球囊扩张可注射硫酸钙骨水泥填充治疗胫骨平台塌陷骨折的稳定性

doi:10.12307/2022.068

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (3): 414-418.doi: 10.12307/2022.068

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球囊扩张可注射硫酸钙骨水泥填充治疗胫骨平台塌陷骨折的稳定性

陈金民1，陈穗生1，丁晶2，夏暴权1，罗晓嘉1，卢成海1

1广州市白云区第一人民医院(白云区妇幼保健院)骨科，广东省广州市 510410；2解放军昆明总医院骨科，云南省昆明市 650032

收稿日期:2020-12-29 修回日期:2020-12-31 接受日期:2021-03-04 出版日期:2022-01-28 发布日期:2021-10-28
通讯作者: 陈穗生，主任医师，广州市白云区第一人民医院(白云区妇幼保健院)骨科，广东省广州市 510410
作者简介:陈金民，男，1983年生，山东省沂水县人，汉族，2010年昆明医科大学毕业，硕士，副主任医师，主要从事关节方面的研究。
基金资助:
广东省医学科学技术研究基金项目(A2018100)，项目名称：球囊扩张复位可注射硫酸钙填充治疗胫骨平台塌陷骨折的可行性及力学研究，项目负责人：陈穗生

Stability of balloon dilation with injectable calcium sulfate cement for tibial plateau fractures

Chen Jinmin1, Chen Suisheng1, Ding Jing2, Xia Baoquan1, Luo Xiaojia1, Lu Chenghai1

1Department of Orthopedics, Guangzhou Baiyun First People’s Hospital (Baiyun District Maternal and Child Health Hospital), Guangzhou 510410, Guangdong Province, China; 2Department of Orthopedics, Kunming General Hospital of PLA, Kunming 650032, Yunnan Province, China

Received:2020-12-29 Revised:2020-12-31 Accepted:2021-03-04 Online:2022-01-28 Published:2021-10-28
Contact: Chen Suisheng, Chief physician, Department of Orthopedics, Guangzhou Baiyun First People’s Hospital (Baiyun District Maternal and Child Health Hospital), Guangzhou 510410, Guangdong Province, China
About author:Chen Jinmin, Master, Associate chief physician, Department of Orthopedics, Guangzhou Baiyun First People’s Hospital (Baiyun District Maternal and Child Health Hospital), Guangzhou 510410, Guangdong Province, China
Supported by:
Medical Science and Technology Research Fund Project of Guangdong Province, No. A2018100 (to CSS)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

胫骨平台塌陷骨折：高处坠落伤时力的传导由足沿胫骨向上，躯干重力向下传导，共同作用于膝部，合并侧方扭转负荷，会导致胫骨内侧或外侧平台塌陷骨折。塌陷超过一定范围(2.0-3.0 mm)会导致关节面出现严重不匹配，在日常活动中会加速软骨磨损，产生创伤性关节炎，严重影响患者生活。
微创内固定：胫骨平台塌陷骨折是基于微创外科的原则采取的复位固定方式，传统方法为关节镜监视下开窗撬拨复位自体骨移植松质骨拉力螺钉内固定。此次研究中提到的球囊扩张复位硫酸钙骨水泥填充联合松质骨拉力螺钉内固定是治疗胫骨平台塌陷骨折一种较为新颖的微创内固定方式。

