环抱型肋骨接骨板与预塑形解剖板生物力学研究

黄 刚，李 普，李高阳，杨金良

肋骨骨折是最常见的钝性损伤之一，约占所有创伤患者的10%[1]。其中多发肋骨骨折尤其是连枷胸诱发的剧烈疼痛、咳痰无力、局部反常呼吸运动以及合并的肺实质损伤、血气胸等容易导致肺部感染、ARDS等并发症，后果严重[2]。近年来，随着研究的进展，切开复位内固定手术治疗肋骨骨折能早期建立稳定的胸廓，有效缓解疼痛、促进肺扩张、减少肺部并发症，缩短住院时间及ICU住院时间，因而应用越来越广泛[3-4]。目前临床中常见的内固定方式主要有环抱型肋骨板(钛合金或钛镍记忆合金)、预塑形解剖板(非环抱型)、髓内型板以及半环抱型(U型)接骨板等，因人体肋骨几何形态的特殊性，各种内固定材料对肋骨的着力方式以及应力特点有所区别[5]。笔者针对当前临床较常用的两种内固定材料即环抱型肋骨接骨板(常州华森)和非环抱的预塑形解剖板(强生MatrixRrib)进行体外生物力学测试，分析对比各自的生物力学性能，为临床选取手术方式提供一定的基础理论依据。

材料与方法

1 材料及仪器设备

环抱型肋骨接骨板(常州华森医疗器械HS A 45×15mm)及夹持钳，预塑形锁定肋骨接骨板(强生MatrixRrib Anatomic 6孔、8孔)、锁定螺钉及专用配套器械，Electroforce 3520-AT型生物力学实验系统(美国Bose公司)及自带生物力学分析软件(河北省骨科研究所)，三点弯曲及扭转实验模具(河北省骨科研究所)、游标卡尺(德国美耐特)、电钻、摆锯，Ⅱ型义齿基牙托粉及自凝牙托水(上海新世纪齿科材料有限公司)。

2 标本制备

取材自河北医科大学解剖教研室成年男性尸体标本6具，年龄24～53岁，平均38.6岁。完整取出每具尸体左、右5～8肋共48根肋骨冰冻保存(-20℃)1～12个月，实验前将肋骨于冰箱内取出，室温(23℃)下自然解冻，小心剔除肋骨上附着的肌肉、软组织，保留骨膜，摆锯截为20cm等长中段肋骨。实验中间断常温生理盐水喷洒于标本表面，保持肋骨湿润。实验用肋骨均排除畸形、损伤、肿瘤及其他病理性改变因素。首先对标本宽度、厚度进行测量，根据测量数据确定选用内固定材料的型号，48根肋骨标本编号后采用随机数字表法分为6组，每组8根，于中点锯断肋骨后进行解剖对位固定，其中3组用环抱型接骨板固定(环抱板组，断端两侧等距各两对环抱抓夹持)，另3组用预塑形解剖板固定(预塑板组，断端两侧等距各3枚锁定螺钉)。

3 实验步骤

3.1非破坏三点弯曲实验 取环抱形板与预塑形解剖板标本模型各1组，安放至三点弯曲模具上(图1)，设置参数，跨度均为100mm，位移速度2.5mm/min，最大位移上限12mm。生物力学实验机与传感器、计算机相连接，施力点为骨折线的中点，加载开始。计算机记录受力中心位移与对应施力大小，记录加压点位移为2、4、6、8、10、12mm时的相应载荷(单位：N)。

3.2非破坏性扭转实验 取另两组对照标本，用义齿牙托粉及自凝水将其垂直固定于扭转实验模具盒(图2)，跨度100mm，旋转速度10°/min，记录旋转角度为5°、10°、15°、20°、25°、30°时的对应扭矩(单位：N.cm)。

图1 非破坏三点弯曲实验模型。a.环抱板固定模型三点弯曲实验；b.解剖板固定模型三点弯曲实验

图2 非破坏扭转实验模型。a.环抱板固定模型扭转实验；b.解剖板固定模型扭转实验

3.3破坏性轴向加压实验 剩余两组对照标本再次用义齿牙托粉及自凝水将其垂直固定于模具盒，设置参数，跨度100mm、位移速度2.5mm/min，最大位移无上限，轴向加压直至标本破坏，生物力学机压力探头自动弹起结束，记录肋骨标本破坏时的形态特点及载荷(单位：N)。

4 统计学分析

结 果

1 肋骨数据测量

48根肋骨中点平均宽度为(14.34±0.86)mm，平均厚度为(8.28±0.77)mm，据此选用45mm×15mm型号环抱型板，并选择10mm长度预塑形解剖板锁定螺钉。

2 非破坏三点弯曲实验

肉眼形态观察：环抱型板在受压时其骨折端会产生1～2mm的间隙增宽，施压结束后恢复原状，而预塑形解剖板难以观察到骨折间隙的变化(图3)。图4显示两组标本随着位移的增加，所需载荷逐渐升高，两组在位移达8mm时斜率均有所下降，显示屈服，在位移10mm时均达到应力最高点，分别为环抱型板：(44.08±1.71)N，预塑形板：(76.48±3.63)N，经统计学分析，两组在2、4、6、8、10、12mm六个位移点的应力载荷数值均存在显著差异(P<0.05)，其中预塑形解剖板相对应力较大。

