成人胫骨近端骨缺损的生物力学特征*

李继锋，刘　涛，张　迪，李志磊，于　磊,镐英杰#

1)河南大学淮河医院骨科 开封 475000　2)郑州大学第一附属医院骨科 郑州 450052



成人胫骨近端骨缺损的生物力学特征*

李继锋1)，刘涛2)，张迪2)，李志磊2)，于磊2),镐英杰2)#

1)河南大学淮河医院骨科 开封 4750002)郑州大学第一附属医院骨科 郑州 450052

胫骨近端；骨肿瘤；骨缺损；生物力学

目的：研究成人胫骨近端骨缺损的生物力学特征，为临床是否选用内固定提供依据。方法：选择21具新鲜成年人下肢标本，其中男性12具，女性9具。将42只胫骨标本制成胫骨平台负重区骨缺损模型，随机分为7组，分别为A1、A2、A3、B1、B2、B3和C组，每组6只。A1、A2、A3组制成胫骨近端内侧圆形骨缺损，直径分别为10、15、20 mm。B1、B2、B3组制成胫骨近端外侧圆形骨缺损，直径分别为10、15、20 mm。C组胫骨标本不作处理，为正常对照组。分别对其进行生物力学测试，行轴向压缩、三点弯曲及扭转力学实验。结果：A1、A2、B1、B2、C组胫骨平台均无塌陷，A3、B3组分别出现1例胫骨平台塌陷。各组中胫骨标本物理特性的比较差异无统计学意义(P>0.05)。A2、A3和B3组的轴向压缩刚度、三点弯曲刚度及扭转刚度较C组降低(P<0.05)，A3组的轴向压缩刚度、三点弯曲刚度及扭转刚度较A2组降低(P<0.05)。结论：成人胫骨近端内侧骨皮质缺损≥15 mm或外侧骨皮质缺损≥20 mm时生物力学性能降低，临床治疗其骨缺损时需要辅助固定材料。

胫骨近端为骨肿瘤的好发区域，对于良性骨肿瘤，多采用囊内切除、边缘切除等手术治疗，肿瘤切除后存在骨质缺损。当手术区域在应力较集中处，例如胫骨近端，会造成该区域的力学性能下降，必须辅以适当的内固定，多采用接骨板或髓内钉等[1-3]。而在治疗骨缺损时是否选用内固定具有重要的临床意义，但骨质缺损达到多大范围时需要辅助内固定，常常只能依靠临床医师的经验判断。目前尚未有明确的报道。作者制作胫骨近端不同范围骨缺损模型标本，并对其进行生物力学性能测试，为临床治疗胫骨近端骨缺损是否需要辅助固定提供实验研究依据。

1　材料与方法

1.1标本的制作标本采用新鲜成年人胫骨标本21具(郑州大学人体解剖学教研室提供)，男12具，女9具。去除胫骨表面皮肤、肌肉等软组织，只保留胫骨，胫骨长度35(32～49) cm。拍摄X线片，排除畸形、骨质疏松、陈旧骨折、骨肿瘤等骨骼系统的疾病。密封后置于-20 ℃冰箱内保存[4]。测试时取出，逐层解冻，两端用牙托粉包埋固定。

1.2标本分组 42只胫骨标本随机分为A1、A2、A3、B1、B2、B3和C组，每组6只标本。以平台正中所在垂线为界分为内侧区、外侧区。A1、A2、A3组制成胫骨近端内侧圆形骨缺损，直径分别为10、15、20 mm。B1、B2、B3组制成胫骨近端外侧圆形骨缺损，直径分别为10、15、20 mm。C组胫骨标本不作处理，为正常对照组。

1.3实验前准备标本逐级解冻，测量各组标本胫骨全长、平台横径、平台失状径，称得标本重量，根据阿基米德定理测出标本体积，求出其密度值。标本两端牙托粉包埋固定[5]，使标本上下两端平行，用动力磨钻制作所需大小骨缺损，实验所需万能力学机、材料扭转机由郑州大学国家材料重点实验室提供。

1.4轴向压缩实验、三点弯曲实验及扭转实验采用静态加载非破坏实验方法，对各组标本分别进行轴向压缩、三点弯曲及扭转实验，每次实验前进行预加载，消除系统蠕变所造成的误差。计算机记录载荷-位移曲线[6]，计算轴向压缩刚度、三点弯曲刚度及扭转刚度。

1.5统计学处理应用SPSS 17.0进行分析，各组胫骨标本的物理特性和力学性能测试结果的比较采用单因素方差分析和LSD-t检验，检验水准α=0.05。

2　结果

2.1胫骨标本的物理特性测量结果见表1。各组胫骨全长、平台横径、平台矢状径和密度值之间差异无统计学意义。

表1　各组中胫骨全长、平台横径、矢状径和密度比较

2.2力学性能测试结果 见表2。在轴向压缩实验中，各组压缩刚度差异有统计学意义，A2、A3、B3组较C组降低。在三点弯曲实验中，各组三点弯曲刚度差异有统计学意义，A2、A3、B3组较C组降低。在扭转实验中，各组扭转刚度差异有统计学意义，A2、A3、B3组较C组降低。

表2　各组刚度数值的比较

*：与C组比较，P<0.05；#：与A2组比较，P<0.05。

3　讨论

骨质缺损是临床上经常遇到的情况,如创伤、慢性骨髓炎的病灶清除及骨肿瘤局部切除术后等。骨质缺损造成的骨力学不稳定，与正常骨相比可降低所能承受的负荷[7]。骨缺损最主要的一个并发症是骨折，骨缺损越大，骨折的风险越大。内固定指征的把握也涉及骨折风险的评估[8]，包括缺损大小、缺损部位等。但目前未见相关骨质缺损造成结构破坏的程度及力学的不稳定关系的研究。内固定适应症过窄将增加术后骨折风险，过宽将导致过度医疗的出现，这都会对患者的生活质量带来非常严重的影响。作者研究了骨缺损对胫骨生物力学的影响，从而为临床选择合适的预防性辅助固定和正确指导患者的康复提供一个定量标准。

