空心拉力螺钉加镍钛聚髌器置入内固定重建骨折髌骨的生物力学条件

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.22.011

摘要/Abstract

摘要：

背景：目前临床治疗髌骨骨折的内固定方法众多，但各有优缺点。内固定方法的选择是否合适，将直接影响髌骨骨折愈合时间及膝关节功能恢复。
目的：评估空心拉力螺钉加镍钛聚髌器置入内固定治疗髌骨骨折后的生物力学重建效果。
方法：回顾性分析2011年1月至2012年1月复旦大学附属金山医院骨科收治的新鲜髌骨骨折患者27例，横形骨折13例，粉碎骨折11例，上或下极骨折3例。采用空心拉力螺钉加镍钛聚髌器置入内固定，不需石膏外固定，内固定后自第2天开始行股四头肌主动收缩训练，内固定后1周开始床上屈伸膝关节锻炼。采用Böstman髌骨骨折疗效评定标准进行膝关节功能评价。
结果与结论：27例患者均获随访，随访时间4-14个月。切口均获Ⅰ期愈合，无内固定断裂或脱落、切口感染、皮肤坏死等并发症。骨折平均愈合时间为8.5周，无延迟愈合发生。根据Böstman评分标准，平均分为27.9分，其中优22例(81%)、良4例(15%)、差1例(4%)，优良率为96%。结果显示，在空心拉力螺钉的基础上辅以镍钛聚髌器固定兼具传统各种内固定方法之优点，同时避免了其不足之处。

关键词: 骨关节植入物, 骨科植入物, 髌骨骨折, 空心拉力螺钉, 镍钛聚髌器, 内固定, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: There are various internal fixation methods for the clinical treatment of patellar fractures, but each method has advantages and disadvantages, respectively. The selection of proper internal fixation method will directly affect the healing time and recovery of knee joint function.
OBJECTIVE: To investigate the biomechanical reconstruction effect on patellar fracture treated with cancellous bone screw and nickel-titanium-patellar concentrator internal fixation.
METHODS: A retrospective analysis was performed on 27 cases of acute patellar fracture patients from January 2011 to January 2012 in the Department of Orthopedics, Jinshan Hospital, Fudan University, including 13 cases of transverse fracture, 11 cases of comminuted fracture and three cases of upper or lower pole fracture. All the 27 patients received cancellous bone screw and nickel-titanium-patellar concentrator internal fixation without plaster external fixation, and then the quadriceps active contraction training was performed from the 2nd day after internal fixation, and bed knee flexion and extension exercises were performed at 1 week after internal fixation. The knee joint function was evaluated with Böstman score system.
RESULTS AND CONCLUSION: All the 27 patients were followed-up for 4-14 months. Incisions obtained stage Ⅰ healing, and there was no fracture fixation or shedding, wound infection, skin necrosis or other complications. The average healing time was 8.5 weeks without delayed healing. According to clinical grading scale of Böstman score system, the mean score was 27.9, included 27 cases of excellent (81%), four cases of good (15%), one case of poor (4%), and the excellent and good rate was 96%. The results suggest that cancellous bone screw combined with nickel-titanium-patellar concentrator internal fixation can maintain the advantages of traditional internal fixation method, and can avoid the disadvantages of the traditional internal fixation method.

Key words: bone and joint implants, orthopedic implants, patellar fracture, cancellous bone screw, nickel-titanium-patellar concentrator, internal fixation, biomechanics

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 4

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引言

髌骨是人体中最大的籽骨，是组成膝关节不可缺少的部分。髌骨骨折是以髌骨局部肿胀、疼痛、膝关节不能自主伸直，常有皮下瘀斑以及膝部皮肤擦伤为主要表现的骨折，是临床中较常见的一种骨折类型，大都是因为直接暴力或者间接暴力所致。髌骨骨折属关节内骨折，若修复欠佳，可致创伤性关节炎或膝关节功能障碍。对于无移位或轻度移位的髌骨骨折，可采用保守治疗。对于移位的不稳定骨折，特别是影响关节面平整的骨折，以手术治疗为主。目前关于髌骨骨折的治疗方法很多, 疗效也不尽相同。

