胫骨板式外固定架的生物力学性能研究

史 迪,张浩萌，李国臣，郑联合

现代战争因武器威力巨大，容易造成胫骨开放性骨折，并伴有严重创面污染、软组织及神经血管损伤，这种情况下，常常需要对骨折进行快速、稳定的固定，以减少对周围软组织及神经血管的进一步损伤，降低休克的发生率，这无疑是现代战创伤治疗的挑战[1-2]。长期以来，外固定架一直被用于治疗胫骨开放性骨折及某些闭合性的伴有严重软组织损伤的粉碎性胫骨骨折。虽然外固定架能够减少对软组织及血供的损伤，但也有其缺陷：固定稳定性较差，容易导致骨折断端再移位，造成骨折延迟愈合、畸形愈合甚至不愈合，此外，临床常用的外固定架由于其体积较大容易影响患者的日常生活，如穿衣及行走[3-5]。如何克服外固定架本身存在的诸多缺陷依旧是国内外学者研究的重点。本课题组设计了胫骨板式外固定架(专利号：ZL201621380368.6)，与小腿外形高度匹配，利用钢板与螺钉之间的角稳定性，保证了骨折固定的稳定性，有望避免临床常见的外固定架及螺钉松动的问题，而且体积较小，对患者行走穿衣等日常生活影响较小。本实验通过比较胫骨板式外固定架的两种构型与临床常用的单边式外固定架在固定牛胫骨中段骨折模型时的力学性能差异，评价胫骨板式外固定架治疗胫骨粉碎性骨折时的稳定性，为胫骨板式外固定架用于治疗胫骨严重开放性骨折及粉碎性骨折提供理论支撑。

材料与方法

1 建模及分组

选择15根新鲜成年直径和长度接近的牛胫骨，胫骨均来自同一品种，健康、体重接近且骨骼发育成熟的成年牛，平均长度为340mm(310～375mm)，剔除所有软组织。根据不同固定方式随机分为板式经典型组、板式延长型组及单边式外固定架组三组，用摆锯在胫骨中段锯开，制作成间距为20mm的骨折缺损，保证骨折断端无接触，模拟胫骨粉碎性骨折[6-7]。板式经典型组用不锈钢经典型板式外固定架(远端固定板条完全嵌入近端固定板条中，长300mm，宽21mm，厚10mm，共13个螺钉孔，螺钉直径5mm)固定，骨折近端和远端各2枚锁定螺钉固定(图1)。板式延长型组用不锈钢延长型板式外固定架(远端固定板条未完全嵌入近端固定板条，长340mm，近端宽21mm，厚10mm，远端宽16mm，厚5mm，共16个螺钉孔，螺钉直径5mm)固定，骨折近端和远端各2枚锁定螺钉固定(图2)。单边式外固定架组用不锈钢单边式外固定架(连接杆直径8mm，长度为300mm，半针直径5mm)固定，骨折近端及远端各2根半针固定(图3)。三组骨折固定模型均先用4.5mm钻头钻孔，然后顺时针方向拧入锁定螺钉或半针，均固定双侧皮质。近端螺钉或半针距离骨折断端20mm，远近端螺钉或半针之间间距为45mm，连接杆或外固定板距离骨表面30mm[8]。所用外固定器械材质相同，均来自上海康定医疗器械有限公司。

图1 经典型板式外固定架 图2 延长型板式外固定架 图3 单边式外固定架

2 结构及特点

本课题组设计的板式外固定架，属于一种胫骨外固定装置，包括近端胫骨固定板条、远端胫骨固定板条。近端固定板条的远端设有插槽，远端固定板条的近端可以深入插槽中并沿插槽滑动，根据人体胫骨长度调节胫骨固定板条的长度，保证了板式外固定架在长度上的可调节性。近端固定板条近端设置有第一横贴板，能够与人体胫骨的近端部位横向贴合；远端固定板条的远端设置有第二横贴板，能够与人体胫骨远端的部位横向贴合。所述胫骨固定板条、第一横贴板和第二横贴板与人体小腿外形高度匹配，且体积较临床常用的单边式、组合式及环式外固定架小。胫骨固定板条及横贴板上设有5mm锁定螺钉孔，所用螺钉均为5mm自攻型锁定螺钉。