背景：胫骨平台骨折塌陷骨折复位后会出现一个干骺端空隙，有效填充该空隙并保持良好的支撑性能是急需解决的问题。
目的：对比不同微创方式治疗Schatzker Ⅲ 型胫骨平台骨折的稳定性。
方法：收集32个冰冻胫骨上段标本，随机分为4组，对照组保持完好，其余3组统一制作新鲜胫骨平台Schatzker Ⅲ 型骨折的尸体模型。标准组采用传统开窗撬拨复位自体骨移植松质骨拉力螺钉内固定，单纯骨水泥组采用球囊扩张复位硫酸钙骨水泥填充治疗，骨水泥螺钉组采用球囊扩张复位硫酸钙骨水泥填充联合松质骨拉力螺钉内固定。比较固定骨折块350 N载荷下的位移与刚度，3 mm位移时的载荷与刚度，以及最大载荷下的位移；观察骨折、骨水泥以及螺钉的位置情况。
结果与结论：①350 N载荷下，各组间位移比较：对照组<骨水泥螺钉组<单纯骨水泥组<标准组，差异有显著性意义(P < 0.05)；各组间刚度比较：对照组>骨水泥螺钉组>单纯骨水泥组>标准组，差异有显著性意义(P < 0.05)；②位移3 mm时，各组间载荷比较：骨水泥螺钉组>对照组>单纯骨水泥组>标准组，差异有显著性意义(P < 0.05)；各组间刚度比较：骨水泥螺钉组>对照组>单纯骨水泥组>标准组，差异有显著性意义(P < 0.05)；③提示硫酸钙骨水泥注射治疗胫骨平台塌陷骨折具有良好的填充能力，联合螺钉固定能够提供比传统复位内固定更好的支撑力及更高的稳定性，说明球囊扩张复位可注射硫酸钙骨水泥填充治疗胫骨平台塌陷骨折具有良好的临床应用价值。

https://orcid.org/0000-0002-5779-6842 (陈金民)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 胫骨平台骨折, 塌陷, 自体骨移植, 拉力螺钉, 球囊扩张, 硫酸钙, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: A metaphyseal cavity will be left after reduction of the tibial plateau collapse fractures. It is an urgent problem to stuff the cavity effectively and maintain satisfied support.
OBJECTIVE: To compare the stability of different minimally invasive treatment of Schatzker type III tibial plateau fracture.
METHODS: Totally 32 proximal tibia specimens were harvested and were randomly divided into four groups. Specimens were left intact as control group. The remaining three groups uniformly made fresh cadaver models of Schatzker type III tibial plateau fractures. Standard group received conventional treatment of percutaneous reduction by leverage and fixed with two cancellous screws. Bone cement group was reduced with percutaneous balloon distension and strengthened by injectable calcium sulfate cement. Bone cement screw group was reduced with percutaneous balloon distension and strengthened with injectable calcium sulfate cement and two cancellous screws. Stiffness and displacement with 350 N loading, stiffness and loading with 3 mm displacement, and displacement with maximum loading were compared. The position of fractures, bone cement and screws were observed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under 350 N, the displacement comparison among the groups: control group < bone cement screw group < bone cement group < standard group, the difference was significant (P < 0.05). Comparison of stiffness among groups: control group > bone cement screw group > bone cement group > standard group, the difference was significant (P < 0.05). (2) With 3 mm displacement, load comparison among groups: bone cement screw group > control group > bone cement group > standard group, the difference was significant (P < 0.05). Comparison of stiffness among groups: bone cement screw group > control group > bone cement group > standard group, the difference was significant (P < 0.05). (3) It is concluded that calcium sulfate cement could provide good filling capacity in tibial plateau fractures. Combined with cancellous screws, its support and stability could be improved. There is clinical value for percutaneous balloon distension with calcium sulfate cement in minimally invasive treatment of depressed tibial plateau fracture.

Key words: tibial plateau fracture, collapse, autogenous bone transplantation, lag screw, balloon dilatation, calcium sulfate, biomechanics

中图分类号:

陈金民, 陈穗生, 丁晶, 夏暴权, 罗晓嘉, 卢成海. 球囊扩张可注射硫酸钙骨水泥填充治疗胫骨平台塌陷骨折的稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(3): 414-418.

Chen Jinmin, Chen Suisheng, Ding Jing, Xia Baoquan, Luo Xiaojia, Lu Chenghai. Stability of balloon dilation with injectable calcium sulfate cement for tibial plateau fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(3): 414-418.

