内固定材料修复后踝骨折及其生物力学特性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.44.024

摘要/Abstract

摘要：

背景：后踝骨折是影响踝部骨折预后的重要因素，后踝骨折常由较高能量损伤导致，采用何种固定物、内固定材料的生物力学，并如何置入成为目前研究的热点。
目的：比较不同内固定材料对后踝骨折临床预后的价值，分析不同内固定方式对后踝关节骨折固定的生物力学效果的影响，为临床治疗后踝骨折选择最佳内固定物提供一定的依据及参考。
方法：由第一作者通过计算机检索1976到2015年PubMed数据库和中国知网数据库收录的相关的文献。英文检索词为“Ankle fracture；internal fixation；biomechanics；biocompatibility”，中文检索词为“后踝骨折；内固定；生物力学；生物相容性”，总结目前常用的金属内固定材料和可吸收内容材料，临床常用的金属内固定材料包括接骨钢板和螺钉，可吸收内固定材料如降解材料聚乳酸、聚乙胶酯和聚丙胶酯等，分析其生物力学特性。
结果与结论：新型锁定螺钉能承受更大的屈曲和剪切力，拉力螺钉具有丝攻作用，攻丝后的螺钉拉力更强，但对于伴有骨质疏松的患者螺钉对骨折块的加压作用有限，强度不够，此时宜选用锁定钢板，锁定钢板稳定性更强，对弯曲应力有较高的对抗性，拔出可能性更低。钢板结合螺钉提供了更好的稳定性。为了避免目前金属材料内固定骨折愈合后存在内固定物二次取出、内固定后应力保护等缺点，由生物降解材料聚乳酸，聚乙胶酯和聚丙胶酯等经高温高压加工而成的可吸收内固定材料强度提高，可吸收内固定材料可克服干扰影像学检查、内置物二次取出等金属内固定物相关的不利影响。说明可吸收螺钉力学特性更接近人体骨骼，无因应力遮档引起的周围骨骼的脆弱，无骨质疏松现象发生，而且可在体内降解，但其固定强度还是不及传统螺钉及接骨钢板，临床上应根据骨折部位受力情况和骨折块的大小选择合适的内固定材料。
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: 骨科植入物, 骨植入物, 后踝骨折, 内固定材料, 金属材料, 可吸收材料, 接骨钢板, 螺钉, 聚乳酸, 聚乙胶酯, 生物相容性, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: Posterior malleolar fracture is an important factor affecting the prognosis of ankle fractures. Posterior malleolar fracture often caused by high energy trauma. Using what kind of fixation and fixation materials biomechanics, and how to embed has become a current research hotspot.

OBJECTIVE: To compare the clinical outcomes of different fixation materials on posterior malleolar fracture, and analyze the effect of different fixation methods on biomechanical outcome of posterior malleolar fracture fixation, so as to provide a basis and reference of selecting the best fixation for the clinical treatment of ankle fracture. METHODS: The relevant literature included by PubMed database and the China National Knowledge database from the year of 1976 to 2015 were retrieved by the first author through computer. English key words are “Ankle fracture; internal fixation; biomechanics; biocompatibility”, Chinese language search terms are “posterior malleolar fracture; internal fixation; biomechanics; biocompatibility”. Summarize the most commonly used metal fixation materials and absorbable content materials. The clinical commonly used metal fixation materials including bone plate and screws, absorbable fixation materials such as biodegradable material polylactic acid, polyethylene plastic ester, polylactide gum ester, etc. The biomechanical properties were analyzed.

RESULTS AND CONCLUSION: The new locking screw can withstand more buckling and shear force. Lag screw has a tapping action, and the pulling was stronger after tapping, but for patients with osteoporosis, the pressure effect of screw on fracture fragments was limited, the strength was not enough, at this time, locking plate should be used. Locking plate has a greater stability and higher confrontational feature to bending stress, less likely to pull out. Steel coupling screw provides better stability. To avoid secondary removing of the fixation, stress protection after fixation and other shortcomings after the metal material fixation fracture healing, the strength of the absorbable fixation material made by biodegradable material polylactic acid, polyvinyl acetate glue and polypropylene plastic ester after high temperature and pressure processing was increased. Absorbable fixation material may overcome the adverse effects associated with metal fixation, such as imageological examination, secondary implant removal. These results show that the mechanical properties of the absorbable screws are more closer to human bone, no surrounding bone vulnerability due to stress shields, no osteoporosis occurs, and can degrade in the body, but its fixation strength is still less than the traditional fixed screw and bone plate. We should choose a suitable fixation material according to the forces of fracture site and the size of the fracture fragments.
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

Key words: Ankle Joint, Fractures, Bone, Internal Fixators, Biomechanics, Biocompatible, Tissue Engineering

王展，张军，张堃，朱养均，王浩，王登峰，邵宇雄. 内固定材料修复后踝骨折及其生物力学特性[J]. 中国组织工程研究, 2015, 19(44): 7182-7187.