内固定方法的选择是否合适，将直接影响髌骨骨折愈合时间及膝关节功能恢复。目前治疗髌骨骨折的诸多内固定方法中仍存在着不足，疗效不满意的主要原因是内固定不符合生物力学要求，内固定不可靠，外固定时间过长，因而导致膝关节活动障碍。因此治疗髌骨骨折应将用生物力学方法固定，最大限度地允许早期功能锻炼，减少膝关节功能障碍的发生作为主要目标。

镍钛聚髌器为镍钛合金制成，该材料具有丰富的相变现象、优异的形状记忆效应、良好的力学性能和高抗疲劳性、低生物蜕变性等特点，遵从了髌骨、髌股关节的解剖及生物力学特点，可以极大地降低应力遮挡，为骨折的愈合提供了理想的应力环境。

髌骨体内空心拉力螺钉固定复位，在应力方向利用螺钉的拉力作用，使骨折断端紧密接触，同时骨质内螺杆的中轴效应，防止了骨块旋转、成角、侧方移位。拉力螺钉对骨质疏松类型骨折的固定在强度上更优于克氏针，为患者早期的功能锻炼提供了可靠的保证。

本院采用空心拉力螺钉加镍钛聚髌器置入内固定治疗27例髌骨骨折患者，效果满意。

材料方法

设计：回顾性病例分析。
时间及地点：于2011年1月至2012年1月在复旦大学附属金山医院骨科完成。
对象：选择上海复旦大学附属金山医院骨科2011年1月至2012年1月施行空心拉力螺钉加镍钛聚髌器内固定治疗的新鲜髌骨骨折患者为观察对象，共27例，男17例，女10例；年龄20-67岁，平均39岁。受伤部位：左侧12例，右侧15例。受伤原因：跌跪伤9例，交通事故伤16例，坠落伤2例。闭合性骨折26例，开放性骨折1例。骨折类型：横形骨折13例，粉碎骨折11例，上或下极骨折3例。受伤至手术内固定时间2 h-7 d。
髌骨骨折诊断标准： ①有外伤史，多由跪倒时股四头肌猛烈收缩引起，也可因直接暴力引起。②膝部肿胀、压痛、血肿和皮下瘀斑，早期可扪及骨折横形凹陷。③活动受限，膝关节不能主动伸直，也不能屈膝。④X射线片可明确骨折类型及移位程度。
纳入标准：①新鲜髌骨骨折患者。②分离移位> 3 mm，关节面不平>2 mm，合并伸肌支持带撕裂者。③对治疗方案知情同意且愿意承担相应风险，并签署知情同意书者。
排除标准：病理性骨折；不能复位的严重粉碎性骨折；无移位或轻度移位的骨折。
材料：镍钛聚髌器为上海思爱高科技开发有限公司生产，注册号：国食药监械(准)字2006第3461051号，材质为镍钛合金，由2个髌底(髌上极)、3个髌尖(髌下极)功能爪枝和1个连接爪枝的功能腰部组成，规格型号：C40，C38，C35，C33，C30，C28，C25。空心拉力螺钉采用常州康辉医疗器械有限公司生产的DJY-Ⅱ型动力加压螺钉，注册号：国食药监械(准)字2005第3460987号，直径为4.0 mm，材质为Ti6Al4V钛合金。两者生物相容性均良好。
干预方法：
内固定过程：硬腰联合麻醉或腰麻，大腿中上1/3应用气囊止血带。平卧位，取髌前正中纵行切口，逐层切开后显露髌骨骨折部，清除关节腔、断端间血凝块及嵌入软组织，并冲洗关节腔。直视下复位骨折。用毛巾钳或髌骨复位钳临时固定，屈膝10°位下用2根1.2 mm导向克氏针并列由下至上穿过骨折块，通过两侧扩张部裂口触及关节面平整，检查骨折无移位及克氏针位置恰当后，测量髌骨内克氏针长度，电钻扩孔，选用长度合适的空心拉力螺钉套入克氏针中拧入固定髌骨。选择大小合适的镍钛聚髌器，浸泡于0 ℃冰盐水，在冰盐水中用撑开器均匀地撑开其5爪。在髌底及髌尖估计镍钛聚髌器爪支嵌入处，作韧带纵行小切口，将镍钛聚髌器依次插入髌尖及髌底，40 ℃左右的盐水纱布热敷镍钛聚髌器，使其恢复原来形状，紧抱髌骨。热敷过程中注意压紧镍钛聚髌器腰部使其紧贴髌骨表面。术中应用C臂机透视，再次检查髌股关节面平整度。活动膝关节，检查内固定稳定程度，修复髌韧带，髌骨内、外侧支持带，生理盐水冲洗，关闭切口。
内固定后处理：不需石膏外固定，内固定后自第2天开始行股四头肌主动收缩训练，术后1周开始床上屈伸膝关节锻炼，避免失用性肌萎缩和膝关节挛缩粘连。2-4周后扶拐下地并逐渐负重。
主要观察指标：采用Böstman髌骨骨折疗效评定标准进行膝关节功能评价^[1] 。根据膝关节屈伸范围，工作能力，行走、下蹲、爬楼梯，疼痛等方面进行评估，满分30分，优28-30分，良20-27分，差<20分。