图3 两组三点弯曲实验骨折端间隙变化。a.环抱板固定模型三点弯曲施压最高处断端间隙明显；b.环抱板固定模型三点弯曲施压解除后断端间隙；c.解剖板固定模型三点弯曲施压最高处断端无明显间隙；d.解剖板固定模型三点弯曲施压解除后断端无明显间隙

图4 三点弯曲实验位移与载荷关系

3 非破坏扭转实验

图5示两组标本随着扭转角度的增加，所需扭矩逐渐升高，曲线图示，达到25°之前，环抱型板所需扭矩较预塑形板普遍较高，30°时环抱型板扭矩显著下降，而预塑形板扭矩继续升高，其屈服点较前者延后。然而，经统计学分析，两组六个角度旋转所加载扭矩均无显著差异(P>0.05)。

4 破坏性轴向加压实验

两组标本破坏形态对比(图6)，预塑形板破坏点多为锁定螺钉周围出现新生骨质劈裂，而环抱型板出现的破坏点多为环抱爪着力部位，两组标本均未见原有骨折处位移或变形。两组轴向施压至完全破坏时所需应力：环抱板(173.88±5.85)N，解剖板(220.87±42.26)N，后者均值显著高于前者(P<0.05)，提示预塑形解剖板能承载的最高轴向负荷较环抱板高。

图5 扭转实验角度与扭矩关系

图6 破坏性轴向加压实验中两组标本破坏部位。a.环抱板模型肋骨破坏处位于环抱爪着力部位；b.解剖板模型破坏处位于锁定螺钉周围

讨 论

由于肋骨需要持续参与人体呼吸、咳嗽甚至复苏性干预等活动，其骨折愈合特点与其他骨组织不同，不受生理负荷的保护，因此，多发肋骨骨折时需要尽快提供有效的稳定性以促进肋骨正常生理功能的恢复。从生物力学角度考虑，内固定的稳定特性和强度是最主要的因素。Rehm等[6]进行一项人体内实验研究，为6名肋骨部分切除(间隙1.5cm)的成年患者置入带应力测量计的桥接板，测试自主呼吸状态下肋骨的弯曲、扭转以及轴向的应力负荷，其中最高弯曲应力为(39.0±15.1)N、最高扭转应力为(18.0±9.2)N，最高的轴向应力为(7.0±1.1)N。Helzel等[7]测试人体在咳嗽时肋骨弯曲应力可达92.4N。本研究中两组模型的破坏性实验所需应力(173.88±5.85)N、(220.87±42.26)N均远远超过上述生理活动的应力上限，提示这两种材料均能为骨折部位提供足够强度的稳定固定。然而，两组模型破坏形态的规律显示，无论是爪形环抱贴合还是锁定螺钉的固定方式，其着力部位的正常骨组织都会受到潜在的破坏性，从而产生相对薄弱区域，此薄弱区足够耐受自主呼吸及咳嗽等正常生理活动应力的考验，当胸廓承受外力时，是否容易出现薄弱区的新发骨折，目前则尚未可知。

与人体其他骨组织相比，肋骨有较为复杂的几何形态，除了包括两个矢量方向的弯曲度还包括扭转度，其生理状态下承受的应力也较为复杂，包括弯曲、扭转和轴向剪切应力[8]，因此评价内固定的有效性需要从多方面着手。对比两种模型，三点弯曲实验可看出预塑形解剖板各个位移点的弯曲负荷均远高于环抱板(P<0.05)，因此，从强度方面考虑，预塑形解剖板看上去更可靠。此外，通过肉眼观察，环抱板模型在受压弯曲时，其骨折间隙会产生1～2mm的分离，施压结束后基本恢复原状，而预塑形解剖板几乎没有骨折间隙的分离变化，因此在内固定绝对稳定性方面，预塑形解剖板亦具备优势。然而研究表明，骨折断端在一定范围内的轴向微动能促进骨折愈合[9]，单从此因素考虑，或许环抱型板更有优势，结论尚需通过进一步体内研究来探讨验证。笔者在扭转实验曲线图中观察到，虽然环抱型板前期扭转角度(<25°)相应扭矩数值高于预塑形解剖板，而后期(>30°)扭矩较之降低，但均无统计学差异(P>0.05)，因此，两种内固定材料在抗扭转特性方面无较大差别。破坏性轴向施压主要为抗剪应力实验，预塑形解剖板组显示出较强的抗剪应能力(P<0.05)。

目前学术界公认的骨折治疗AO原则除了解剖性复位、稳定牢固的骨折固定以外，对血运的保护也不容忽视[10]，对比两种手术操作，在实施环抱型板内固定时，为了避免肋骨下缘的肋间神经血管束损伤，往往需要充分游离肋下缘的骨膜，而预塑形解剖板则不用过多的游离两端骨膜，在血运保护方面，后者可能存在一定优势，但是，从经济成本考虑，环抱型板价格低廉，更具优势。

总之，随着胸外科及创伤外科专业医师对肋骨骨折内固定手术认可度的不断提高，越来越多的内固定手术方式被采用，针对不同骨折类型以及实际临床需求可以选取相应特点的内固定材料。本实验初步探讨了环抱型和非环抱型内固定材料的生物力学特性，为广大医师的临床选择提供了一定的理论依据。然而，影响骨折愈合机制的因素纷繁复杂，尚需更广泛、更深入的体内、体外研究来验证最佳手术方式。