图/表（结果） 8

2.1 一般情况 32例标本通过自凝牙托粉与牙托水混合反应后的产物牢固的固定于自制钢托中，生物力学测试前后无松动。
4组标本的压力-位移曲线见图5。

标准组与骨水泥螺钉组在力学测试中，随着压头的移动，拉力螺钉近端出现向远端移位，见图6，相应的皮质骨骨折，螺钉远端无明显位移。

标准组可见部分松质骨由开窗部位溢出。单纯骨水泥组与骨水泥螺钉组力学实验后可见硫酸钙破坏，残留于骨折面，见图7；影像学检查可见螺钉移位，CSC破坏，见图8。

2.2 标本骨密度 4组标本的胫骨外侧平台干骺端骨密度相比，差异无显著性意义(P > 0.05)，见表1。

2.3 在350 N载荷下的位移 350 N载荷下，各组间位移比较：对照组<骨水泥螺钉组<单纯骨水泥组<标准组，差异有显著性意义(P < 0.05)；各组间刚度比较：对照组>骨水泥螺钉组>单纯骨水泥组>标准组，差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2。

2.4 在3 mm位移下的载荷位移3 mm时，各组间载荷比较：骨水泥螺钉组>对照组>单纯骨水泥组>标准组，差异有显著性意义(P < 0.05)；各组间刚度比较：对照组>骨水泥螺钉组>单纯骨水泥组>标准组，差异有显著性意义(P < 0.05)，见表3。

2.5 最大载荷 12 mm位移内，各组间最大载荷比较：骨水泥螺钉组>对照组>标准组>单纯骨水泥组，差异有显著性意义(P < 0.05)；各组间位移比较：骨水泥螺钉组>标准组>单纯骨水泥组>对照组，其中对照组与单纯骨水泥组比较差异无显著性意义(P=0.301)；标准组与骨水泥螺钉组比较差异无显著性意义(P=0.374)；其余各组间比较差异有显著性意义(P < 0.05)，见表4。

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引言

胫骨平台骨折存在不同程度的关节面塌陷与骨折块移位，若不能解剖复位，单位面积上所承受的压力不均，磨损软骨，再生修复代偿不完善时，即产生创伤性骨关节炎[1]，其治疗目标和其他关节内骨折的治疗一样，达到稳定、无痛、运动和功能恢复，而微创复位和固定已成为主要发展趋势[2]。
胫骨平台压缩性骨折需要将压缩骨折块复位，通常采用关节镜技术辅助下在骨折下方干骺端开窗复位，缺损采用植骨填充[3]。由于胫骨平台负重的力学特殊性，植骨材料要求有一定的抗压力学强度，骨移植的支撑强度对于防止随后的关节凹陷至关重要[4]，自体松质骨移植仍然是金标准，但它确实有一些局限性，包括供区发病率和填充不足[5]。目前有很多骨移植替代材料，它们的生物相容性、机械强度较好，但各有其缺点，限制了在临床的应用。硫酸钙是一种较早的骨移植材料，其降解吸收率接近于新骨形成率[6]，吸收的同时，有大量骨小梁和骨髓形成，并相互连接成类似正常骨组织的结构，剩余硫酸钙继续发挥骨传导支架作用[7]，残留或渗出关节间隙及软组织中的硫酸钙将在大概15 d内被吸
收[8]。可注射式硫酸钙骨水泥(calcium sulfate cement，CSC)即刻自固性好，早期支撑作用强，并且可塑形、可注射用于微创，较其他植骨材料更有优势[9]。
球囊扩张技术也是一种微创技术，已应用于临床的多个领域，它是由血管成形术中气囊导管技术发展起来的一种创新性技术，在椎体后凸成形术中与骨水泥配合能够微创操作下改善运动功能，减少随后的再发骨折、高度减少、脊柱后凸的进展和慢性背痛的发生[10]。
此次研究以胫骨平台塌陷骨折的微创治疗为基础，将关节镜技术、球囊扩张技术、可注射CSC等微创手段应用于胫骨平台的塌陷骨折的复位固定。作者业已使用新鲜人体标本建立Schatzker Ⅲ胫骨平台骨折模型，并分组将微创手段应用于骨折模型的复位固定，论证了球囊扩张复位可注射CSC填充治疗胫骨平台塌陷骨折的可能性[11]。此文以业已完成的模型为基础，就不同微创内固定方法的生物力学进行测试，评估球囊扩张复位可注射CSC填充并结合经皮螺钉固定在胫骨平台塌陷骨折人体标本模型上应用的效果以及强度。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计标本随机分组造模，单因素方差分析。
1.2 时间及地点于2015年8月至2020年10月在广州市白云区第一人民医院(白云区妇幼保健院)完成。
1.3 材料
1.3.1 实验材料 32个冰冻胫骨上段标本，均为创伤手术截肢后的弃用组织，由解放军昆明总医院全军骨科中心提供，实验方案得到广州市白云区第一人民医院(白云区妇幼保健院)的伦理批准。
自凝牙托粉(甲基丙烯酸甲脂共聚粉，过氧化苯甲酰，上海医疗器械股份有限公司)；自凝牙托水(甲基丙烯酸甲脂，上海二医张江生物材料有限公司)；扩张球囊及工具包(上海凯利泰医疗科技有限公司，20/15 mm)；CSC及器械包(美国Wright医疗器械公司，M IIG系列)；半螺纹松质骨螺钉(美国Stryker，6.5 mm)。
1.3.2 实验器械电子万能试验机(长春，CSS-44110，100 KN)，
力学试验机压头(自制，15.0 mm)，标本固定钢托(自制)，数码相机(日本 Nikon ，1 500万像素)，数字X射线机(美国 GE，Definium 8000)，双能X射线骨密度仪(法国MEDILINK，OSTEOCORE-3)，低温冰箱(沈阳市医疗设备厂， DW-200型，-25 ℃)，游标卡尺(上海 Tricle，0.02 mm)。
1.4 方法 32个胫骨上段标本按简单随机法分为4组(n=8)。

