120mm；外固定支架组则采用外固定支架固定。固定后待检测。

分别进行轴向压缩实验：将实验标本安装在电子万能试验机，进行轴向压缩实验，载荷通过载荷传感器传递，位移通过电光编码传递。以2mm/min的速度对标本施加轴向压缩载荷，施加最大载荷为700N，依次测出100、200、300、400、500、600、700N所对应的位移值。

扭转试验：将实验标本安装在试验机支座上，进行扭转试验，驱动机以加载速度0.1(°)/s的速度对标本施加扭转，分别测出4、6、8、10、12、14N.cm所对应的扭转角度。

弯曲试验：将实验标本安装在电子万能试验机的弯曲支座上，进行弯曲试验，最大载荷为500N，试验速度为2mm/ min，依次测出50、100、150、200、250、300N所对应的位移值。

观察标本承受的轴向压缩值和在扭转作用下的扭转角度。

1.3 统计学处理

采用SPSS16.0软件进行分析，将调查统计的内容作为变量，计数资料采用2检验，计量资料采用 检验，以＜0.05为有统计学意义。

2 结果

2.1 两组轴向压缩比较

对两组轴向压缩进行比较，两组在100、200、300、400、 500、600、700N载荷轴向压缩值比较差异均有统计学意义（＜0.05），且随着载荷越大则轴向压缩值差距越大，见表1。

表1 两组轴向压缩比较（ ±s）

2.2 两组扭转角度比较

对两组扭转角度进行比较，两组在4、6、8、10、12、14N.cm扭转角度比较差异均有统计学意义（＜0.05），且随着载荷越大则扭转角度值差距越大，见表2。

表2 两组扭转角度比较（ ±s）

2.3 两组弯曲试验比较

对两组弯曲试验进行比较，两组在50、100、150、200、250、300N载荷弯曲位移值比较差异均有统计学意义（＜0.05），且随着载荷越大则弯曲位移值差距越大，见表3。

表3 两组弯曲位移比较（ ±s）

3 讨论

LCP上的钉孔因带有特定的螺纹，当带有螺纹头的螺钉被拧入钉孔后，钉-板间就开形成了一种从钢板到螺钉的固定结构[2-4]。LCP因其特殊结构，与传统钢板比较在生物力学存在较大的差异，传统钢板需要通过螺钉对骨面的加压，增加钢板与骨面的摩擦力来达到钢板-骨的稳定作用。而LCP的结构类似于外固定支架，均不需要通过钢板与骨之间的直接加压作用，在实际使用过程中不损伤骨膜，减少了骨缺损患者发生骨不愈合，延迟愈合的发生率。因 LCP与锁定螺钉间的固定结构，LCP在使用中无需直接接触骨面[2-4]，从其作用特点来看，与单臂一体式外固定支架的生物力学完全相似，LCP就是一种安装在软组织内的外固定支架[5]，由于LCP与骨之间的距离更小，较外固定支架而言，稳定性更强[6]。LCP对骨折固定的原理是通过锁定钢板与锁定螺钉的固定结构及螺钉与骨皮质之间的把持力来实现，而不需要通过钢板与骨皮质间的加压作用来达到[7,8]。结合本次研究结果，在 100、200、300、400、500、600、700N载荷下锁定钢板轴向压缩明显增强，且随着载荷越大则轴向压缩值差距越大。在4、6、8、10、12、14N.cm扭转力量下，扭转角度数值明显变化。在50、100、150、200、250、300 N载荷弯曲位移值比较差异均有统计学意义。这说明锁定钢板无论在压应力作用下，无论是哪个方向均有很好的抵抗变形能力，能满足骨折的生理需求强度、刚度和稳定度。研究[9]称，锁定钢板在弯矩-应变、弯矩-桡度、扭矩-扭角关系和普通钢板比较有显著差异性。报道[10]则称，锁定钢板在抗弯能力、抗变形能力上优于其他的固定材料，且在坚强内固定同时，不破坏髓腔，对髓腔血供不会造成明显损伤，骨折容易生长，发生不愈合率低。另外，锁定钢板可塑性强，具有成角稳定性，使用方便，适用于伴随骨缺损的长骨骨折[11]。从本次研究结果来看，与单臂一体式外固定支架相比，其在刚度、稳定性、弯曲度上均优于单臂一体式外固定支架，从生物力学上看，完全符合外固定治疗使用。