3 测试方法

3.1 轴向压缩实验 所有骨折模型两端用牙科自凝牙托粉包埋，保证轴向压缩时负荷传递模拟生理条件下力线的传递[1, 4]。在前期的预实验中，板式外固定架的两种构型均可以承受超过1 000N的负荷，单边式外固定架可以承受超过700N的负荷，故本次试验最大轴向载荷设置为700N，对应一个体重为140kg的成年人双足站立，完全负重时的轴向负荷。将骨折模型置于Z2005电子材料万能试验机(Zwick/Roell Z2005，德国)上(图4)，采用位移控制的方式加载负荷，负荷以0.1mm/s的速度从0N加到700N，循环加载6次，同时以100Hz的频率采集载荷及相应的轴向位移数值，在电脑上建立相应的载荷位移曲线，将每次循环前3次的数据丢弃用以排除系统误差，后3次的数据保留计算轴向压缩刚度，压缩刚度定义为单位轴向位移下所施加的负荷(N/mm)[4]。

3.2 四点弯曲试验 将骨折模型置于安装好弯曲工装的Z2005电子材料万能试验机上(图5)，设定上方两个负荷加载点间距为100mm，下方两个负荷支撑点间距为200mm，采用位移控制的方式加载负荷，负荷以1mm/min的速度从0N加载到400N,对应扭矩为0Nm到20Nm，循环加载6次，同时以100Hz的频率采集载荷及相应的位移数值，将每次循环前三次的数据丢弃用以排除系统误差，后3次的数据保留计算四点弯曲刚度，弯曲刚度定义为单位角位移下所施加的扭矩(Nm/deg)[9]。

3.3 扭转试验 将骨折模型置于安装好扭转工装的Z2005电子材料万能试验机上，采用位移控制的方式以0.5°/s的速率加载负荷，最大扭矩设定为10Nm，循环加载6次，同时以100Hz的频率采集载荷及相应的角位移数值，每次循环前3次的数据丢弃以排除误差，后3次的数据保留计算扭转刚度，扭转刚度定义为单位角位移下所施加的扭矩(Nm/deg)[4]。

图4 骨折模型用于轴向压缩测试 图5 骨折模型用于四点弯曲测试

4 统计学分析

应用SPSS 23.0统计软件进行分析。组间比较采用单因素方差分析，若组间差异有统计学意义则再用LSD-t检验进行两两比较。P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

轴向压缩实验表明，经典型板式外固定架平均刚度为244.82N/mm，单边式外固定架平均刚度为133.63N/mm，延长型板式外固定架平均刚度为166.69N/mm，单因素方差分析表明F(2，12)= 90.099,差异有统计学意义(P<0.0001)，见表1、图6。用LSD-t检验表明，经典型板式较单边式高83.21%，差异有统计学意义(P<0.0001)，延长型板式较单边式高24.74%，差异有统计学意义(P=0.002)。四点弯曲实验表明，经典型板式外固定架平均刚度为9.74Nm/deg，延长型板式外固定架平均刚度为8.53 Nm/deg，单边式外固定架平均刚度为7.55 Nm/deg，单因素方差分析表明F(2，12)= 17.873,差异有统计学意义(P<0.0001)，见表2、图7。用LSD-t检验表明，经典型板式较单边式高29.01%，差异有统计学意义(P<0.0001)，延长型板式较单边式高12.98%，差异有统计学意义(P=0.021)。在扭转实验中，经典型板式外固定架平均刚度为1.65Nm/deg，延长型板式外固定架平均刚度为1.08Nm/deg，单边式外固定架平均刚度为0.76 Nm/deg，单因素方差分析表明F(2，12)= 50.397,差异有统计学意义(P<0.0001)，见表3、图8。用LSD-t检验表明，经典型板式较单边式高117.11%，差异有统计学意义(P<0.0001)；延长型板式较单边式高42.11%，差异有统计学意义(P=0.004)。本次实验中，每个实验组均未出现骨折间隙关闭或者外固定架出现难以恢复的弯曲或断裂以及出现新发骨折等现象[8,10-11]。

