前置与上置钢板内固定治疗锁骨中段骨折的生物力学对比分析

汤　凌



·论著·

前置与上置钢板内固定治疗锁骨中段骨折的生物力学对比分析

汤凌

目的对比分析于不同位置重建钢板内固定治疗锁骨中段骨折的生物力学特性，为选择手术方案建立理论依据。方法选取上海交通大学医学院解剖教研室提供的新鲜成人尸体锁骨标本15具(共30根)，随机选取10具(20根)用锯条切割制备锁骨中段粉碎性骨折标本。将骨折标本随机等分为钢板上置组和钢板前置组各5具(10根)。前组将重建钢板塑形后固定于锁骨上方，后组固定于锁骨前方，保证两组标本的骨折线两侧均固定有3枚螺钉;余下5具锁骨标本(10根)作为对照组，无任何干预措施。观察并比较三组标本的强度、弯曲刚度、扭转刚度等生物力学性质。结果在不同载荷下，三组模型的平均应变及位移差异均无统计学意义(P>0.05)；三组标本的最大强度与弯曲刚度差异无统计学意义(P>0.05)；三组标本的平均最大拉伸载荷由高到低依次为对照组[(1260±57)N]、钢板前置组[(1078±65)N]和钢板上置组[(989±62)N]，钢板前置组的抗拉伸作用明显强于钢板上置组，差异有统计学意义(F=3.133，P=0.047)；钢板前置组内固定的平均应力遮挡率[(18.73±2.98)%]明显低于钢板上置组[(27.52±3.24)%]，差异有统计学意义(F=6.314，P=0.031)。结论对于锁骨中段粉碎性骨折，重建钢板内固定治疗效果明确。在钢板位置的选择上，前置的生物力学性质更加稳定，应作为临床首选方案。

锁骨骨折； 钢板； 前置； 上置； 标本； 生物力学

随着内固定材料的不断更新以及手术操作进一步规范，大部分锁骨中段骨折首选手术治疗[1]。在材料的选择上，目前主张重建钢板内固定，但在钢板位置的选择上仍存在争议且缺乏相关生物力学特性的研究[2]。本实验选取新鲜成人尸体锁骨标本15具(共30根)，旨在比较锁骨前和锁骨上两种重建钢板内固定位置治疗锁骨中段骨折的生物力学性质，现报道结果如下。

资料与方法

1实验标本

本实验经泰兴市人民医院及上海交通大学医学院相关伦理委员会同意，于2014年11月选取上海交通大学医学院解剖教研室提供的新鲜成人尸体标本15具，取双侧锁骨共30根。其中男性10具，女性5具；年龄55～70岁，平均(63.49±3.76)岁；平均体质量(64.87±14.32)kg，平均身高(1.71±0.09)m。实验前拍摄标本正位X线证实无创伤、畸形以及严重退行性变等缺陷。

2实验材料及仪器

(1)WDW-50万能材料力学试验机(济南川佰仪器设备有限公司)；(2)位移传感器、应变电测引线及其传感器、高精度微型位移计(东莞市南天数字测控设备有限公司)；钛合金重建钢板及配套螺钉(捷迈得生物材料科技有限公司)。

3方法

3.1模型制备[3]仔细剔除30根锁骨标本上附着的肌肉及其余软组织并保证锁骨的解剖完整性，用游标卡尺及螺旋测微器等工具对标本的解剖结构进行测量。随机选取其中10具(20根)标本，用锯条切割制备锁骨中段粉碎性骨折模型，从中间横断并使骨质碎裂成3块。其余5具(10根)无干预措施。所有标本于自然位状态下放置在双层塑料袋中密封保存。

3.2标本分组及固定将制备好的10具(20根)锁骨中段骨折模型随机等分为重建钢板上置组和钢板前置组各5具(10根)，均给予6孔钢板固定，前者将塑形后的重建钢板置于骨折标本上方(图1)，后者将钢板置于骨折标本前方(图2)，保证固定螺钉位于骨折线两侧各3枚。无干预措施的5具(10根)标本作为对照组。

