普通加压钢板与锁定钢板内固定修复老年复杂性肱骨干中下段骨折的生物力学比较

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.26.017

摘要/Abstract

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文题释义：

锁定钢板固定：锁定钢板固定对肱骨骨折旋转、分离、成角移位均能良好控制，能实行骨折端加压，对邻近关节干扰较少，被认为是手术治疗肱骨干骨折的金标准，可提供足够的抗扭转强度，有效维持骨折端稳定并控制断端旋转，是最为有效的固定方法之一。

普通加压钢板固定：肱骨骨折普通加压钢板固定需一定时间的石膏外固定，并发症多，钢板不易安置服贴，且桡神经常于肱肌与肱桡肌之间分出数支，钢板插入时容易损伤，如选择的钢板长度不足或普通加压钢板强度不够，不能提供足够的抗扭转强度，不能有效维持骨折端稳定。

摘要

背景：肱骨干中下段骨折是临床常见上肢骨折，在老年人群中发生率及复发率都较高，然而目前缺乏疗效理想的修复方法。

目的：对比分析普通加压钢板与锁定钢板内固定修复老年复杂性肱骨干中下段骨折的生物力学差异。

方法：筛选30对防腐老年人肱骨标本，人工制造肱骨中下段骨折模型。将同一个体来源的2个肱骨完整取下随机分为2组，分别采用锁定钢板和普通加压钢板固定，并通过实验力学模型检测钢板和标本分别在压缩、弯曲和扭转3种不同负载方式下的位移值和扭转角度，分析并比较2组数据。

结果与结论：①所有标本在排除相关因素影响后，选取其中骨密度高、质量优等的标本进行实验；②锁定钢板在轴向负荷为500 N，弯曲负荷为7.0 N•m，扭转负荷为3 N•m以内的压缩、弯曲、扭转等条件下，其应变均小于普通加压钢板组(P < 0.05)，锁定钢板组肱骨标本的相对位移在以上加载方式下也均小于普通加压钢板组(P < 0.05)；③以上数据表明，锁定钢板有较好的抗压、抗弯曲和抗扭转性能，能保证骨折连接处的稳定和一体性。

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

ORCID: 0000-0003-2736-4528(赵峰峰)

关键词: 骨科植入物, 骨植入物, 复杂性肱骨干骨折, 老年, 锁定钢板, 普通加压钢板, 生物力学, 轴向负荷

Abstract:

BACKGROUND: The lower and middle humeral shaft fractures are common upper limb fractures. Incidence rate and recurrence rate were high in the elderly population. However, there is a lack of a method with ideal curative effect.

OBJECTIVE: To compare and analyze the biomechanical differences between common compression plate and locking plate fixation in the repair of middle and lower complex humeral shaft fracture in the elderly.

METHODS: 30 pairs of antiseptic elderly humerus specimens were selected to make models of middle and lower humeral shaft fracture. Two humeri from the same individual were randomly assigned to two groups, and subjected to locking plate and common compression plate fixation. Experimental mechanics models were used to determine displacement and torsion angle under compression, bending and torsion. Data were analyzed and compared between the two groups.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) After exclusion of relevant factors, specimens with high bone density and excellent quality were selected from all specimens. (2) Under axial load of 500 N, the bending load of 7.0 N•m and torsional load of 3 N•m or less, the strain was smaller in locking plate group than in common compression plate group under compression, bending and torsion (P < 0.05). Relative displacement under the above loading was smaller in locking plate group than in common compression plate group (P < 0.05). (3) Above data suggested that locking plate has good compressive, flexural and torsional rigidity, can ensure the stability and integrity of the fracture connection.

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Key words: Humeral Fractures, Internal Fixators, Biomechanics, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

赵峰峰. 普通加压钢板与锁定钢板内固定修复老年复杂性肱骨干中下段骨折的生物力学比较[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(26): 3909-3915.

Zhao Feng-feng. Comparison of biomechanics of common compression plate and locking plate fixation for middle and lower complex humeral shaft fracture in the elderly[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(26): 3909-3915.

图/表（结果） 2

2.1 两组构件在不同载荷下的载荷-应变关系

2.1.1 压缩负载-应变关系 2组构件应变和负荷都成正相关关系，应变随负荷增加而增大，总体说来，锁定钢板组在每组压缩负载下，应变均小于普通加压钢板组，差异有显著性意义(P均< 0.05)，说明锁定钢板抗压性更强，见表1。
2.1.2 弯曲载荷-应变关系结果显示，2组钢板在弯曲负载下，负载越大，其应变也越大，呈线性关系；锁定钢板与普通加压钢板在同样大小的负载下，锁定钢板组应变均要小于普通加压钢板组，差异有显著性意义(P 均< 0.05)，说明锁定钢板有更好的抗弯曲性能，见表2。

