Ⅳ型胫骨平台骨折后外侧塌陷关节面固定方式的生物力学研究

庄健 翟启麟 王驭恺 周凯华 潘福根 罗从风

胫骨平台骨折是常见的下肢关节内骨折，以Schatzker法分型时Schatzker Ⅳ型骨折为内侧胫骨平台骨折。随着术前CT检查的普及，临床医生发现Schatzker Ⅳ型骨折合并后外侧关节面塌陷时具有特殊性[1-2]，其特点为内侧骨折块的复位和固定相对容易，而后外侧关节面塌陷的复位和固定存在困难[3]。针对此类骨折，主要手术固定方式有3种：①采用传统内侧入路，通过骨折间隙复位后侧关节面，胫骨平台内侧以钢板固定，其近端以螺钉固定关节面(图1a)[4]；②采用后内侧入路，在胫骨平台内侧钢板固定基础上，加用后侧钢板支撑固定关节面(图1b)[5]；③采用内外侧入路，通过外侧平台截骨窗复位关节面，内外侧以双钢板固定(图1c)[6]。

图1合并后外侧关节面塌陷的Schatzker Ⅳ型胫骨平台骨折的3种手术固定方式[4-6]a. 内侧钢板固定,术前X线片(左)、术中复位过程中X线透视(中)及术后X线片(右)b. 内侧钢板固定加后侧钢板支撑固定，术前CT影像(左)及术后X线片(右) c. 外侧平台截骨后，内外侧平台双钢板固定示意图，术前(左)、术中截骨窗及复位(中)和术后(右)

本研究拟通过模拟以上3种方式的体外试验，比较不同固定方式对骨折复位后关节面稳定性的影响，评估不同固定方式对关节面固定的生物力学效果。

1 材料与方法

1.1 实验材料和设备

人工合成胫骨(1110型，右侧，瑞士Synbone公司)，胫骨近端3.5 mm系统接骨板和螺钉，人工合成股骨(2350型，右侧，瑞士Synbone公司)，电子万能材料实验机(Instron5569型)。

1.2 骨折模型制备

内侧大块型骨折在SchatzkerⅣ型骨折中占比最高，根据文献[7]及本研究小组前期研究结果其主要形态学特征如下：①主要骨折线角度(内侧平台骨折线与股骨后髁线的夹角)为84.42 °±6.48 °；②内侧骨折块高度(骨块最远端到关节面的垂直距离)为(57.21±7.89) mm；③内侧骨折块关节面与整个平台关节面的面积比为59.76%±3.79%；④后外侧塌陷关节面与整个平台关节面的面积比为17.56%±8.31%；⑤后外侧塌陷关节面的深度为(11.76±3.53) mm；⑥在胫骨平台横断面建立坐标系，塌陷关节面中心的坐标位置为平均坐标(14.68, -5.65)[8]。

按照上述形态学测量结果，在人工合成胫骨上描绘出内侧大块型SchatzkerⅣ型胫骨平台骨折合并关节面塌陷的骨折线走向，然后操作如下：首先，在人工骨上用电动摆锯制造内侧骨折块(图2a)；其次，利用切下的骨块切面使用钻头打空塌陷关节面以下10 mm区域，打空高度为12 mm(图2b)；最后，沿所画的塌陷关节面边缘用2.5 mm克氏针打孔至上述已打空区域，塌陷关节面与周围相连皮质的弧度和小于20 °(图2c、2d)。

图2后外侧关节面塌陷的SchatzkerⅣ型胫骨平台骨折模型制备 a. 切下内侧骨块后的切面 b. 打空的塌陷关节面下方10 mm起始区域 c. 在胫骨平台关节面沿所画的塌陷关节面边缘用克氏针打孔 d. 塌陷关节面与周围相连皮质的弧度和小于20 °

1.3 实验分组及处理

共制备18例骨折模型，将其随机均分为3组，分别采用3种内固定方式固定。A组采用胫骨近端内侧3.5 mm系统解剖型锁定接骨板固定。术者行骨折解剖复位后，将钢板置于胫骨平台内侧，近端钉孔方向垂直于骨折线，以克氏针临时固定；在骨折线远端以普通螺钉固定；最后，使用锁定套筒钻孔、测深及锁定螺钉固定，钢板近端钉孔锁定固定。B组内侧钢板固定同A组，在此基础上增加后侧支撑钢板，即于后方由外上向内下安放3.5 mm干骺端钢板，使近端1枚螺钉的位置恰好打入塌陷关节面下方，各钉孔使用锁定螺钉固定。C组在内侧钢板固定基础上增加胫骨近端外侧解剖型钢板。首先依据文献[6]方法制作：采用电动摆锯在外侧平台上进行截骨，截骨线连通塌陷关节面，其后方的皮质不予处理以模拟骨窗。术者先行内侧钢板固定(方法同A组)，然后在外侧使用2根克氏针经钢板近端克氏针孔临时固定以确定钢板位置，钢板近端的后缘不越过腓骨切迹；以普通螺钉固定确认钢板位置满意后，使用锁定套筒钻孔、测深及锁定螺钉固定。见图3。

图3 A、B、C组的内固定方式

1.4 生物力学测试

取制作好的标本固定于万能材料实验机上，为模拟膝关节负重，通过人工合成的股骨远端进行轴向载荷加压。载荷加压采用静态负载方式，以700 N为起始负荷，即相当于70 kg体质量人体步行时膝关节所承受的负载[9]；然后以每10 N递增，测试塌陷关节面与周围相连皮质断裂时的载荷和垂直位移>3 mm时的载荷。塌陷关节面与周围相连皮质的断裂采用大体观察法，即骨折模型关节面各克氏针钻孔间皮质均断裂；垂直位移判定采用测量法，以关节面水平为基准，塌陷关节面上任意一点距此水平大于3 mm时即为垂直位移>3 mm。记录以上两种情况发生时的静态载荷。