图/表（结果） 1

2.1 纳入资料基本概况文献检索图见图1。

2.2 纳入资料的研究结果特征

2.2.1 内固定材料在后踝骨折修复中的选择与置入方式

金属内固定材料：后踝骨折可选用的内固定材料包括金属材料和可吸收材料。临床应用较多以金属材料为主，如金属钢板、张力带、空心钉等^[16]。有研究对后踝骨折钢板内固定治疗的效果进行回顾性分析总结，认为采用钢板对骨折块实施复位固定治疗后踝骨折能实现良好的复位和坚强的内固定^[17]。良好的复位结合钢板内固定治疗后踝骨折，有助于骨折端的良好愈合，促进患者关节功能的恢复，因而临床应用价值更高^[18]。雷磊等^[19]回顾分析运用空心钉内固定及钢板内固定治疗后踝骨折患者的资料，比较两种治疗方法关节功能、骨折愈合时间、完全负重时间及相关并发症等差异。研究结果表明，对于复杂Ⅲ，Ⅳ型后踝骨折，在踝关节的稳定性、早期关节锻炼和踝关节功能方面，钢板固定可以提供比空心钉更好的治疗结果。应用钢板内固定修复后踝骨折临床效果良好^[20]。

锁定加压接骨板是接骨板发展的里程碑，通过拉力螺钉对骨折块间加压，重建平整的关节面，拉力螺钉能在接骨板螺钉孔内任意成角，使螺钉能垂直于骨折线固定，否则会产生剪切应力，导致复位丢失。当螺钉没有锁扣于接骨板，螺钉无法对抗作用力，会发生松动和接骨板螺钉孔的长轴向外发生位移，疏松的骨质不能提供足够的把持力，会发生螺钉松动，导致稳定性丢失，发生骨折再移位。钢板及加压螺钉固定强度大，创伤小、固定确切的特点，是一种安全可靠的方法^[21]。

有学者报道指出，后踝骨折块波及胫骨远端关节面≤25%时采用一两枚螺钉由后向前进行内固定可以取得良好的稳定性^[22]。Shimamura等^[23]报道，后踝骨折块固定方式普遍应用的仍是螺钉固定，也有应用钢板进行内固定的。然而有研究人员发现，在螺钉固定实际操作中骨折块的复位非常困难，即使复位成功，也很难边维持边固定，常固定好螺钉后又造成骨折块的再次移位，螺钉在人体内易出现腐蚀和应力保护，从而形成骨质疏松，可致骨折块的再次骨折，另外由于金属材料不能生物降解，骨折愈合后需二次拆除，将内固定螺钉取出时相应的并发症也在增多^[24]。对于较大的骨折块或粉碎骨折，特别是对骨质疏松的骨折，其固定力量有限^[25]。

后踝骨折块≥20%宜采用空心螺钉内定固定，采用内外踝常规切口首先解剖复位外踝并接骨板固定，以恢复踝关节的长度并控制旋转，然后解剖复位内踝骨块并固定，接着背伸踝关节后透视检查，如果后踝骨折解剖复位，经皮克氏针临时固定后，再次透视检查复位情况，然后经皮空心钉自前向后固定后踝，最后或修复三角韧带浅层。后踝骨折块厚度≥5 mm采用接骨钢板内固定，采取俯卧位，踝关节后外侧切口，自腓骨和跟腱之间进入，深筋膜下向前分离暴露腓骨，解剖复位并固定外踝；沿腓骨短肌和踇长屈肌间隙进入暴露后踝骨折，骨膜剥离子向前下推压后踝骨折块，解剖复位后以一两枚 2.5 mm克氏针临时固定，透视检查解剖复位后采用管型或桡骨远端T型接骨板固定，改为仰卧位后固定内踝或修复三角韧带浅层。后踝骨折块厚度< 5 mm采用空心拉力螺钉加齿状垫片内固定，解剖复位骨折块后以4.0 mm空心螺钉＋齿状垫片加压固定。内固定过程中在C型臂透视下检查下胫腓关节稳定性，如果下胫腓牵拉试验阳性，则以下胫腓螺钉进行3层皮质的固定；最后检查踝关节稳定性及内固定牢固性。

接骨板内固定解剖复位后钢板内固定提供了良好的踝关节稳定性，未发现骨折再移位，关节压力增加了关节软骨的营养，减轻了关节的退变，而空心螺钉内固定和空心拉力螺钉加齿状垫片内固定为从前向后的螺钉固定，存在有踝关节的不稳定，加速了踝关节的退变，后踝骨折块厚度≥5 mm时宜选用接骨板内固定。

