影响MIPO技术治疗骨干骨折生物力学因素的研究进展

丁 宁 王涓涓 刘加宝 张 起 张 超 李 喆 古恩鹏

天津市滨海新区中医医院 300451

近年来骨折微创手术技术越来越广泛应用于临床，其中微创经皮钢板内固定技术(Minimally invasive percutaneous plate internal fixation operation，MIPO)治疗骨干骨折深受骨折患者和医生欢迎，由于对患者损伤小、恢复快，应用Liss钢板微创手术治疗股骨干、胫骨干等长骨干骨折已经成为大多数创伤骨科医生的首选，此技术符合BO生物力学理念，更好地保护了骨折断端血运，减少了骨折延迟愈合和不愈合的发生率。虽然MIPO技术有诸多优点，但仍有很多失败的教训，MIPO技术较常规钢板固定技术治疗骨干骨折的生物力学特点也不尽相同，并且直接影响手术疗效，下面笔者就对影响MIPO技术治疗骨干骨折的生物力学因素的研究进行综述。

1 骨折愈合的生物力学理论

1.1 从AO到BO AO理论的基础是直接骨愈合方式即哈佛斯管的重建，它要求骨折解剖复位，坚强固定，以达到早期功能锻炼的目的。但是随着理论和实践的不断发展，骨科医生的理念发生了很大变化，逐渐由坚强力学固定向生物力学固定转变，强调骨折周围软组织保护，减少骨折周围血运的破坏，对解剖对位和坚强固定的要求减弱，其理论基础为间接骨折愈合理论即骨痂愈合理论。此理论认为即使骨折未达到百分百解剖对位，只要骨折周围血液循环良好，就会在骨折周围形成骨痂，骨痂逐步改造形成骨连接最终达到骨折愈合，这是BO核心理论。

1.2 应变理论 早期的研究发现骨折区域的应变对骨折愈合产生重要影响，骨折应变是指骨折在愈合过程中受到外力发生变形的程度。Perren[1]通过生物力学试验发现，当骨折应变<2%时骨折通过直接方式愈合，当骨折区应变在2%～10%之间时，可以促进间接骨折愈合，而当应变>10%时，则骨折部位发生不愈合，而对于粉碎骨折，愈合过程中发生的应变被多个骨折区分担，其骨折愈合所能够承担的最大应变值也较简单骨折有所提高。

1.3 弹性模量与应力遮挡 弹性模量是指材料所受应力与产生应变的比值，它表示材料发生变形的难易程度，其值越大，材料的硬度越大；其值越小，材料的弹性越大。应力遮挡是指两种材料结合在一起时，同时受到外力，弹性模量越大的材料分担的应力也越大，当一种材料的弹性模量远远大于另一种材料时，另一种材料可以不分担或者分担很小应力，既应力被弹性模量大的材料遮挡，两种材料弹性模量值越接近，它们分担的应力就越平均。对于骨折愈合来说，钢板材料的弹性模量过大，骨折端受到的应力就会被遮挡，而一定的应力在骨折愈合的中后期具有促进骨痂生长和骨重建塑形的作用，缺乏应力会导致骨质疏松，延缓骨折愈合，降低骨折愈合后的强度，不利于骨折的恢复。有的学者认为[2-3]，这种应力遮挡效应只有取出钢板才能消失，如果不取出钢板应力遮挡就会一直存在，不受应力的骨质必然疏松。因此人们希望研究出一种与骨弹性模量相当，并且具有足够的固定强度和良好生物相容性的钢板材料[4-5]。

1.4 钢板固定对皮质骨血运的影响 钢板对骨折血运影响的研究主要集中在钢板与骨的接触方式上，传统钢板与骨紧密接触，并通过螺钉加压固定，进一步压缩钢板与骨之间的距离，这种紧密接触可以为固定系统提供可靠的稳定性，但却损害了骨皮质下的血运。Gunst等[6]在动物实验中发现，钢板固定家兔胫骨后10min就会出现钢板下皮质骨缺血，随着时间延长缺血范围会不断扩大，3～4周后缺血范围逐渐缩小，8～12周血供恢复。Perren等[7]通过活体动物染色发现，钢板应力遮挡下的皮质骨血供明显减少，可导致骨萎缩和骨坏死。