3.3实验力学模型所有标本在锁骨生物力学材料性质、锁骨骨折模型制备、加载方法等方面均统一标准。力学测试的载荷设定为正常人锁骨所承受的载荷，300～1 280N逐级加载，速率为1.45mm/min，于三点弯曲进行(图3、4)。扭转实验时，于锁骨两端施以扭矩(图5、6)。

3.4生物力学测试实验力学模型制备成功后，将其置入特制的夹具中，处于自然中立位。再将模型与应变电测引线及传感器连接，通过高精度微型位移计计算其位移。于实验前进行150N×4次的预加载，速率为1.50mm/min。正式实验时重复多次取平均值以提高精度。若实验期间标本干燥，用浸润生理盐水的纱布包裹一层以保持新鲜。

4观察指标

(1)三组模型的载荷-应变及载荷-位移关系；(2)三组模型的强度及弯曲刚度；(3)三组模型在不同扭角下的转矩以及扭转刚度；(4)两组内固定模型的应力遮挡率。

图3　钢板上置模型三点弯曲实验　　　图4　钢板前置模型三点弯曲实验

图5　钢板上置扭转实验　 图6　钢板前置扭转实验

5统计学处理

结　果

1三点弯曲实验结果比较

对照组、钢板上置组和钢板前置组三点弯曲的最大载荷分别为1 280N、1 183N和1 176N。三组模型的载荷-应变及载荷-位移均呈线性关系，在不同载荷下，三组模型的平均应变及位移差异均无统计学意义(P>0.05)，见表1、2。三组模型的最大强度与弯曲刚度值差异无统计学意义(P>0.05)，见表3。

2扭转实验结果比较

钢板上置组和钢板前置组于不同扭转角下的扭矩以及扭转刚度均小于对照组，但差异无统计学意义(P>0.05)，且两内固定组间比较差异无统计学意义(P>0.05)，见表4、5。

3拉伸实验结果比较

对照组平均最大拉伸载荷为(1260±57)N，且断裂部位位于锁骨中外1/3处，与临床实际情况相符合。钢板上置组与钢板前置组的最大拉伸载荷分别为(989±62)N和(1078±65)N，三组行单因素方差分析，差异有统计学意义(F=4.175，P=0.039)。两固定组间比较差异有统计学意义(F=3.133，P=0.047)，说明钢板前置抗拉伸作用较上置明显。

4应力遮挡率比较

根据应力遮挡效应的定义[4]，应力遮挡率η=(1-δ无)/δ有×100%。公式中δ无为钢板固定时的应力，δ有为钢板固定后的应力。钢板上置组平均应力遮挡率为(27.52±3.24)%，钢板前置组为(18.73±2.98)%，差异有统计学意义(F=6.314，P=0.031)，说明钢板前置对锁骨骨折的愈合效果更佳。

表1　三组模型载荷与应变的关系±s,με)

表2　三组模型载荷与位移的关系±s,mm)

表3　三组模型最大强度及弯曲刚度对比±s)

表4　三组模型扭转角与扭矩的关系±s,N·cm)

表5　三组模型扭转刚度值对比±s)

讨　论

锁骨骨折是最常见的上肢骨折类型之一，约占全身骨折的6.2%，多因高处坠落或外力挤压所致[5]。锁骨遭受创伤后在周围肌群的综合作用力下，其中段承受最大的剪切力与弯矩，此外该部位周径较小，骨密度相对较低，因此在锁骨骨折中，中段骨折占80%以上[6-7]。以往对于锁骨中段骨折的治疗方案，一部分医生倾向于手法复位联合“8”字绷带外固定，此方法虽然可使骨折断端暂时固定，但“8”字绷带常因弹性下降而失去固定作用，临床上需多次更换重新固定，步骤繁琐且易造成骨折块的移位，对于复杂型的锁骨中段骨折效果较差[8]。随着内固定材料的不断更新以及手术操作的进一步规范，临床上目前青睐于手术方法治疗复杂型锁骨中段骨折，手术方案主要为克氏针钢丝内固定和重建钢板内固定两种[9]。克氏针钢丝内固定手术过程较为简单，但研究发现其发生松动、滑脱以及损伤臂丛神经的概率较高，继而患者无法进行早期功能训练，一旦发生上述并发症严重影响患者的生活质量[10]。而重建钢板具有良好的可塑性及预弯性，且所配套的螺钉固定牢靠，弥补了克氏针钢丝的不足。对于重建钢板的固定位置，目前为前置和上置两种，多数学者认为前置钢板的抗拔力高于上置钢板，且前置钢板出现肩关节功能障碍以及术后骨不连的概率低于上置钢板[11]。