讨论

膝关节由胫骨、股骨和髌骨组成，髌骨是重要的膝关节伸屈装置。膝关节任何主动和被动的屈伸都将在髌骨产生应力，这些应力主要是股四头肌收缩产生的牵张力和髌股关节作用力。髌骨的存在一方面使股四头肌更为有效，另一方面通过髌股关节接触面的合理分布，使髌股关节面上拮抗重力的反作用力传导更为均匀。

髌骨的生理功能包括以下几方面：①保护膝关节，特别是股骨下端关节面及股骨髁。②髌骨有车链作用，可增加膝的旋转度。③股四头肌腱至髌骨向下展开成为髌韧带，附着于胫骨转子，因此髌骨能传递股四头肌的力量。④髌骨可保护膝关节在半屈位的稳定性。
对于无移位或移位不超过3 mm的髌骨骨折，无论何种类型，均可保守治疗。早期冷敷，加压包扎，减少局部出血。保持膝关节伸直位，用石膏托或下肢支架固定4-6周，即可开始股四头肌等长收缩。6周后开始作膝关节主动屈伸活动训练。固定过程中，若关节内血肿张力大，可在严格无菌条件下抽出积血，加压包扎。

对于移位超过3 mm，关节面不平整的髌骨骨折，以手术治疗为主。髌骨骨折的内固定方法可分为两类，一类行内固定后仍需一定时间的外固定；另一类内固定比较坚强，不需外固定。髌骨骨折手术内固定治疗后易致关节周围软组织粘连，膝关节活动受限，内固定后早期功能锻炼对增加关节活动度，促进功能恢复具有重要作用。髌骨骨折的治疗原则是充分恢复髌骨的功能，除不能复位的严重粉碎骨折外，均尽量保留髌骨，并达到解剖复位，内固定适当有力，早期功能锻炼^[2] 。

髌骨骨折内固定方法较多，临床常用的有钢丝环扎、克氏针张力带、空心拉力螺钉加张力带、镍钛聚髌器内固定等。由于手术医师资质、适应证的选择、临床疗效评价标准、术后康复方式、术后随访等原因的差异，临床结果差异较大^[3-4]。

钢丝环扎法是较早采用的治疗髌骨骨折内固定方式，操作简单，费用低。Yang等^[5]报道对于粉碎性髌骨骨折采用多根钛缆替代钢丝进行环扎内固定治疗获得优良效果。其缺点是固定欠牢靠，在张力下钢丝可对髌骨和软组织产生切割作用，破坏髌骨和软组织，使钢丝松弛, 进而造成骨折移位、髌股关节面不平整。再者钢丝无法对抗骨折的弯折力，内固定后早期不能进行功能锻炼，现已少用。

克氏针张力带内固定主要适用于以横形骨折为主的髌骨骨折或以横形骨折为主的粉碎性骨折^[6] 。徐洪璋等^[7]应用有限元模型证实了克氏针张力带有多向加压作用，及明显对抗股四头肌向上拉应力的作用。其固定作用强，符合髌骨的生物力学特点及其愈合过程，可进行早期功能锻炼。不足之处：严重粉碎性骨折以及下极骨折克氏针穿刺困难，固定不牢靠；克氏针尾或钢丝于皮下慢性刺激致滑囊炎症或触痛；克氏针过长刺破皮肤引起感染;克氏针及钢丝松动脱落、疲劳性断裂等^[8-10] 。

