一种新型髌骨骨折内固定装置的生物力学特点

熊中伟，申庆民，赵太茂，赵文*

(1.遵义医学院，贵州 遵义 653000；2.北京航天总医院骨科，北京 丰台 100076)

临床研究

一种新型髌骨骨折内固定装置的生物力学特点

熊中伟1，2，申庆民2，赵太茂2，赵文2*

(1.遵义医学院，贵州 遵义 653000；2.北京航天总医院骨科，北京 丰台 100076)

目的 探讨一种以双空心套筒替代传统克氏针的新型髌骨骨折内固定装置的生物力学特点。方法 截取8具新鲜冰冻尸体正常膝关节标本16个，按均衡原则分两组，每组8 例标本，建立同一标准的髌骨骨折创伤模型，同一标本左右髌骨骨折固定方式不同，分别以双空心套筒钢丝张力带和改良AO克氏针钢丝张力带固定，测试不同方式固定下骨折断端间压力、反复伸曲运动时骨折间位移程度及内固定损坏时内固定承受的最大负载。结果 不同方式固定的两组在屈膝90°和伸直位时骨折间压力及疲劳试验中骨折前缘和关节缘的分离移位差异有统计学意义，套筒组优于克氏针组，但膝关节伸直位时骨折端前后方向位移无统计学差异。结论 双空心套筒与改良AO钢丝张力带固定髌骨骨折相比较，前者更加符合滑动加压的钢丝张力带固定原理，因而具备更好的稳定性和抗疲劳性，生物力学优势明显。

髌骨骨折；张力带内固定；双空心套筒；生物力学

切开复位内固定是治疗移位型髌骨骨折的主要方法，而改良AO克氏针钢丝张力带则是内固定的经典方式，在临床上取得了肯定的治疗效果[1]。不过，临床治疗中克氏针钢丝张力带有内固定相关性疼痛，克氏针移位及钢丝脱挂失效，克氏针尾引起感染及需二次手术取出等诸多缺点和并发症。因此，笔者设计了新型髌骨骨折内固定器-双空心套筒(见图1)，用以替代克氏针结合钢丝行张力带固定髌骨骨折，由于双套筒间的有效滑动能充分发挥张力带的优点，而钢丝经内套筒穿过，避免了克氏针钢丝张力带中克氏针移位或钢丝脱挂失效的可能，及克氏针尾钩挂刺激软组织引起疼痛感染等缺陷。现将其与改良AO克氏针钢丝张力带进行生物力学比较，了解其能否满足固定髌骨骨折的要求。

图1 双空心套筒大体照

1 资料与方法

1.1 标本材料及制备 取8具新鲜冰冻尸体标本的16个膝关节，标本资料无膝关节病史，行X线片检查，排除骨质病变，并测量髌骨骨密度。从髌骨上20 cm截取下肢，保留髌韧带，股四头肌肌腱及膝关节囊，剔除胫骨平台以上其余软组织，保留肢体远端完整。双层塑料袋密封，-20°冰柜保存备用。常温下解冻，用摆锯于冠状面长轴中点将髌骨锯断，制成横行髌骨骨折标准创伤模型。

1.2 器械介绍及使用方法 笔者于2010年研制出髌骨骨折双空心套筒，由内外相互套叠的两枚中空套筒组成，外套筒外径3.2 mm，内径2.7 mm，内套筒外径2.6 mm，内径1.5 mm，内套筒远端2.0 mm为锥状设计，便于穿导。套筒长度26～50 mm不等，内套筒比配套外套筒长1.0 mm，相邻套筒长度相差2.0 mm。内外套筒的一侧为环形半球面的尾帽结构，尾帽直径为5.0 mm，厚度2.0 mm。将髌骨骨折复位，用Weber钳钳夹维持，用直径3.5 mm钻头转孔，测量孔深，选择比测量值短2.0 mm的套筒，将外套筒经孔近端穿入，再由远端将内套筒穿入外套筒内。钢丝穿过内套筒绕过髌骨前侧打结后形成张力带固定(见图2)，内外套筒间可流畅滑动，通过张力带钢丝动态加压。双空心套筒的滑动套叠设计保证了张力带动态加压固定；中空钢丝穿导避免了传统克氏针张力带钢丝脱挂导致内固定失效；远近端尾帽厚度为2 mm，且为半球面设计及避免了对钢丝的切割，也减少了对周围组织的激惹。