随着对骨折周围血供重要性的认识不断提高，钢板与骨的接触形式得到改进，改进后的钢板可以实现与骨面不接触固定，并与微创的手术技术结合就可以极大较少钢板固定对皮质骨血运的影响。

2 传统钢板固定与MIPO技术的生物力学差异

传统钢板是依靠钢板与骨之间的摩擦力起作用，骨块之间通过加压结合在一起，骨与钢板的摩擦力等于每一个螺钉扭力的串联，骨折断端没有间隙，钢板位置适当，钢板固定有效，但存在较高的风险，比如一个螺钉失效会影响整个内固定的稳定性，尤其在粉碎骨折中，不能达到解剖复位，骨折块无法相互加压达到稳定，从而使螺钉易于松动或断裂，导致固定失效。在严重骨折中，为实现解剖复位往往需要广泛剥离软组织，从而加重骨折周围的血运破坏，影响骨折愈合。

MIPO技术在生物力学方面有明显优势，其应用Liss钢板不依赖摩擦力，而是一种角稳定装置，是钉板与骨一体化，钢板固定强度等于所有螺钉扭力的并联，故单个螺钉松动或断裂不影响整个固定系统，从而获得更好的生物力学优势。应变理论证明:骨折达到完全愈合，非必须解剖复位，2%～10%的骨折应可以促进骨折愈合。Mckinbbin等[8]提出长骨骨折愈合的理想固定是非完全坚强固定。

应用精细的微创外科技术能够减少血运破坏，促进骨痂形成，减少骨萎缩、骨质疏松的发生，最大限度地减少干扰因素对应力遮挡效应的影响。文献证明运用MIPO技术处理骨干骨折，骨不连和其他严重并发症的总体发生率较低。

3 影响钢板固定骨干骨折的力学因素

3.1 钢板的工作长度 钢板的工作长度是指离骨折区最近两个螺钉的距离。静压力试验证实：增加钢板的工作长度可以使骨折区应变增大。Stoffel等[9]通过有限元发现，钢板的工作长度越短，内固定系统的强度越大，稳定性越强；钢板的工作长度越长，钢板螺钉受到的应力越小，其抗疲劳性越大。

3.2 钢板的长度 钢板长度是指在手术中选择钢板的总长度。钢板较短会导致固定强度下降；钢板过长会增加手术切口范围影响美观。选择合适长度的钢板在手术中至关重要，术者要根据不同类型的骨折选择不同长度的钢板。对于简单骨折来说，钢板长度应比骨折区长度长8～10倍，而对于粉碎骨折，2～3倍即可。足够长度的钢板会减少钢板和螺钉所受的应力，防止它们发生较大的应变，从而避免钢板、螺钉发生断裂的可能性。骨折粉碎程度也影响着钢板长度的选择，对于严重粉碎骨折来说，无论骨折区长短，选择长钢板跨越式桥接固定能取得更好的力学效果。Johnston等[10]在实验研究中证明长钢板的生物力学性能优于短钢板。Dennis等[11]用尸体长骨做实验发现，用长钢板固定的长骨比短钢板固定的长骨能够承受更大的变形应力。Sanders等[12]在比较长钢板和短钢板的生物力学性能实验中发现。长钢板在四点弯折实验和轴向扭转实验的生物力学性能均优于短钢板。

对于严重粉碎骨折来说，无论骨折区域范围大小，应用长钢板都具有更好的生物力学性能，虽然软组织剥离增多，但是距离骨折较远的区域剥离软组织并不会加重骨折区的缺血，如果应用MIPO技术这些影响可以忽略[13]。

