锁定钢板工作长度与螺钉配置对骨折愈合影响的研究进展

王杨 陆骅

锁定钢板目前被广泛采用，其临床应用已扩展到传统手术中可使用非锁定钢板处理的骨折类型中。锁定钢板与传统钢板相比具有明显的优势，包括改善骨质疏松骨的固定、提高固定强度和提供生物相容性更好的固定结构。锁定钢板能够提供可靠的骨折稳定性和愈合，尤其是在复杂的骨干/邻近干骺端伴广泛粉碎的骨折中。在临床应用中，由于不同部位的解剖特点不同，同时骨折形态多样，锁定钢板相关并发症并不少见，包括骨不连、延迟愈合、畸形愈合、感染等。在其机制研究中，对于影响骨折愈合的因素存在一定的争议，特别是病人自身的健康状况及术后早期的活动情况。生物力学研究中发现相关并发症的出现可能与锁定钢板的较高刚度有关，影响因素包括钢板工作长度、螺钉配置以及骨折间隙的大小等，这些因素会导致植入物的应力变化、骨折愈合部位的稳定性以及愈合组织中应变大小。因此，本文拟通过文献综述，探索锁定钢板的工作长度和螺钉配置对骨折愈合的影响。

一、文献检索策略

本文通过中文检索词“锁定钢板”、“并发症”、“工作长度”、“螺钉配置”、“骨折愈合”以及英文检索词“locking plate”、“complication”、“working length”、“screw configura⁃tion”、“fracture healing”在中国知网、万方数据库、维普数据库、PubMed、Web of Science 等平台进行检索，共检索到文献3 091 篇。应用EndNote 删除重复及无法获得全文文献2 167 篇，根据文献纳入与排除标准最终纳入文献41篇，均为英文文献（图1）。文献纳入标准为：①已正式发表的期刊文献；②文献内容与锁定钢板并发症、钢板工作长度、螺钉排布及骨折愈合密切相关；③同类研究中质量、证据等级较高的文献；④语言为英文的文献。文献排除标准为：①文献质量、证据等级较低的文献；②学位论文、会议类文献；③非英文的文献；④无法获得全文的文献。

二、锁定钢板并发症及机制概述

尽管锁定钢板优点明显，但在实际使用中并发症并不少见，数据显示不愈合率可达19%［1］。在最近的研究中，Koso等［2］系统分析了38项研究中通过内固定治疗的2 829例股骨骨折，骨不连是最常见的并发症，4.7%发生在远端骨折，2.8%发生在骨干骨折中。在锁定钢板固定的376 例股骨远端骨折中51例（13.6%）需要再次手术治疗：骨不连17例（4.5%）、机械失败13例（3.5%）、深部感染12例（3.2%）、延迟愈合6例（1.6%）、畸形愈合3例（0.8%）。Kandemir 等［3］也发现了使用锁定钢板后出现延迟愈合、固定失败、骨不连的比例高达23%。Harvin等［4］报道了最高的骨折不愈合发生率（35.4%），其中22例（22.9%）为顽固性骨不连。

图1 文献筛选流程图

在并发症机制的研究中，Henderson等［5］认为在骨折愈合过程中，主要是缺乏骨痂形成，而不是植入物失败。在其早先的病例报告中，就发现了锁定钢板结构可抑制骨折块间的运动，从而不利于通过形成骨痂来促进骨折愈合［6］，这可能与锁定钢板较高的刚度有关［5，7］。在之后的研究中，Piᶏtkowski 等［8］在胫骨远端骨折的治疗中，发现弹性固定与坚强固定尽管在并发症方面的差异无统计学意义，但在弹性固定组中有更多的成角畸形（21.4%vs.11.1%）。

三、锁定钢板工作长度对骨折愈合的影响

内植物的刚度是指其对抗形变的能力，而调节结构刚度的最重要参数之一是工作长度（也称为桥接跨度），其定义为骨折端两侧最邻近骨折端的两枚螺钉之间的距离［9］，被认为是预测整体结构力学性能最重要的因素之一［10⁃11］。将螺钉放置在靠近骨折部位的缺点是使得应力集中在离骨折端最近的两枚螺钉上，有钢板断裂的风险，出现内固定失败，而将螺钉放置在离骨折部位较远的地方可以更好地分配钢板的应力，降低钢板疲劳失效的风险［12］。