2.1.3 扭矩-应变关系结果显示，生理条件负载下，2组钢板应变和负载大致上呈线性变化，锁定钢板组应变总体上较普通加压钢板组小，差异有显著性意义(P均< 0.05)，说明锁定钢板在扭转的条件下，也具有较好的抗形变性能，能为骨折断端的稳定性提供保障，见表3。

2.2 肱骨在不同负载下的负载-位移关系

2.2.1 压缩负载-位移关系 2组构件在不同负荷下的位移如表4所示，肱骨位移和负荷成正相关关系，位移随负荷增加而增大，总体说来，锁定钢板组肱骨在不同大小的压缩负载下，骨折断端位移均要小于普通加压钢板组，差异有显著性意义(P均< 0.05)，说明运用锁定钢板固定的骨折两断端在外力作用下，位移相对较小，总体稳定。

2.2.2 弯曲载荷-挠度关系结果显示，2组标本在弯曲负载下，负载越大，其挠度也越大，呈线性关系；所有标本在同样的负载下，锁定钢板组相对应的挠度均要小于普通加压钢板组，差异有显著性意义(P均< 0.05)，说明锁定钢板能为骨折提供更好的稳定性，见表5。

2.2.3 扭矩-扭角关系结果显示，生理条件负载下，扭矩-扭角关系在负载较小时，呈线性变化，在负载较大时，两者变化呈曲线关系，锁定钢板组扭矩总体上较普通加压钢板组小，差异有显著性意义(P均< 0.05)，说明锁定钢板在扭转的条件下，也具有较好的抗形变性能，能为骨折断端的稳定性提供保障，见表6。

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引言

肱骨干中下段骨折是常见的上肢骨折，尤其是在行动迟缓的高龄人群中，具有复杂性和复发性。老年人骨质疏松，并伴随红骨髓含量的下降，其成骨愈合能力大大减弱，目前临床常用的骨折固定方法是普通钢板螺丝固位，疗效一般。随着现代骨科学的不断发展和人们的不断实践，有关骨折的治疗理念也随之改变，相对应内固定器械也不断改进和创新^[1]。以往众多学者认同并支持AO(Arbeitsgemeinschaft Osteosynthesefragen)理念，AO协会最初由瑞士籍专家于1958年组建成立，其最核心内容是通过安全的切开复位和坚定内固定，从而保护软组织并允许早期功能康复训练，然而在临床上处理过程中，某些特殊条件下不得不破坏一些软组织或血管结构来达到此种目的，从而忽视了生物学特性，从另一层面对骨折愈合造成影响，特别是一些高能量创伤所造成的骨折^[2]。在1990年时Gerber等提出生物学固定(Biological osteosynthesis, BO)这个新理念，和AO相比，BO更注重解剖学上的生物学特征，尽量保留骨折区周围的神经血管等，为骨折愈合提供足够的养分和生长因子，促进骨折愈合，改善患者的生活质量和临床疗效^[3]。其主要内容有以下几个方面：①在远离骨折区域进行复位，尽量保留骨折区域附着的软组织，以提供营养因子。②放宽解剖复位的要求，但在关节内骨折和需进行骨折间隙加压的病例中，必须是严密复位，骨折两头断端间不容许有间隙。③尽量使用低弹性模量的内固定物。④减少固定钢板与骨皮质的接触面积，以免影响骨膜生成愈合。在老年人复杂性肱骨干中下段骨折中，骨折常累及髁间，并伴有粉碎性，由于老年人骨折愈合能力的减弱，肱骨中下段特殊的解剖的位置，此类骨折还具有复发性，影响骨折的正常的愈合，所以在治疗骨折时骨组织生物学特征的保护和软硬组织的保留对骨折愈合具有重要意义^[4]。锁定钢板是顺应符合BO理念新研发的一种内固定器械，在生物力学方面显著优于传统加压钢板，普通钢板是通过螺钉压在表面骨组织表面，依靠骨与钢板间的摩擦力来固位，随着负荷的增加及两者间的相对移位，螺丝逐渐松弛，使得钢板与骨之间间隙增宽，摩擦力减小，继而可能发生骨折断端间的相互移位，影响愈合^[5]。在老年患者中，由于骨质疏松，骨折的牢固固定更难以维持。与此同时，钢板的压迫，使得骨组织的血运受到影响^[6]。而锁定钢板采用外固定器原则，钢板与螺钉通过尾端螺纹结为一整体，钢板与螺钉之间能形成稳定角度，不需钢板与骨组织表面产生摩擦力来固位，从而两者之间可留间隙，保留骨膜及血运^[7]。因此也可认为锁定钢板是外固定器，但由于钢板与与骨间距离极短，位于皮内，所以可认为是皮下外固定器。为探究锁定钢板在骨折愈合生物力学方面的具体优势与影响，分别设计了普通加压钢板模型和锁定钢板模型，从而进行比较分析。