表1 三组骨折模型轴向压缩刚度比较(N/mm)

表2 三组骨折模型四点弯曲刚度比较(Nm/deg)

表3 三组骨折模型扭转刚度比较(Nm/deg)

讨 论

近年来，对于伴有严重污染及软组织损伤的开放性胫骨骨折，外固定架因为对软组织损伤小，对骨膜血供的破坏较小而越来越受骨科医生的重视[12-15]。现代战争所造成的战创伤以开放性损伤及复合伤多见，常伴有四肢开放性骨折，伴有严重污染和软组织损伤，外固定因其固定迅速且对软组织损伤小，大大降低了邻近血管及神经损伤的风险，体现了巨大的应用价值。与常用的外固定架相比，胫骨板式外固定架设计巧妙，携带方便，适合于不同身高的人群，对操作环境的要求相对较低，操作方便，能够对骨折进行快速有效的固定，符合野战条件下一线救治的需要，对多发伤、群体伤的早期救治有重要的意义。

在本次实验中，板式外固定的两种构型在轴向压缩、四点弯曲及扭转刚度上均优于临床上常见的单边式外固定架。在轴向压缩实验中，当负荷为200N时，经典型板式组、延长型板式组、单边式外固定架组三组的位移分别为0.89、1.20、1.21mm；当负荷为400N时，经典型板式组、延长型板式组、单边式外固定架组三组的位移分别为1.71、2.23、2.51mm，可见在相同载荷时，板式外固定架组的位移均小于单边式外固定架组，且随着载荷的增加差距也随之增大。国内外关于外固定架刚度的文献报道称外固定架的轴向刚度最小为50N/mm，最大为400N/mm[4,16]，此范围的刚度可刺激骨痂生长，促进骨折愈合，本实验所测的三种外固定架的刚度均在其范围内。板式外固定架的两种构型在四点弯曲刚度方面均优于单边式外固定架，有利于骨痂生长并增加骨痂强度[17]。国内外文献报道外固定架的扭转刚度范围为0.1～6Nm/deg[18-19]，笔者所测的结果在其范围内，但是均偏小，这可能与选择的骨标本、设定的骨折间隙大小及外固定架与骨表面距离等有关。影响外固定刚度的主要因素有骨折间隙大小、螺钉的数量及直径，外固定钢板的长度以及外固定钢板与骨表面的距离[20]。锁定钢板外置是目前国内外研究的热点，但是锁定钢板由于锁定螺钉孔数量有限导致螺钉数量的调节受到限制，而本课题组所设计的板式外固定架有横贴板，而且远近端胫骨固定板条之间可以滑动来调节胫骨固定板条的长度，使得螺钉孔数量足够，可以通过调节螺钉的数量来调节外固定的刚度。而且本实验证明了即使调节了外固定钢板的长度，板式外固定的刚度仍然优于单边式外固定架。

图6 三组骨折模型轴向压缩刚度比较 图7 三组骨折模型四点弯曲刚度比较 图8 三组骨折模型扭转刚度比较

注：*表示离群值 注：°表示离群值 注：°表示离群值

综上所述，胫骨板式外固定架刚度高于临床常用的单边式外固定架，对于胫骨严重粉碎性骨折及开放性骨折，用板式外固定架早期固定，有助于维持下肢力线及骨折断端稳定，而且板式外固定架体积小，对患者日常生活的影响较小，还能通过调节自身长度对不同身高的人群进行胫骨骨折外固定治疗。本研究也存在如下不足：(1)由于条件所限，仅仅测量了轴向压缩刚度、四点弯曲刚度及扭转刚度。(2)与所有生物力学研究一样，实验用骨剔除了肌肉以及其他软组织，骨所受载荷的传递不能完全模拟机体的负荷力线传导。在下一步的研究中，本课题组需进一步对板式外固定架的刚度做进一步的研究，并将板式外固定架用于活体动物骨折治疗，观察固定效果，进一步为板式外固定架用于战创伤急救及临床治疗奠定理论基础。