（一）不同类型外力作用下钢板工作长度对骨折愈合的影响

1.轴向力和扭转力

钢板工作长度早先被报道为影响轴向和扭转刚度以及骨折间隙处骨折块间运动的重要参数［13］。Stoffel等［13］模拟一定骨折间隙大小（2 mm/6 mm）的骨折发现在骨折端附近延长一个螺丝孔时，轴向刚度和扭转刚度分别显著降低64%和36%，而之后每多出一个螺丝孔的间隙，稳定性就会降低约10%。Chen等［14］通过有限元分析发现工作长度增大，钢板发生一定弹性形变使得钢板上的应力降低，但过大的工作长度导致稳定性的下降。Märdian等［15］也通过有限元分析发现所有测试节点的轴向运动随着钢板工作长度的增加而显著增加。Heyland 等［16］通过有限元分析发现骨折近端第一枚螺钉离骨折端越近，即工作长度越小，轴向刚度越大。Macleod等［10］模拟10 mm 间隙的42C1⁃3 型（AO/OTA 分型）骨折进行测试发现工作长度越大，轴向压力下骨折块间微动越大，并且不受第二及第三枚螺钉位置的影响。Todorov等［17］模拟股骨远端AO 分型为33⁃A3 型骨折，发现长工作长度的钢板导致轴向位移显著高于短工作长度的钢板。

2.剪切力

Märdian等［15］通过有限元分析发现骨折块间运动随着钢板工作长度的增加而显著增加，导致剪切力方向上的骨折块间微动（IFM）出现不成比例地增加，内侧和外侧IFM 差值随着工作长度的增加而显著增加。Elkins 等［18］通过回顾锁定钢板固定的66例股骨远端骨折病例，发现增加工作长度（＞80 mm）会削弱结构强度，并可能导致不对称的轴向运动和过度的剪切运动，从而抑制骨折愈合。Henschel 等［19］在股骨远端骨折的替代模型（AO 分型为33⁃A3，骨折端间隙为10 mm）中对比不同桥接长度（25 mm/87 mm），发现较长的桥接跨度主要增加的是剪切运动，而非轴向运动。Todorov等［17］也验证了骨折端间隙为20 mm时，长工作长度导致剪切位移显著高于短工作长度的钢板。

3.弯曲力

Smith 等［20］发现在粉碎性骨折中，较小工作长度的钢板上更容易出现应力集中，导致钢板断裂。在近期研究中，Wee 等［21］通过有限元分析验证了弯曲载荷下较小的工作长度导致较高的钢板应力。

（二）钢板孔数对骨折愈合的影响

迄今为止，在钢板长度的选择上更多依赖于术者的经验［15］。Sommer 等［22］报道了144 例锁定钢板治疗病例中出现了27例并发症，包括5例植入物松动和4例植入物断裂。他们将这些植入物失败归因于使用过短的钢板，没有保留足够的桥接跨度。Smith 等［20］就此提出了“动态加压”概念，认为应用锁定钢板治疗粉碎性骨折时在骨折端附近预留3～4 孔来作充分桥接固定，使得应力分布在钢板的更大区域上。而Strauss 等［23］认为在粉碎性骨折中应当留出2 至3 个开放的螺钉孔的跨度，以限制相邻螺钉-骨界面处的应力集中。Ehlinger 等［24］推荐钢板的长度是钢板整体预留出至少五个孔，目标是获得尽可能长的覆盖范围，使得应力相对分散，有报道在此基础上，轴向加压下固定失败概率仅有6.25%（1/16）［25］。

（三）骨折间隙大小对骨折愈合的影响

部分研究认为工作长度、刚度及骨折愈合之间没有很大的相关性。Parks 等［26］分析了14 例股骨远端骨折病例（AO/OTA 33A和33C），发现刚度与工作长度无关，其中延迟愈合和骨不连发生率为14%。这其中最大的影响在于骨折间隙和钢板-骨应力负载分担情况的变化［9，13，27⁃28］。当存在1 mm的骨折间隙时，增加的工作长度实际上降低了螺钉中的应力；而当骨折间隙大于1 mm时，工作长度对螺钉应力或钢板应力没有影响，原因在于骨不能分担载荷［13］。Kanchanomai等［27］利用5个股骨干骨折模型进行力学测试时，发现工作长度相同下锁定钢板在骨折间隙为1 mm时的刚度远大于骨折间隙为8 mm时的刚度。Bogataj等［28］对肱骨远端骨折不同固定方法进行有限元分析，发现在没有骨折间隙的情况下，骨折远近端在加载过程中是接触的，两端位移均减小，同时骨-骨折块复合体可以承载更大部分的力，显著降低了钢板中的应力，此时不同固定结构之间的刚度没有显著差异。这种骨折端之间的接触在一定条件下可以补偿植入物承载能力的不足，也会显著降低固定部位的应力。Macleod 等［9］则认为当存在骨折间隙时，整个载荷通过钢板从一个骨片传递到另一个骨片。在这种情况下，较大的工作长度导致弹性增大和钢板弯曲增加，钢板应力更高，骨应变更大，骨折块间微动也更大。然而，当没有骨折间隙时，载荷在骨和钢板之间分担，此时更灵活的钢板结构导致较低的板应力和较低的界面应变。因此，在对骨折部位进行固定时，除了考虑整体受力情况外，还要根据骨折间隙大小决定钢板长度以达到最佳固定效果。