从本次研究的结果来看，三组模型的载荷-应变及载荷-位移均呈线性关系，在不同载荷下，三组模型的平均应变及位移差异均无统计学意义(P>0.05)，说明两种固定方法在抗弯曲和形变的能力方面效果相当。三组模型在最大强度、弯曲刚度值、不同扭转角下的扭矩以及扭转刚度方面差异无统计学意义(P>0.05)，说明两种固定方法在轴向加压和抗旋转的能力方面同样效果相当。钢板上置组与钢板前置组的平均最大拉伸载荷分别为(989±62)N和(1078±65)N，明显低于对照组(1260±57)N，且两固定组间比较差异有统计学意义(P<0.05)，说明钢板前置抗拉伸作用较上置明显。钢板上置组的平均应力遮挡率明显高于钢板前置组(P<0.05)，因此钢板前置出现骨不连的概率较低。结合临床与本次生物力学研究的数据，笔者分析重建钢板前置的临床效果优于钢板上置的原因主要为以下3点：(1)由于锁骨的解剖形态，重建钢板前置的螺钉进入锁骨的深度明显大于上置钢板的螺钉，因此在内固定的拔出力以及整体稳定性方面，钢板前置效果更佳；(2)前置钢板的螺钉隐藏在锁骨的前下方，与上置钢板突出的螺钉相比，对皮肤的刺激较小，大大降低了皮肤感染的概率；(3)前置钢板降低了应力遮挡率，此外对骨膜剥离程度较小，降低了骨不连发生的概率，有助于患者早期进行功能锻炼。本结果与阮国模等[12]的结论基本符合，但实验仍存在不足之处，主要未考虑不同骨折类型及钢板类型等因素的影响，仅从钢板固定位置分析模型的生物力学特性在临床应用上具有一定的局限性，在稳定性的结论上可能与其他学者存在一定偏差[13]，在今后的研究中应加以完善，提高结果的准确性。

综上所述，与重建钢板上置治疗锁骨中段骨折相比，钢板前置的生物力学性质更加稳定，有利于患者早期进行功能锻炼，应作为首选方案。

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(本文编辑： 郭卫)

Biomechanical comparison of reconstruction plate internal fixation in different positions for treatment of clavicle fractures

TANGLing

(Department of Orthopedics,People’s Hospital of Taixing，Taixing225400,China)

ObjectiveTo compare the biomechanical properties of reconstruction plate internal fixation in different positions for treatment of clavicle fractures. MethodsThirty fresh clavicle specimen were selected. Twenty of them were made for clavicle fracture models and the others were regarded as control group. The clavicle fracture models were randomly divided into the upper plate group(n=10) and the anterior plate group (n=10). Then the biomechanical properties of the three groups were compared. ResultsThere were no obvious differences among the three groups in load-straining,load-migration,maximum strength,bending rigidity and trosional stiffness. The order(from high to low) of the maximum tensile loads among the three groups was the control group[(1260±57)N],anterior plate group[(1078±65)N] and upper plate group[(989±62)N]respectively. The tensile effect of the anterior plate group was better than that of the upper plate group(F=3.133，P=0.047);the stress shielding rate of the anterior plate group[(18.73±2.98)%]was lower than that of the upper plate group[(27.52±3.24)%)](F=6.314，P=0.031). ConclusionFor middle clavicle fracture,the biomechanical properties of anterior plate internal fixation are better than those of upper plate. So it should be used as the first choice for clinical surgery.

clavicle fracture; plate; anterior; upper; specimen; biomechanics

1009-4237(2016)06-0334-04

225400 江苏,泰兴市人民医院骨科

R 683.41

A

10.3969/j.issn.1009-4237.2016.06.005

2015-12-09；

2015-12-31)