由于LCP用作外固定支架时，其安装位置较外固定支架更接近皮肤，力臂更小，所承受的应力更小，因此安全稳定性更强。LCP是通过钢板与螺钉之间的固定结构来实现稳定，而不需要钢板与骨之间加压作用来维持稳定[2-4]。LCP被用作外固定装置，安装过程中不再次损伤骨膜血供，有效保持了骨膜血供和骨骼灌注，缩短骨骼愈合时间，降低并发症发生率，起到“生物学钢板”的作用[6]。

LCP被用作外固定装置，其结构就是传统外固定支架的一种新的表达形式，其在钉道易感染等缺点与传统外固定支架应无明显区别。对患者而言，LCP外置固定后因其框架小、低轮廓，对患者的生活工作影响相对小，患者更容易接受。而传统外固定架因体积大、笨重，不方便日常生活，实际治疗过程当中常被迫将外固定改为内固定，增加了患者的手术治疗次数及费用。

因条件限制，本实验未进行不同直径的金属骨针外固定支架与不同直径螺钉的锁定钢板固定胫骨骨折的生物力学研究、未进行牛骨与钢板在应力实验中的极限值检测。

综上所述，锁定钢板外固定骨折能明显降低应力遮挡，有利于骨折传导，且轴向压缩力大，扭转力优良，能满足骨折的固定强度，从生物力学上看，完全符合外固定治疗使用，LCP外置固定骨折，临床上为代替传统外固定支架提供了一种新的方法，适用于长管状骨（尤其是胫骨）GustiloⅡ、Ⅲ型骨折、骨不连的患者[12]。由于锁定钉最长90mm，对软组织过于肥厚以及宽大的关节部位骨折，临床中使用受到一定限制。同时LCP形状调整后螺纹孔易变形，适应症有限。但LCP外置固定骨折仍是复杂的多发性创伤患者重建治疗阶段一种新的有效辅助手段。

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Biomechanical research on the fixation of fractures by external locking plate and external fixator

Objective This thesis is targeted to provide theoretical basis for the clinical applicationof external fixation with theLCP through the biomechanicalstudy ontheexternalfixationoftheLCPand external fixation of thefracture.Methods By selecting 20 different length of bovine shinbones randomly divided into two groups to form fracture specimens,we adopted the external fixation of the LCP and external fixation respectively,to observe the specimens'pressure changes when bearing different loadsofaxialcompression,torsionand flexure.Results The comparative differencesofaxialcompression value under 100,200,300,400,500,600,700N loading;twisting angle of 4,6,8,10,12,14N.cm,as well as bending displacement value under loads of 50,100,150,200,250,300N all posted statistical significance(＜0.05)between the two groups;furthermore,the gap of axial compression,twisting angle value and bending displacement value became bigger as the loads were getting bigger.Conclusion The external fixation of fracture by LCP is superior to external fixator from the biomechanical aspects of axial compression,torsion and flexure.It has potential application value for clinical treatment on open fracture.

Locking Plate;External Fixation;Fracture;Biomechanics

R310.01

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2015.05.002

swgk2015-04-00083

李乔（1966-）男，本科，副主任医师。研究方向：创伤骨科。

2015-04-18）

广东省佛山市医学类科技攻关项目项目编号（201308295）

1广东省佛山市顺德区伦教医院骨外科，广东佛山528308；2广东省佛山市南海区第八人民医院骨外科，广东佛山528209；3中山大学附属第一医院黄埔院区脊柱外科，广东广州510700