3.3 螺钉的数量 螺钉数量是内固定系统稳定性的一个重要因素。螺钉数量过多会导致骨折区应力集中，当受到疲劳应力时，可发生钢板断裂；螺钉密度太小，会降低固定系统强度，引起固定失效。在使用MIPO技术固定骨折时，推荐的螺钉系数为钉孔的40%～50%，这就要求钢板稍长一些，以达到力学平衡；骨折处要空出2～3孔，这样可以减少骨折处的应力集中，避免骨折处变形或者钢板断裂。Laurence等[14]认为每块钢板上四枚螺钉就已经足够完成固定强度需要，但是如果出现其中的一枚螺钉失效，那么提前增加固定螺钉是必要的。Field等[15]在长骨钢板固定结构的压缩、扭转和折弯试验中发现：以12孔钢板固定骨折为例，发生相同应变所需的应力，6枚螺钉固定结构与8枚螺钉固定结构无统计学差异。Stoffel等[9，16]研究发现在骨折两端各用3枚螺钉固定不比用2螺钉固定能够承受更多的轴向压力，骨折两端用4螺钉固定不比用3枚螺钉固定能承受更大扭转应力。

3.4 螺钉的位置 AO组织提出长骨骨干骨折用长钢板固定，除骨折粉碎无法打钉处的钉孔不上螺钉外，其他钉孔均需应用螺钉固定，但对于MIPO技术间接复位后使用的桥接钢板，骨折两端应用2～3枚钉就可以满足力学固定[13]。Stoffel等[16]用14孔钢板固定长骨，中间两孔为骨折区，离骨折区最近的两端为1号螺孔和螺钉，最远的两端为6号。在张力带模式的垂直压缩实验中发现，结构(1+5+6)的屈服强度明显强于结构(1+2+6)，结构(1+2+6)、(1+3+6)、(1+4+6)、(1+5+6)的轴向刚度依次递减，但扭转刚度无差别。说明螺钉位置分布可以影响内固定系统的强度。许多实验[12,17-19]证明固定钢板的螺钉数量、螺钉排列的位置均会对内固定系统的生物力学性能造成影响。Stoffel等[9]在扭转实验和四点折弯实验均表明结构(1+3+5)的稳定性高于结构(1+2+5)，结构(1+2+5)高于(1+4+5)。

3.5 钢板放置的位置

3.5.1 钢板与骨的距离：MIPO技术固定骨折时，钢板与骨膜有一定距离，从而避免了骨折周围血运破坏，良好的血运刺激骨痂生长，使骨折二期愈合。为了解决传统钢板技术对骨折区血运的影响，现代钢板的设计凹凸不平或带有一定弧度，与骨面不完全接触[20]。从生物学角度出发，钢板与骨膜接触越少，骨折区血运破坏就越少[21]。Ahmad等[22]通过生物力学试验发现，骨与钢板的距离>5mm时，固定系统的扭转强度和轴向压缩强度均明显降低，而距离<2mm时固定强度无明显改变，由此在应用MIPO技术固定骨折时钢板与骨的距离不应该>2mm。

3.5.2 钢板与骨夹角：正常情况下，钢板放置应与长骨力线或长骨纵轴一致，但是在使用MIPO技术操作时，由于软组织剥离不充分或者骨折复位不彻底，会导致钢板与长骨干纵轴存在一定角度，这也就是导致螺钉的偏心固定，降低钢板螺钉装置的固定强度。相关研究发现斜置钢板角度>10°时，会增加骨折应变，影响骨折愈合。

4 小结与展望

在长骨骨干骨折中，代表BO的MIPO技术在生物力学方面的特点与代表AO的传统钢板固定技术有相同点也有不同点，传统AO手术强调骨折局部骨块解剖对位，坚强固定，而MIPO技术更注重对血运的保护，肢体整体力线的调整以及弹性固定从而更符合骨折愈合的生物力学特性。展望未来，中医治疗长骨干骨折有一套完整的复位固定方法，并且不断发展，其特点是闭合复位、不切开，皮外功能固定，以非手术或闭合穿针固定为代表的CO在生物力学的优越性将更显突出。