四、螺钉配置对骨折愈合的影响

（一）螺钉数量

在锁定钢板固定骨折的近端和远端需要多少螺钉仍存在争论［29］。早先Stoffel 等［13］在基于常规钢板的经验上利用56根复合材料制成的人工骨，模拟间隙大小为1 mm和6 mm的骨干部骨折模型，发现了影响锁定钢板压缩和扭转稳定性的多个因素，其中螺钉数量对稳定性有显著影响，对于简单骨折每个部分超过3枚螺钉对增加轴向刚度几乎没有作用；而4 枚螺钉也没有增加整体扭转刚度。Todorov 等［17］通过模拟股骨远端（AO分型为33⁃A3型骨折）模型验证了轴向和扭转载荷下的刚度主要随放置螺钉数量的增加而增加。Hey⁃land 等［16］通过有限元分析验证了锁定钢板整体刚度随螺钉数量的增加而增加，但在结构中使用的螺钉越多，刚度的增加就越少，使用4枚以上的螺钉不会导致结构的总刚度显著增加。Macleod 等［10］也通过有限元分析对螺钉配置、螺钉松动和骨折块间运动相关变量进行研究，发现扭转载荷下使用的螺钉总数是最重要的变量，在骨质疏松骨中使用六枚螺钉替代四枚螺钉时，最接近骨折端螺钉周围的骨折块间微动明显减小。与使用2 枚螺钉的情况相比，使用3 枚螺钉时骨折块间微动在轴向载荷和扭转下明显降低，而应用超过3枚螺钉对骨折块间微动的影响最小。

在相关临床应用中，Hoffmann等［30］回顾了采用锁定钢板内固定的111处骨折，在20例（18%）骨不连及延迟愈合的病人中有11 例（9.9%）出现内固定失败，建议在骨折的两侧至少使用3 枚双皮质螺钉。Jang 等［31］通过分析28 例股骨转子下骨折后，提出固定骨干处至少4枚锁定螺钉，其中仅1例出现植入物断裂导致骨折不愈合（3.6%）。Bhardwaj 等［32］推荐骨折端两侧用螺钉最少固定6个骨皮质，36例中仅1例病人（2.8%）于术后3 个月出现钢板断裂。有研究发现螺钉密度与骨折愈合情况无关［4，33］。Rodriguez等［33］在对271例股骨远端骨折的病人随访过程中，仅36 例出现了骨不连（13.3%），相关因素如近端螺钉数量、钢板长度、总螺钉密度和近端螺钉密度等对骨折愈合情况没有明显影响。Harvin等［4］通过对96 例股骨远端骨折病人的治疗结果分析，34 例不愈合的病例（35.4%）中骨折近端螺钉数量和近端螺钉密度等因素对骨折愈合没有明显的相关性，但在骨干处全部应用锁定螺钉（21例不愈合）导致骨不连的可能性为其它类型螺钉固定下的2.9倍。

在对于螺钉密度进一步研究中，Kim等［34］对73例股骨远端骨折（AO/OTA 33 型）的治疗中，21 例（28.8%）出现延迟愈合或需要二次手术，他们发现仅有螺钉密度是与骨折不愈合相关的独立可预测因素，通过比较骨折愈合组和骨折不愈合组后，发现不愈合组的总螺钉数量较多（11.0±1.4 vs. 10.3±1.3，P=0.037），骨折部位螺钉密度也较大（0.33±0.37 vs.0.09±0.24，P=0.007）。Gautier 等［35］认为应当使用较少的螺钉来固定，推荐简单骨折中螺钉密度在0.3～0.4之间，粉碎性骨折中螺钉置入率在0.4～0.5之间。Kubiak等［36］及Hoffmann等［30］也建议粉碎性骨折中最佳螺钉密度为0.4～0.5，在骨折间隙两侧用3枚或4枚螺钉进行桥接固定。Strauss等［23］则认为小于0.5的螺钉-孔比限制了在最近端和远端螺钉的弯曲扭矩，对于粉碎性骨折至少使用2 枚螺钉固定4 个点的骨皮质，而对于简单骨折应当具有3个皮质支撑。Hak等［12］认为减少螺钉的数量可能会降低锁定钢板的刚度并增加骨折块间的运动，但仅限于远皮质，建议螺钉密度为0.5。因此，在锁定钢板治疗中将螺钉密度控制在0.3～0.5之间能够有效控制钢板及螺钉活动范围及骨折块间活动，增加骨折愈合概率。