可吸收内固定材料：金属材料内固定骨折愈合后存在内固定物二次取出、内固定后应力保护，可形成骨质疏松、延迟愈合和再骨折等缺点^[26]。为了克服采用不锈钢等金属材料作为骨折内固定材料的缺点，可吸收内固定材料是近年来研究的焦点。

可吸收螺钉不同于金属内固定物，无金属刺激反应及不干扰磁性影像；可在体内完全降解为水和二氧化碳，并参加新陈代谢排出体外，避免二次取出可能带来的感染、组织及血运再损伤^[27-28]。可吸收螺钉的初始强度远超过松质骨的强度，与骨皮质的强度相当，使后踝的固定更为确实、可靠^[29]。可吸收螺钉完全符合后踝骨折愈合需要，不仅能起到金属内固定材料所起到的作用，还具有其独特的优点，所以常常被用于后踝骨折的治疗^[30]，有临床研究比较可吸收材料与金属材料在三踝骨折治疗中的应用效果，认为可吸收内固定材料治疗三踝骨折的临床疗效满意^[31]，但可吸收螺钉固定后踝骨折仍有一定不足之处，骨折固定时，其对骨折面施加的压力不够，与金属内固定材料的固定强度相比差距较大，有时骨折面之间仍有间隙，内固定后易造成固定物松动和滑脱，不如微型钢板固定牢靠^[32]。

内固定材料的置入方式：内固定材料修复后踝切开复位内固定的置入方式包括后外侧入路、后内侧入路、后外侧联合后内侧入路等。入路的选择取决于后踝骨折块的大小与位置，以及踝部皮肤损伤的状况。后外侧入路越来越得到临床的关注，认为后外侧型更适用于后踝骨折，研究认为采用后外侧入路具易于在后踝放置内固定材料，如支撑钢板等，防止二次移位^[33-34]；可直视下完成复位并给予坚强内固定，安全有效且节省内固定时间。Forberger等^[35]也发现后外侧入路能够良好显露后踝骨折端，利于解剖复位和完成稳定的内固定。

2.2.2 内固定材料的生物力学

螺钉内固定的生物力学：力学因素是影响骨折愈合主要因素，内固定材料折弯次数太多，表面的划痕或缺口造成应力集中使置入后疲劳寿命显著下降。内固定材料良好的力学稳定性可防止骨折区域软组织的再度损伤。钢板加螺钉内固定为骨折提供了更好的稳定性，螺钉是重建关节或干骺骨折最佳的内植物，螺钉由内侧凹槽、螺钉头、钉身、螺纹、螺纹内柱、螺纹间隙组成。钉头的凹槽可以减少磨损，增大把持力，新型锁定螺钉的螺柱更粗，能承受更大的屈曲和剪切力，与周围骨质接触面积更大，应力传递更佳。同时螺纹变窄新型锁定螺钉不需要依靠宽大的螺纹获得加压，螺纹缩窄为螺柱加粗提供了条件。钻头所钻孔道为圆柱形，自攻螺钉无丝攻作用，失去其固定的力学性能，在螺钉孔道产生骨吸收加重了螺钉的松动。拉力螺钉具有丝攻作用，攻丝后的螺钉拉力远大于自攻螺钉。但后踝骨折块处于干骺端，局部骨皮质菲薄，以松质骨为主^[36]，空心拉力钉常常会拧入而穿破皮质，骨折块加压作用有限，在伴有骨质疏松的患者中表现更加明显，因此固定后踝骨折块除了骨折断端加压外，主要是对抗骨折块潜在的轴向滑移应力，传统的闭合复位多采用空心拉力螺钉固定，其固定强度常常是不够的^[37-38]。

锁定钢板生物力学：后踝骨折块厚度≥5 mm时建议选用接骨板塑形后固定，以点式复位钳加持钢板与前踝骨质加压，确认骨折前后为解剖复位后螺钉固定，并且在后踝骨折块的顶端打入1枚螺钉以加强抗滑移作用。常用的接骨板有1/3 管形钢板、重建接骨板，桡骨远端接骨板。接骨钢板的优点为解剖重建，坚强固定，有助于功能复位。对于骨质疏松者则选用锁定接骨板，锁定钢板充分重视局部软组织的血运，固定坚强无加压^[39]，远离骨折部位进行复位，以保护骨折局部软组织的附着，减少内固定物与所固定骨之间的接触面，其结构特点为解剖形钢板，与骨面有较好的贴附，有限接触，尽量减少对骨膜的压迫，螺钉与锁钉孔构成成角稳定结构，可用于克氏针固定。普通钢板轴向负荷增高螺钉松动，摩擦力变小，造成骨折不稳，如果在骨折干骺端和骨持疏松时稳定性更差，锁定钢板为皮下的外固定器，无需折弯，松动发生率低，锁定钢板螺钉对弯曲应力有较高的对抗性，拔出可能性更低^[40-41]。动力加压接骨板为AO首创的动力加压设计，螺钉多角度，可以双向加压，平滑预弯。而中心放置的螺钉没有加压效果，要有动力加压效果，螺钉必须偏心放置。通过接骨板螺孔放置拉力螺钉可以增加斜行稳定性，螺钉拧入钢板螺孔时倾斜与钢板水平交界处钝角，向下，水平方向滑动，轴向加压。有限接触-动力加压接骨板底面切割，与骨接触面较小，对骨膜血运的干扰减小。