对照组：8个冰冻胫骨上段标本，保留完好，见图1。其余3组建立胫骨平台塌陷Schatzker Ⅲ 型骨折模型[9]：使用4 mm宽骨刀对标本外侧胫骨平台中央塌陷部分直径约15 mm范围行间断截骨，用直径15 mm的不锈钢圆柱压头置于骨折塌陷处冲击，塌陷7-9 mm。

标准组：开窗撬拨复位自体松质骨移植拉力螺钉内固
定，在塌陷平台下方3 cm左右，经骨窗对塌陷骨折块进行打压，边打压边植入松质骨颗粒，将压缩的关节面抬高到适当高度，将松质骨螺钉置入塌陷骨折块下方。
单纯骨水泥组：球囊扩张复位CSC填充，在胫骨平台下1.5 cm左右与骨折塌陷部位的前后正中线交接处置入导针，C臂透视使导针位于压缩骨折位置中央，建立隧道，扩张套管外鞘沿导针旋入骨折前部平台；扩张复位，复位满意后回抽对比剂，取出球囊，球囊外鞘注入CSC。
骨水泥螺钉组：松质骨拉力螺钉内固定联合球囊扩张复位CSC填充，将CSC通过球囊外鞘注入胫骨平台，将松质骨螺钉通过硫酸钙置入塌陷骨折块下方，固定胫骨近端。
1.5 主要观察指标
1.5.1 影像学检查所有标本行正侧位X射线片检查以及双能X射线骨密度仪扫描，见图2，3。以胫骨平台两侧髁间棘中点为界，分干骺端为内外侧，选定外侧平台干骺端感兴趣区，自动测算感兴趣区骨密度。

1.5.2 力学测试自制力学试验机压头接于电子万能试验机，钢托固定后的模型置于试验机加载盘中，压头垂直放置于模型骨折部位的中央或正常标本相对模型的骨折部位中央，见图4。以100 N载荷预压缩后，电子万能试验机调整位移速度为0.5 mm/min，位移12 mm，对标本进行力学测试。记录压力、位移数据，绘制压力-位移曲线，曲线中间的线型部分用来反映骨折部位的刚度。频率为15 Hz，记录350 N载荷下的位移，并计算其刚度；记录位移3 mm时的载荷并计算其刚度；记录12 mm位移内的最大载荷以及最大载荷对应的位移。