空心拉力螺钉为钛金属材料，生物相容性良好，有利于骨折愈合。空心拉力螺钉加张力带内固定的固定力量较AO张力带更强，可得到最大的固定强度^[11] 。Bery^[12]报道临床应用空心拉力螺钉加张力带钢治疗髌骨骨折获得优良效果。不足之处是：空心钉需要周围的骨量较多，比较严重的粉碎性髌骨骨折固定困难^[13] ；钢丝和螺钉接触，在关节屈伸过程中压应力只能传到螺钉上，无法对骨折块起到张力带加压作用，另一方面，螺钉两端尤其是头端切割钢丝，易造成钢丝断裂。

镍钛合金具有丰富的相变现象、优异的形状记忆效应、良好的力学性能和高抗疲劳性、低生物蜕变性等特点，镍钛聚髌器遵从了髌骨、髌股关节的解剖及生物力学特点，其弹性模量与人骨接近，可极大的降低应力遮挡作用^[14] 。大量实验表明，镍钛记忆合金具有强度高、密度低、耐磨、耐腐蚀、低磁性，无毒，无致敏、无致癌等优点，溶血率为0.13%，其弹性模量与人骨骼较相近，可避免骨质疏松，为缩短骨愈合期提供了基本条件。镍钛聚髌器具有形状记忆功能，其5个爪包绕髌骨形成环扎作用，能多方向以纵向为主、向心性和持续自动地向骨折端施加聚合加压力，有利于骨折块的稳定，加速骨折愈合^[15-17]，兼有复位与固定的双重作用，术后并发症少^[18] 。其作用原理是低温下向原定形状回复，利用它与髌骨的弧差所产生的回复力组成了多维的以纵向为主的持续向心压应力，其在纵向产生的压应力以抵消因股四头肌收缩或膝屈曲时所产生的张应力，且剩余的部分压力正好用于维持骨折复位及骨质生长愈合，此种固定完全符合张力带原则，复位、固定兼备。镍钛聚髌器生物相容性好，局部刺激少，可重复性大，术中可进行动态调整。不足之处是：镍钛聚髌器对抗股四头肌拉应力的作用差^[19] 。由于设计上不匹配及操作者经验不足等多方面因素，若聚髌器选择过小，则其腰部不能与髌骨前缘相贴附，术后有可能滑脱^[20] ；过大则聚合应力降低，失去内固定的意义，导致骨折延迟愈合甚至骨不连。对于部分严重粉碎性骨折，聚髌器向骨折端施加压力的不均衡反而易导致复位后的小骨折块再次移位^[21-24] 。

传统治疗髌骨骨折内固定方法各有优缺点，目前临床上尚无能较好解决以上缺点的治疗方法^[25-40] 。本院采用空心拉力螺钉加镍钛聚髌器内固定方法治疗髌骨骨折取得了良好疗效：①相比钢丝环扎内固定，不会对股四头肌腱及髌腱造成压迫，不会影响其血运。空心拉力螺钉具有比克氏针更高的抗弯强度，在膝关节屈伸活动时可对抗骨折断端的弯折力，避免术后髌骨关节面移位。②相比克氏针张力带内固定，无钢丝对髌骨韧带、髌腱膜的切割损伤，无皮肤刺激，没有克氏针及钢丝松动脱落的风险。③相比空心拉力螺钉加张力带内固定，无应力遮挡作用，不影响聚髌器持续自动加压的功能。④相比单独聚髌器内固定，其固定强度更高。即使空心拉力螺钉镍钛聚髌器两者之一松动，仍有固定加压作用，其强度可靠，术后无需外固定，可以早期进行膝关节功能锻炼，适用于各种类型的骨折。

髌骨骨折内固定后随访时的注意事项：①定期随访，按医嘱正确功能锻炼。②患肢关节活动量较大时，可能出现膝关节局部红肿、疼痛，可适当减少活动量；活动量过少时，会影响膝关节功能，造成关节僵硬。③拆除外固定或下肢负重前，应征求医生意见，并行骨折部位X射线检查。综上所述，髌骨骨折内固定治疗的方法较多，但最终目的都是为了充分恢复髌骨的功能，促进内固定后膝关节的早期功能锻炼^[35-40] 。在空心拉力螺钉的基础上辅以镍钛聚髌器固定兼具传统各种内固定方法之优点，同时避免了其不足之处，是一种值得临床推广应用的治疗髌骨骨折的内固定方式。