1.5 统计学方法

采用SPSS 19.0版软件进行统计学分析。计量资料以均数±标准差表示，组间比较采用方差分析，进一步两两比较采用LSD-t法(方差齐)或Dunnett T3法(方差不齐)，P<0.05为具有统计学差异。

2 结果

实验中未发生螺钉或钢板断裂。塌陷关节面与周围相连皮质断裂时所加载负荷分别为A组(1 715.0±52.1) N、B组(2 631.7±81.8) N、C组(2 763.3±51.6) N。经检验3组数据满足正态分析条件并具方差齐性，予方差分析显示3组间加载负荷存在差异(F=486.183，P=0.000)；进一步采用LSD-t法行两两比较，PAB=0.000、PAC=0.000、PBC=0.003，3组间载荷均存在差异。塌陷关节面垂直位移>3 mm时的载荷分别为A组(2 360.0±71.0) N、B组(3 125.0±104.4) N、C组(3 418.3±81.3) N。经检验3组数据满足正态分析条件并具方差齐性，予方差分析显示3组间载荷存在差异(F=238.140，P=0.000)；进一步采用LSD-t法行两两比较，PAB=0.000，PAC=0.000、PBC=0.000，3组间载荷均存在差异。

3 讨论

胫骨平台骨折应用最广泛的分型是Schatzker骨折分型，其中SchatzkerⅣ型为内侧胫骨平台骨折，可伴有骨折脱位。随着术前CT检查的广泛应用，学者们发现部分SchatzkerⅣ型骨折可伴外侧平台关节面塌陷，且塌陷通常位于外侧平台中部或后部，这给手术复位及固定带来一定困难[1,4-6,10-11]。

内侧手术入路及固定是治疗SchatzkerⅣ型骨折的经典方式，该入路可直接暴露内侧平台骨折块，于直视下行复位和固定，但对于存在后外侧平台塌陷者，此入路在复位和固定上均存在一定困难，而后外侧关节面的处理在手术中是非常重要的[12]。有学者认为，可通过此入路于骨折块间隙插入撑开器，然后使用顶棒等工具在X线透视下复位后外侧关节面[4]。也有学者建议，内侧切口仅处理内侧骨块，在前外侧增加切口，利用关节内截骨技术新增外侧平台骨折窗，将SchatzkerⅣ型骨折转化为SchatzkerⅤ型，通过新增的骨折窗复位后外侧骨折块并以外侧钢板固定[6]。还有学者使用胫骨平台后内侧倒“L”形入路处理此类骨折，该方法通过1个切口暴露内侧和后侧柱，在内侧钢板固定基础上增加后侧支撑固定[5]。这3种手术方式各有优缺点，但尚无生物力学研究比较它们固定关节面的稳定性。

本研究的骨折模型及内固定方式均模拟临床操作。研究结果发现，内固定强度最高的是以内外侧双钢板固定，其次是以内侧钢板加后侧支撑钢板固定，强度最低的是以内侧钢板固定，3种固定方式相同之处为均有内侧钢板固定。我们研究位移实验后的模型发现，内侧钢板近端3枚螺钉中的2枚可以打入塌陷关节面下方区域进行支撑，其中1枚通过塌陷中部，另1枚通过边缘。相比于单纯内侧钢板固定，加用后侧支撑钢板固定时，后侧钢板最近端的1枚螺钉也可打入塌陷关节面下方，因此其力学强度更优。而以内外侧双钢板固定时生物力学强度最高，其原因在于外侧钢板近端也有2枚螺钉可打入塌陷关节面下方，因此最多可有4枚螺钉对塌陷关节面起到支撑作用。不过需注意的是无论体外试验还是临床操作中，内外侧双钢板固定的近端螺钉均可能存在相互干扰，即当一端打入较长螺钉后(通常>70 mm)，另一端通常无法打入长螺钉。在实践中，术者可通过调整钢板高度进行避让，使内侧钢板位置略低于外侧钢板。

生物力学研究的目的是为临床决策提供依据。根据Morrison[13]的研究，术后患者进行主动功能锻炼时膝关节应力约为人体质量的1.3倍(体质量70 kg者约910 N)，而人行走时踩地瞬间的膝关节应力可达人体质量的3.5倍(体质量70 kg者约2 500 N)。本研究中，塌陷关节面与周围相连皮质断裂时载荷最低组(内侧钢板固定组)的负荷为1 715 N，应可以满足人体非负重活动需要，而另外2组(内侧钢板加后侧支撑钢板固定组、内外侧双钢板固定组)的负荷值理论上均可满足人行走需要。

本研究的不足之处在于骨折模型与临床情况存在一定差异。临床实践中，塌陷关节面的形状多不规则且为游离状，在利用顶棒等工具抬起后，塌陷关节面与周围组织存在一定的黏液摩擦和滑动摩擦，而这在人工骨材料上无法完全模拟。目前，临床医生对于胫骨平台骨折的治疗多采用生物学固定的理念，即在不牺牲生物力学固定强度的情况下保护骨折周围生物学环境的稳定。尽管本研究的结果显示以内外侧双钢板固定稳定性更强，但在临床实践中仍需要结合实际情况进行综合判断。