1.6 统计学分析数据采用SPSS 19.0 统计软件包进行统计学处理与分析。对数据进行正态性检验和方差齐性检验，在多组数据比较中，若符合正态分布且方差齐，采用单因素方差分析；在单因素方差分析中若组间有差异，则进一步行多个样本均数的两两比较，采用LSD-t检验；若方差不齐，采用Dunnett-t检验；若不符合正态分布，采用非参数秩和检验。计量资料采用x±s表示，所有检验中，P < 0.05 认为差异有显著性意义。

讨论

随着现代骨科的发展，骨折的治疗概念不断更新。解剖复位、坚强内固定为主的治疗方式逐步发展和延续为生物学固定概念，微创技术即是生物学固定概念的核心部分[12]。胫骨平台常见的塌陷骨折多为Schatzker Ⅱ型与Schatzker Ⅲ型胫骨平台骨折，属于关节内骨折，其治疗方式仍需达到关节面解剖复位及关节内骨折块的坚强固定，通过植骨或支撑获得干骺端重建[13-14]。
目前已有一些研究显示关节镜辅助下球囊成形术对胫骨平台骨折患者的早期功能恢复效果良好[15]。作者使用新鲜人体标本将球囊扩张技术应用于胫骨平台塌陷骨折的复位，评估球囊扩张复位胫骨平台塌陷骨折的可能性及其优劣，同时联合可注射式CSC填充固定复位骨折块，对不同微创内固定方法的生物力学进行测试。
BERIS等[16]发现20 kg/cm2已是正常步态下膝关节的最大负荷，此次课题应用15 mm直径压头作用于骨折内固定术后的胫骨平台，以20 kg/cm2负荷标准计算采用350 N载荷下的骨折位移。BROWN等[17]在劈裂骨折的实验模型中发现，当关节面出现1.5 mm台阶时，关节内接触部位压力明显改变，当台阶大于3 mm以上时，压力明显增高。BENNETT等[18]
认为当关节面塌陷或移位超过5 mm或轴向对线不良超过5°就有手术指征；有动物实验也表明当关节面错位超过关节软骨的厚度(2-5 mm)就会发生继发骨关节炎[19-20]。HOKONEN[21]通过对131 例胫骨平台骨折平均7.6年随访总结出胫骨平台骨折的手术指征，关节面塌陷> 3 mm为其手术指征之一。随着现代外科技术的发展以及人们对生活质量要求的提高，对骨折复位的要求也越来越高，因此作者选取3 mm
作为固定失败的临界值。
此次研究，观察对照组8例新鲜上段胫骨标本外侧平台中央的受力特点，其刚度明显高于其余骨折复位固定术后的标本。各实验组在350 N载荷作用下，位移均低于1.5 mm，但标准组位移明显高于单纯骨水泥组和骨水泥螺钉组，表明对于术后的承重，骨水泥填充以及骨水泥联合螺钉固定的效果优于传统自体松质骨植骨螺钉内固定；350 N作用下固定的刚度骨水泥联合螺钉最高，单纯骨水泥组亦高于标准组；而压力下骨折移位越小，在临床病例中越能加速骨折愈合[22]。
对照组新鲜胫骨上段标本最大载荷在2.6 mm位移左右，其后其抗压缩能力明显下降，说明胫骨平台其支撑力主要来自软骨下骨，达到一定位移后软骨下骨骨折，主要由松质骨承重，抗压缩能力下降。单纯骨水泥组最大载荷出现在
3.1 mm位移左右，与对照组相比差异无显著性意义，但从压力-位移曲线上分析，在最大载荷后对照组抗压缩能力下降快于单纯骨水泥组，表明固化后的CSC或CSC与松质骨结合的抗压缩能力高于自体松质骨植骨。既往研究中认为，固化后的CSC强度与松质骨相当，并具有一定成骨能力。通过撬拨复位后，骨折块下形成不规则的缺损区，松质骨颗粒填充很难填充到每个角落，造成骨折块下填充不均匀，再次塌陷的概率增大，这也是异体骨移植以及其他类型预先成型的骨替代材料具有的不足。可注射骨水泥可以弥补自体或异体骨移植等预成型材料这方面的不足，不仅能在干骺端均匀弥散填充腔隙，而且能更加均匀地支撑骨折块，有利于抗压和骨折的愈合[23-24]。