（二）螺钉类型

在锁定钢板结构中使用的螺钉类型会影响整体结构刚度，目前仍依赖于术者结合骨折固定要求及经验综合判断［3，16］。早先Egol等［29］分析了以往的实验模型，发现单皮质螺钉较传统钢板螺钉结构更有优势，并总结了单皮质螺钉的以下优点：易于经皮测量螺钉长度，易于插入并降低机械复杂性，螺钉的轴向控制由钢板-螺钉界面提供，减少对骨内血液供应的损害，也不需要产生高的轴向力来将钢板压缩到骨骼。但从力学角度分析，Kubiak等［36］认为单皮质螺钉抵抗扭转载荷的能力受到严重限制，双皮质固定在螺钉工作长度方面的优势远远超过健康皮质骨所赋予的优势。在预期高扭转载荷的情况下，建议使用双皮质螺钉。而Fitzpatrick 等［37］通过不同组合螺钉模拟骨干部骨折桥接钢板力学实验发现在轴向载荷下，全双皮质螺钉固定和单双皮质螺钉混合固定可以显著提高轴向载荷下的固定强度，同时提供相当的结构刚度。在扭转载荷下，单皮质结构相对于非锁定和双皮质锁定结构表现较差。当预期扭转载荷较大时，他们建议在任何用于骨质疏松性骨骨折固定的全单皮质锁定螺钉构造中添加1枚双皮质锁定螺钉。而Dougherty等［38］通过比较16个尸体胫骨骨折模型（AO 分型为41⁃C2）采用4 个骨折近端处部分双皮质或单皮质锁定及3 个骨折远端螺钉的不同加压方式后的表现，建议粉碎性骨折中使用双皮质螺钉提供3个固定点（固定2 个点的骨皮质及钢板与骨皮质连接处）防止钢板断裂。Beltran 等［39］也推荐骨干部骨折两端使用不超过4枚锁定螺钉双皮质固定。Gwinner等［40］在锁定钢板中使用4 枚单皮质螺钉或3 枚双皮质螺钉进行骨折近端的固定，发现双皮质螺钉锚着性具有显着优势，单皮质固定的稳定性降低约36%。在单皮质固定组中，最早出现问题的是最近端的两枚螺钉。在高度稳定性和负荷能力非常重要的情况下，均应考虑放置双皮质螺钉。Vaughn等［41］对36具犬肱骨进行QCT分析，发现了双皮质螺钉比单皮质螺钉更能抵抗螺钉轴向的拔出力，如果需要最大的稳定性，应该使用双皮质螺钉固定，尤其是干骺端尽量放置双皮质螺钉。综合以上简化模型分析及相关生物力学实验，在骨折部位两侧应用单双皮质螺钉混合固定的方法能够保证骨折稳定性及一定的弹性，提供一个较好的生物学环境，但仍需要一定规模临床试验的验证。

五、展望

锁定钢板在目前临床上的应用越来越广，但其相关并发症在各类报道中仍时常出现。现有的生物力学实验中所给予的力学载荷条件仍较为单一，需要控制的变量也较多，并且与人体内的复合载荷下的情况不完全相同。锁定钢板作为一种内固定方式，提供了相对足够的稳定性，有利于骨折的愈合。目前的研究着重在于其稳定性的保障，同时相关实验中不断提到了弹性固定，应当注意到弹性固定结构可为骨折愈合和避免固定失败提供必要的刺激，但其弹性固定的边界条件仍未阐述清楚，特别是在不同类型骨折中理想的愈合情况下整体结构的刚度大小和应变的精确控制。对于简单骨折而言，工作长度可以非常小，但结构刚度的增大使得骨折间隙应变减小，有利于骨折的愈合。相反，如果工作长度较大，结构刚度减小，骨折间隙应变可能增大（这还与骨折端是否能够接触有关），骨折愈合可能发生问题。而对于粉碎性骨折，尽管螺钉可以靠近骨折线，但其应变较大，骨折会以二期愈合的方式进行。而将螺钉放在远离骨折线位置时，工作长度更大，应变会非常大，骨折容易出现不愈合。目前所谓的通过增加钢板工作长度以避免应力集中从而避免钢板断裂是一种反向理论推导，需要进一步结合骨折的愈合情况。在简单骨折中，当骨折在钢板的疲劳寿命期内无法愈合，钢板必然断裂。也就是说，尽管工作长度较小，但钢板应力很高，如果骨折能顺利愈合的话，钢板也不会断裂。所以适合骨折类型所需的应变环境是最重要的，但不能因为担心钢板断裂，而随意增加工作长度，这虽然能减少钢板断裂的概率，但增加了骨不连的风险。

综上所述，通过对于锁定钢板工作长度的分析，根据骨折部位愈合类型及骨折间隙大小可以选择相对应工作长度以促进骨折愈合情况。同时，保持螺钉密度在0.3～0.5 之间能够最大限度促进骨折愈合。应用双皮质螺钉能够提升整体结构稳定性，而单双皮质螺钉混合固定可以提高包含骨质疏松在内的骨折治疗效果。