1.3 试验方法

1.3.1 试验步骤设计 采用分组对照，将16个标本均衡分为两组(随机将4个标本的左膝和另4个标本的右膝分入套筒组，剩余进入克氏针组)。双空心套筒组以双空心套筒钢丝张力带固定，克氏针组以AO改良克氏针钢丝张力带固定(见图2～3)。试验分3步：先测量两种固定骨折间压力，再测膝关节0°～90°屈伸200个循环活动疲劳试验后骨折间位移，最后将肢体固定屈膝60°，测量导致固定失效的最大负载。

1.3.2 外科技术 套筒组：在髌骨被制成横行骨折前，将髌骨分成内、中、外3份，先以直径3.5 mm的钻头在内外侧1/3处近髌骨关节面中下1/3处钻两平行孔备用，再将髌骨于纵轴中点以摆锯将其横断，制成标准横行骨折创伤模型。将骨折复位，并测量孔深，选择比孔深短2.0 mm的套筒，外套筒置于近端，内套筒自远端置入并套入外套筒中，从中穿过直径1.0 mm钢丝“8” 字固定(见图2)。克氏针组：同上方法，将髌骨制成标准横行骨折创伤模型后将骨折复位，用直径2.5 mm的克氏针在内外侧1/3处近髌骨关节面的中下1/3钻入固定，结合钢丝行横向双节张力带内固定(见图3)。

1.3.3 生物力学测试 第一步：在髌骨骨折面中心放置一枚微型Entran压力传感器，以相同扭力均匀拧紧钢丝，记录骨折间压力。第二步：取出骨折间传感器重新固定髌骨骨折，将膝关节股骨端固定于夹具，连于Instron10 000型试验机，股四头肌肌腱固定后经钢缆连于牵引装置，于贴近骨折线的髌骨前方和侧方贴关节面处骨折远近端分别各垂直于髌骨长轴钻入1枚细克氏针标记，要求前方和侧方标记克氏针在垂直于骨折面的平面内平行钻入作为标记点，再于髌骨另一侧钻入2枚克氏针连接Micron tracker(MTC3.0)的两个标记点，通过标记点确定所有标记针空间位置，动态监测骨折间的位移(见图4)。以1/6 Hz正弦波牵引股四头肌肌腱，使膝关节做90°～0°的屈伸200个循环。如试验中出现内固定失效，记录失效时的循环数，内固定失效定义为骨折间分离移位大于2 mm或关节面阶梯样移位(即前后方向上位移)大于2 mm。第三步：将各固定钢丝更换，重新拧紧，如上法固定于试验机并维持屈膝60°，以2N/S的速度增加负载，直至固定失效，记录最大负载。

图2 双空心套筒组以双空心套筒钢丝张力带固定

图3 克氏针组以克氏针钢丝张力带固定

2 结 果

以相同的扭力均匀拧紧钢丝，测得骨折间压力结果为套筒组在伸膝位和屈膝90°位均大于克氏针组(见表1)。在200个循环的疲劳试验后，两组均未出现内固定失败。除伸膝位骨折间台阶样移位两组无统计学差异，其余在屈膝90°位时，骨折间台阶样移位套筒组小于克氏针组，骨折前缘和关节面缘的分离移位在伸膝位和屈膝90°位时，套筒组均小于克氏针组(见表2)。最后，屈膝60°位致内固定失败的最大负载中，引起套筒组固定失败的负载大于克氏针组(见表3)。

图4 Instron试验机行髌骨骨折内固定后生物力学测试

表1 两组固定后髌骨骨折间压力

3 讨 论

髌骨骨折的致伤原因分直接暴力和间接暴力，受力的形式决定骨折的类型。直接受力所致的骨折50%以上没有移位，伸膝装置完整，往往不需手术重建；而间接暴力则引起横行骨折，上下极骨折，常伴有明显的分离移位，伸膝结构中断，需手术复位固定骨折，重建伸膝结构[2]。髌骨加长了伸膝力臂的30%，重建髌骨恢复伸膝结构对伸膝力量至关重要。间接暴力引起的髌骨骨折与其三点折弯受力机制有关，对其重建固定也应考虑这一机制，髌骨骨折的张力带固定充分体现了这一点。张力带固定的原理在于：骨折两端骨块能沿固定轴滑动，将骨折两端的牵拉应力和折弯应力转换为轴向的压应力，从而使固定更加稳定并刺激骨折愈合。