CSC的可注射性使其更适用于包壳完整的骨缺损。在球囊扩张复位的两组中，骨水泥通过3 mm孔道注入复位后的软骨下空腔，且孔道平行于胫骨平台，不受其剪切力影响[23]。开窗撬拨复位螺钉内固定组采用开窗复位植骨，植骨成斜行方向，轴向压力在开窗部位对松质骨形成剪切力，导致松质骨由薄弱的开窗部位溢出，引起抗压能力进一步下降[25]；而在以往力学研究中，其中一种失败就是松质骨或骨水泥材料由侧方所开窗口中溢出。VENDEUVRE等[26]比较了微创球囊技术与植骨术的生物力学特点，认为前者对骨储备负面影响较少，使得骨折后的结构强度更好，临床报道也显示其具有优势。此次实验结果中，在350 N作用力下单纯骨水泥组骨折块的位移以及刚度都优于开窗撬拨复位螺钉内固定组，在3 mm位移下单纯骨水泥组骨折块的抗压能力以及刚度均优于标准组，也表明单纯骨水泥组即刻的固定效果优于开窗撬拨复位螺钉内固定组。
SchatzkerⅡ型与Ⅲ型胫骨平台骨折多发生于老年人，KRAUSE等[27]通过pQCT研究发现老年骨质疏松患者的胫骨平台骨微结构恶化具有区域特异性，对于老年人特别是微创非钢板方式处理的胫骨平台骨折，仍需给予加强[28]。因此，此次实验其中一组为CSC填充联合螺钉固定，一方面以期为存在骨质疏松的胫骨塌陷骨折提供坚强的内固定，另一方面以实现在硫酸钙被吸收过程中强度可能下降情况下，继续依靠螺钉为骨折块提供支撑。使用螺钉的2个固定方式组在压力下位移过程中，通过螺钉可作用于原空腔外的松质骨以及两侧皮质骨，表现出更好的抗压效果，这也是引起螺钉松动下沉的原因。在螺钉开始移位下沉附近，压力-位移曲线斜率变小，提示抗压能力发生变化。生物力学实验中，骨水泥螺钉组的最大载荷及其位移明显优于植骨螺钉组，这可能因为骨水泥螺钉组通过螺钉与骨水泥团块的结合起双重抗压作用，比单纯螺钉具有更好的抗压效果；力学实验中，骨水泥螺钉组在人体正常步态负荷的350 N载荷下，其骨折块位移最小刚度最大；在骨折块3 mm位移时，其抗压能力接近正常胫骨平台，明显高于其他实验组，这表明骨水泥螺钉组能够提供比其他复位内固定更好的支撑力及更高的稳定性，具有临床意义；而螺钉组达到最大载荷时，位移在10 mm左右，其最大载荷在统计学上有意义，但已无临床意义。
综上所述，经皮球囊扩张复位胫骨平台塌陷骨折具有可行性，CSC治疗胫骨平台塌陷骨折具有良好的填充能力，其联合螺钉固定的方式能够提供比其他复位内固定更好的支撑力及更高的稳定性。球囊扩张复位可注射CSC填充治疗胫骨平台塌陷骨折具有良好的临床应用价值。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

球囊扩张可注射硫酸钙骨水泥填充治疗胫骨平台塌陷骨折的稳定性

Stability of balloon dilation with injectable calcium sulfate cement for tibial plateau fractures

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