该研究通过尸体模型模拟了临床中常见的胫骨近端骨缺损，根据其好发部位分为内侧骨缺损组和外侧骨缺损组。实验前先对所有标本进行物理性能检测，各组间物理性能比较差异无统计学意义，具有可比性。根据中国人胫骨近端解剖学特点[9]，将骨缺损模型大小分别设计为内、外侧骨缺损直径10、15、20 mm的圆形骨缺损，分别对其进行生物力学检测，结果发现与对照组比较，内侧骨缺损≥15 mm、外侧骨缺损≥20 mm时胫骨轴向压缩刚度、三点弯曲刚度及扭转刚度降低，此时骨折的风险将增大，建议临床选用内固定辅助骨缺损的治疗，以降低术后骨折的发生率。

总之，该研究为临床处理胫骨近端骨质缺损提供实验依据，对指导骨缺损康复及治疗具有重要的临床意义。但由于采用的标本为离体胫骨标本，由于在体内生理状态下，胫骨近端的受力受胫骨近端肌肉、韧带等共同影响，又由于关节腔内关节液及关节软骨的缓存作用[10-11]，受力状况较为复杂，仍需要进一步的临床试验来验证结果的可靠性。

[1]邱贵兴,戴尅戎.骨科手术学[M].北京:人民卫生出版社,2012:1505

[2]明文义,戴海东,赵进征,等.三柱分型理论在复杂胫骨平台骨折手术入路选择中的应用[J].浙江医学,2016,38(12):928

[3]王泉,王东来.外侧钢板结合内侧经皮拉力螺钉的生物学性能及在胫骨远端骨折中的应用[J].中国组织工程研究,2016,20(26):3870

[4]秦步平,王以进,黄圣达,等.三枚双头空心加压钉(DECS)治疗股骨颈骨折的生物力学研究与临床应用[J].中国矫形外科杂志,2002,10(8):810

[5]梁伟国,叶伟雄,周子强,等.可调角度自锁式胫骨下段解剖型钢板的研制与生物力学测定[J].中华创伤杂志,2011,27(11):999

[6]言湛军,郑祖根,王以进,等.交锁钉与加压钢板固定尺骨骨折的生物力学比较[J].中国矫形外科杂志,2008,16(10):771

[7]陈建海,姜保国,张殿英,等.沿骨干轴线不同长度皮质骨缺损对骨干生物力学性能的影响[J].中国组织工程研究与临床康复,2008,12(11):2011

[8]BAUER HC,WEDIN R.Survival after surgery for spinal and extremity metastases：Prognostication in 241 patients[J].Acta Orthop Scand,1995,66(2):143

[9]单涛,丁士海. 国人胫骨的测量及其性别判别分析[J].人类学学报,1996,15:135

[10]ADAM P, BONNOMET F, EHLINGER M. Advantage and limitations of a minimally-invasive approach and early weight bearing in the treatment of tibial shaft fractures with locking plates[J].Orthop Traumatol Surg Res, 2012,98(5):564

[11]张晓刚,秦大平,宋敏,等.骨生物力学的应用与研究进展[J].中国骨质疏松杂志,2012,18(9):850

(2016-01-02收稿责任编辑李沛寰)

Biomechanical characteristics of adult proximal tibia bone defect model

LIJifeng1)，LIUTao2),ZHANGDi2),LIZhilei2),YULei2),HAOYingjie2)

1)DepartmentofOrthopaedics,KaifengHuaiheHospital，HenanUniversity,Kaifeng4750002)DepartmentofOrthopaedics,theFirstAffiliatedHospital,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450052

proximal tibia; bone tumor; bone defect;biomechanics

Aim: To study the biomechanical characteristics of different part and size of the adult proximal tibia bone defect，and to provide the basis for clinical practice. Methods: A total of 21 fresh adult cadaver tibial specimens were selected,including 12 males and 9 females. Forty-two tibial specimens made from tibia platform weight-bearing area bone defect model were randomly divided into 7 groups：group A1,A2,A3,B1,B2,B3 and group C.6 specimens in each group. group A1, A2, and A3 were made of proximal medial tibial bone defect with diameter of 10, 15, and 20 mm. Group B1, B2, and B3 were made of proximal lateral tibial bone defect with diameter of 10, 15, 20 mm. Tibial specimens from group C were not treated as normal control group.Axial compression test, three point bending test and torsion test were performed. Results: The tibial plateau of group A1, A2, B1, B2, and C were not collapsed, and the tibial plateau in one specimen of group A3, and B3 was collapsed,respectively. There were no significant differences in the physical characteristics of the tibial specimens among the groups(P>0.05). Compared with group C,the axial compression stiffness, three point bending stiffness and torsion stiffness of group A2 ,A3 and B3 decreased(P<0.05).Compared with group A2,the axial compression stiffness, three point bending stiffness and torsion stiffness of group A3 decreased(P<0.05).Conclusion: Clinical treatment of bone defects need auxiliary fixed materials,when proximal tibia of adult medial cortical defect is ≥15 mm or lateral cortical bone defect is ≥20 mm.

10.13705/j.issn.1671-6825.2016.05.029

*河南省卫生科技中青年创新人才项目2011年

，男，1977年9月生，博士，副主任医师，副教授，研究方向：脊柱微创与骨肿瘤，E-mail:haojack77@126.com

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