可吸收螺钉生物力学：可吸收螺钉用到的生物降解材料有聚乳酸(PGA)和聚乙胶酯(PGA)和聚丙胶酯(PLLA)，可吸收螺钉具有优良的生物安全性和相容性，内固定物经高温，高压等特殊工艺加工而成，提高内固定物强度，同时可体内降解吸收，免除二次手术痛苦。可吸收螺钉呈膨胀性固定，在一定条件下，压力越高，密度和粘合度越高，刚性和韧性越好。

根据生物力学内固定理论，设计成与人体皮骨质性能相近，可降解的生物性内固定材料，力学特性更接近人体骨骼，无因应力遮档引起的周围骨骼的脆弱，无骨质疏松现象发生^[42-43]。材料吸水后，分子链开始断链时开始降解，当分子质量跌到一定水平时强度开始下降，是期强度缓慢下降，中期快速下降，晚期完全崩解成碎片，最终产物分解成水和二氧化碳，通过汗液、尿液和粪便排出体外，但其固定稳定性和拔出力还是不及金属内固定材料^[44]。

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引言

踝关节是人体中最为重要的关节之一，它承担人体轴向的大部分质量，其结构稳定性由骨性结构和其周围的韧带组织共同维持^[1]。踝关节骨折是常见的关节内骨折，约占全身骨折的3.9%，踝关节骨折时常波及后踝。解剖上后踝也称胫骨远端后结节，是胫骨和距骨关节面的后缘。后踝骨折是踝部骨折中最严重一种，在踝关节骨折中占14%-44%^[2]。后踝骨折通常发生在踝关节旋转损伤中，有时也发生在踝关节骨折脱位中^[3]。由于后踝关节连接胫骨与腓骨远端，后踝骨折常累及内外踝，加之后踝骨折减少了胫距接触面积，关节负重区域改变，应力再分配导致残存关节面压强增大，加速了关节软骨发生退行性病变，严重影响踝关节功能^[4]。后踝骨折功能恢复的优劣与关节内骨折对位情况密切相关^[5]。因其对位要求较高，外固定治疗比较困难，所以需要坚强的内固定以维护骨折的对位进而恢复正常的解剖关系。由于后踝骨折的治疗方式取决于内外踝骨折的情况及后踝骨折块的大小以及位置^[6]，但后踝骨折在不同的个体中有不同的表现形式，目前并没有一个完全统一的标准治疗方法^[7-8]。有研究在回顾分析大量后踝骨折闭合复位治疗的病例，提出以后踝骨折块大于胫骨远端25%为内固定的指证^[9]，这个观点延续至今成为后踝骨折内固定指证之一。

采用何种内固定材料修复后踝骨折也有较大争议。内固定材料一定要与人体组织相容，能抗酸抗碱，而且不起电解作用，无磁性，在相当长的时间内有一定的机械强度，不老化。固定的强度受以下因素影响：固定螺钉和连杆的直径；螺钉和骨折块的距离；侧杆与骨干的距离；侧杆的数量。因此可以应用点接触固定减少侧杆与骨干的距离，提高内固定材料的强度，增加稳定性，促进骨痂形成产生骨愈合。

经皮微创空心钉内固定后踝骨折支持者认为该内固定创伤小、骨折固定可靠优势^[10]。临床上更多的是直接地显露骨折块并钢板螺钉固定方式。对于复杂的后踝骨折，钢板固定比空心钉固定治疗效果更好，早期快速和最大限度恢复踝关节功能^[11-13]。钢板内固定后，应力集中于钢板的力学薄弱部位，引起局部反复应变，是钢板疲劳性断裂的主要原因，内固定过紧或过松都可以影响内固定的应力或旋转力^[14-15]。可吸收内固定螺钉因其良好的生物相容性和可降解性，无需二次取出固定物、应力遮挡等优点开始广泛研究和应用，但与金属内固定材料相比，其固定强度较差。因此需要对内固定材料的抗压能力和抗扭能力进行研究，以选用坚强的内固定材料。

无论采用何种内固定材料方式，都需要使踝关节得到有效的复位和固定，将骨折固定修复至原解剖力学结构。文章将探讨分析不同内固定材料的质量、生物力学特性。
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