锁定钢板外置与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

目的通过对锁定钢板（LCP）外置与外固定支架固定骨折进行生物力学分析，为应用锁定钢板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，制备成骨折标本，分别采用锁定钢板外置固定和外固定支架固定，观察标本在不同载荷下承受的轴向压缩、扭转和弯曲位移。结果两组在100、200、300、400、500、600和700 N载荷下轴向压缩值比较，均有显著差异（P＜0.05），且随着载荷越大轴向压缩值差距越大。两组在4、6、8、10、12和14 N.cm载荷下扭转角度比较，差异均有统计学意义（P＜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和300 N载荷下弯曲位移值比较，差异均有统计学意义（P＜0.05），且随着载荷越大弯曲位移值差距越大。结论锁定钢板外置固定骨折在生物力学性能上优于外固定支架，可在临床应用，为治疗开放性骨折提供了一种新的方法。

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，内固定物使用受到限制；而外固定支架体积大、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，睡觉、穿衣、行走均会感到非常不便，同时严重影响对侧肢体。患者在治疗期间感受异常痛苦，需要寻找一种替代传统外固定支架的方法。该方法应具有相对容易操作、体积小、固定可靠、方便日常生活行走等特点。

锁定加压钢板（LCP）用于外固定是一种替代传统外固定的方法，锁定钢板固定骨折的原理是依赖于钢板与锁定螺钉的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]，在临床上运用广泛。但锁定加压钢板（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。本研究通过在牛腿骨标本上进行外固定支架和锁定钢板的生物力学分析，以探讨锁定钢板外置的医学依据。

1 资料与方法

1.1 临床资料

20条新鲜牛骨头，在X线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15 mm的骨折模型，随机分成两组，每组10具模型。长度平均为（21.5±8.3）cm。

胫骨锁定接骨板，型号LCLP 08/LSLP 08，16孔，厚4.5 mm，长297 mm；材料：钛合金；功能：内固定胫骨骨折；来源：厦门大博医疗器械有限公司。

胫骨外固定支架，型号E10/E20/E30/E40，由平头夹、弯头夹、连接杆、延长杆组合构成；材料：铝合金；功能：外固定胫骨骨折；来源：厦门大博医疗器械有限公司。

电子万能试验机，MTS 858 Mini Bionix型；来源：美特斯工业系统公司。

1.2 方法

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

轴向压缩实验：将标本安装于电子万能试验机，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2 mm/min的速度对标本施加轴向压缩载荷，施加最大载荷为700 N，依次测出100、200、300、400、500、600和700 N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4，6，8，10，12，14 N.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500 N，试验速度为2 mm/min，依次测出50、100、150、200、250和300 N所对应的位移值。

1.3 统计学处理

采用SPSS 16.0软件进行分析，将调查统计的内容作为变量，计数资料采用卡方检验，计量资料采用t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

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和700 N载荷下，轴向压缩值比较，差异均有统计学意义（P＜0.05），且随着载荷越大轴向压缩值差距越大（表1）。

2.2 两组扭转角度比较

两组在4、6、8、10、12和14 N.cm载荷下，扭转角度差异显著（P＜0.05），且随着载荷越大扭转角度值差距越大（表2）。

2.3 两组弯曲试验比较

两组在50、100、150、200、250和300 N载荷下，弯曲位移值差异均有统计学意义（P＜0.05），且随着载荷越大弯曲位移值差距越大（表3）。

表1 两组轴向压缩值比较Table1 The comparison of axial compressive load values between the two groups

表2 两组扭转角度比较Table2 The comparison of torsion angles between the two groups

表3 两组弯曲位移比较Table3 The comparison of bending load displacement values between the two groups

3 讨论

锁定钢板（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，与传统钢板在生物力学上存在较大的差异，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，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]，从其作用的特点来看，与外固定支架的生物力学作用完全相似，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，其稳定性更强[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的，而不需要通过钢板与骨皮质间的加压作用来完成[7-8]。结合本研究结果，在100、200、300、400、500、600和700 N载荷下锁定钢板轴向压缩明显增强，且随着载荷越大轴向压缩值差距越大；在4、6、8、10、12和14 N.cm扭转力量下，扭转角度数值明显变化；在50、100、150、200、250和300 N载荷下两组弯曲位移值比较有显著差异，说明锁定钢板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。研究认为，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[9]。也有报道指出，锁定钢板在抗弯能力、抗变形能力上优于其他固定材料，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，骨不愈合率低[10]。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]。从本研究结果来看，与外固定支架相比，其在刚度、稳定性、弯曲度上均优于外固定支架，从生物力学上看，完全满足外固定治疗使用需求。

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被用作外固定装置，安装过程中不损伤骨膜血供，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]。

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，为临床上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GustiloⅡ和Ⅲ型骨折、骨不连的患者[12]。因LCP形状调整后螺纹孔易变形，临床使用受到一定限制，适应证有限，但仍是复杂多发性创伤患者重建治疗阶段的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

LI Qiao1, TAN Jinhong1,MA Xiaoming2,LIANG Chunxiang3,LI Diyi1.1 Department of Orthopedic Surgery,Lunjiao Hospital of Shunde Foshan,Foshan 528308,China;2 Department of Orthopedic Surgery,The Eighth People’s Hospital of Nanhai District, Foshan 528216,China;3 Department of Spine Surgery,The First Affiliated Hospital,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510080,China.

ObjectiveTo explore the biomechanics of the fractures fixation by external locking plate and external fixator, and to provide a theoretical basis for clinical application of external locking plate in fracture fixation.MethodsBovine bones of different lengths were chosen as the artificial fracture specimens and external locking plate fixation and external fixation were adopted respectively to observe the axial compression,torsion and bending changes under different loads by using a variety of testing methods.ResultsThe differences of the axial compressive load values between the two groups under 100,200,300,400,500,600 and 700 N were statistically significant(P＜0.05),with the larger of the load,the greater of the gap of axial compressive values.The differences of torsion angles between the two groups under 4,6,8,10,12,14 N.cm were statistically significant(P＜0.05),and the greater of the load,the bigger of the gap of torsion angles.The differences of bending load displacement values between the two groups under 50,100,150,200,250,300 N were statistically significant (P＜0.05),and with the greater of the load,the larger of the gap in bending displacement values.ConclusionThe biomechanics of external locking plate fixation is better than the external fixator,and it can be clinically used as external fixators,providing a new method for the clinical treatment of open fractures.

Locking plate;External fixator;Fracture;Biomechanics

R683

A

1673－0364（2015）05－0320－03

10.3969/j.issn.1673-0364.2015.05.009

2015年5月8日；

2015年5月29日）

广东省佛山市医学类科技攻关项目（20131021030077）。

528308广东省佛山市广东省佛山市顺德区伦教医院骨外科（李乔，谭进红，李涤义）；528216广东省佛山市广东省佛山市南海区第八人民医院骨外科（马小明）；510080广东省广州市中山大学附属第一医院脊柱外科（梁春祥）。