表2 两组在膝关节屈伸活动疲劳试验后髌骨骨折间位移

表3 两组固定在膝关节屈曲60°时内固定失效前承受的最大负载

改良AO克氏针钢丝张力带是临床上治疗髌骨骨折内固定的经典方式，治疗效果肯定。改良AO张力带中克氏针扮演了重要角色，相对于Lotke和Magnusson等传统钢丝张力带，它增加了其线性刚度，增强了对抗折弯受力的能力。但在长期的使用中，改良AO张力带也暴露出了诸多缺点和并发症，尤其是和克氏针相关的并发症，如克氏针松动、滑脱，钢丝脱挂，引起内固定失效，延迟愈合，骨折不愈合，关节功能障碍；此外克氏针尾激惹软组织引起的疼痛、感染，术后需二次手术取除内固定等问题也影响其使用[3]。本研究使用双空心套筒替代克氏针，从设计上回避了克氏针钢丝张力带的以上缺点。并且套筒的直径更大，既不易被折弯，也能有效减少屈伸膝时对骨质的切割，从而很好的防止内固定的松动及关节面的分离移位。AO张力带要求把克氏针固定于髌骨的下1/3的软骨下骨内，这样增加了克氏针的稳定性，但也导致骨块很难沿其滑动。双套筒固定内外套筒接触面之间光滑，且有缝隙，能良好滑动，动态加压，将伸屈膝时两端骨折块承受的牵张及折弯受力转化为骨折端的压应力，有利骨折生长。克氏针张力带钢丝固定髌骨骨折，在不断屈伸膝活动后，钢丝会切割骨质，对于骨质疏松患者更为严重，容易导致钢丝松弛，固定失效。而由双套筒组成的张力带钢丝对尾帽加压使骨折块滑动大大减少了对骨质的切割。目前文献报道的聚髌器[4]、空心钉结合钢丝[5]、各种钢板[6-8]及微型固定针[9]等新型内固定器具有更高的初始稳定性等优点，能良好固定髌骨骨折，替代改良AO张力带，避免克氏针张力带的并发症。但以上一些固定不具备动态加压能力，在增快骨折的愈合方面不具备优势。其次髌前软组织菲薄，且外伤时多已严重损伤，聚髌器[10]及各种钢板对软组织条件要求相对更高，易引起髌前软组织问题。本研究证实双套筒设计避免了现行AO张力带固定髌骨骨折的稳定性差的缺点，充分发挥其活动加压的优势。

由于双空心套筒的设计特点，它只能和钢丝组成环形、水平“8”字和双纵向平行环张力带。John等[11]和Rabalais等[12]分别指出横向“8”字和双纵向平行环张力带有比目前临床常用的纵向“8”张力带具有更高的生物力学稳定性，而本研究从上述两种固定方式中选用了双节横向“8”字张力带。本研究中发现双空心套筒钢丝张力带拥有比改良AO张力带固定髌骨骨折具有更大的骨折间压应力，将有利于刺激骨折生长；疲劳试验后骨折间位移更小，说明该固定方式具有更好的抗疲劳性，能承受的负载更高也说明其固定稳定性更高。

综上所述，双空心套筒钢丝张力带固定髌骨骨折具有生物力学优势，能够满足固定髌骨骨折生物力学要求，并在设计上很好的回避了AO改良张力带钢丝容易引起并发症的一些缺点。遗憾的是本研究限于尸体标本试验，需进一步临床验证。

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A New Internal Fixation of Patella Fractures：a Biomechanical Investigation

Xiong Zhongwei1,2，Shen Qingmin2，Zhao Taimao2，etal

(1.Zunyi Medical University，Zunyi 653000，China；2.Department of Orthopaedics，Astronautics General Hospital of Benjing，Beijing 100076，China)

Objective To compare the biomechanical properties of tension bands made up with wires and k-wires and double hollow sleeves in internal fixation of patella fractures.Methods Sixteen cadaveric knees were divided to 2 transverse patella fracture fixation groups：tension bands of wires combined with Kirschner wires or double hollow sleeves.Biomechanical stability were tested by fracture gaps after the repetitive testing of 200th cycles knee motion from 90°flexion to full extension and interfragmentary compression as well as the biggest loads.Results Interfragmentary compression and the biggest loads of double hollow sleeves group were bigger than the Kirschner wires group.Fracture gaps of double hollow sleeves group were smaller.Conclusion In contrast to modified anterior tension wiring with Kirschner wires，tension bands of wires combined with double hollow sleeves is a better fixation device to stabilize transverse patella fractures securely and sustainably.

patellar fracture；tension-band；double hollow sleeves；biomechanics

北京市丰台区卫生系统科研项目(2012-16)；发明专利(201020575985.8)；*本文通讯作者：赵文

1008-5572(2015)01-0041-04

R683.42

B

2014-09-30

熊中伟(1981- )，男，主任医师，遵义医学院，653000。