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材料方法

1.1 设计 生物力学实验。

1.2 时间及地点 于2013年12月至2015年12月在山东大学基础医学院实验室完成。

1.3 材料

1.3.1 尸体肱骨标本防腐老年人肱骨标本35对，男17对，女18对，平均死亡年龄73.1岁，经X射线检查，因既往骨折、病理、畸形等情况排除5对标本，剩30对。肱骨标本来源于泰安市中心医院，实验方法通过了医院医学伦理会的审核。

1.3.2 固定材料新型肱骨中下段解剖锁定钢板、螺钉及普通加压钢板均购自苏州海欧斯医疗器械有限公司。新型肱骨中下段解剖锁定钢板有肱骨体和髁突两部分，断面呈60°弧形设计，与肱骨中下段前缘解剖结构贴合，近端达三角肌转子上方3 cm左右，远端达冠状窝上方，并具有用于2.0 mm克氏针固定的两段凹槽(见图1)，使钢板位于肱骨干前正中，并增加了钢板在肱骨干骨折的应用范围^[8]。

1.4 方法

1.4.1 标本的准备采用HOLOGIC DISCOVERY A(S/N 80347)骨密度仪测量防腐老年肱骨标本骨密度，选取其中密度较高，质量较好的30对，随机选取每对中的一个肱骨为锁定钢板组，另一只为普通加压钢板组。锁定钢板组标本采用锁定钢板固定，普通加压钢板组标本采用普通10孔4.0 mm有限接触动力加压钢板固定。固定完成后，用电锯将所有标本的肱骨中下段截除0.5 mm的骨断，制成骨折断端(见图2)。并切除肱骨两端部分松质骨，用骨水泥将两端包埋固定，确保稳定。

1.4.2 力学模型的建立与测量对骨折断端进行清洗和预处理，保证应变的通畅与稳定性，并在断端和骨折处贴电阻应变片。在实验正式开始前，进行负荷预实验，以消除松弛和疲劳。将所有电子设备进行调试，确保正常运行。骨的应变由KG-101高精度光栅位移传感器测量，千分表监测。用特殊夹具将构件安装在万能材料试验机上^[9]。在生理情况下，人在做支撑和提物运动时，负荷一般为500 N，上举时为400-700 N，推拉时为300-650 N，而由于标本失去营养，脆性增加，当负荷为500 N时，已出现损害趋势，结合他人实验及相关文献，设定轴向负荷为500 N，弯曲负荷为7.5 N•m，扭转负荷为3 N•m以内^[10]。首先进行压缩实验，采用250 N/min，持续2 min，再进行正侧方向的弯曲实验，直到7.5 N•m；然后进行扭转实验，0.5 N•m/min加载至3 N•m^[11]。每个构件和肱骨标本分别进行压缩、弯曲、扭转负载试验。观察2组标本在相对应力作用下的位移和角度变化。

1.5 主要观察指标 压缩负载应变、弯曲载荷应变、扭矩应变以及负载位移均由KG-101高精度光栅位移传感器先行应力变化测量，再用统计学软件分析应变关系。

1.6 统计学分析 采用SPSS 18.0统计软件对实验所得数据进行分析，计量资料采取t 检验，以x(_)±s的形式对数据进行表示，P < 0.05代表差异有显著性意义。

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讨论

肱骨干中下段骨折是临床常见上肢骨折，由于其在全身所处位置，更易受到高能量的创伤^[12]。在老年人群中，随着年龄增大，骨质变得疏松伴行动迟缓，肱骨干中下段的骨折发生率较其他年龄阶段显著增高^[13]。目前临床常用骨折固定方法为普通加压钢板，依靠钢板与骨面间的摩擦力固位，压迫骨膜和周围软组织，影响血供，在老年人群中，更加影响骨折愈合^[14]。随着BO理念的盛行和实践，各种新型固定器械逐渐用于临床，疗效较好且具有代表性的是解剖锁定钢板，它主要通过螺钉尾部的螺纹与钢板密切结合形成一整体结构，可以通过螺钉稳定支持钢板，所以在钢板与骨面间允许一定间隙的存在，不影响骨膜和其他软组织的存活^[15]。并且随着微创手术的发展，钢板可经皮置入，显著缩短患者住院时间，并且减少患者手术的创伤，非常适用于老年人。锁定钢板除了以生物学上优势之外，还能提供稳定的固位与支持，减少骨折断端处的微动和移位，加速骨折愈合^[16-17]。为探索其具体作用机制及优势，文章着重比较了普通加压钢板和锁定钢板在不同加载方式下的应变和肱骨的相对位移，以期给临床实践带来参考依据和创新基础^[18-20]。

首先测量锁定钢板和普通加压钢板在100-500 N的压缩负载下的应变大小，结果显示，所有钢板的应变和负载均明显的呈线性变化关系，在100-500 N的加载下，锁定钢板的应变大小显著小于普通加压钢板，且P均<0.05，提示锁定钢板的抗压缩性能较普通加压钢板具有明显优势，其良好的生物学性能可有效满足临床需求，锁定钢板的螺丝固位角度稳定，在肱骨受力使，钢板相对位移可明显较小，且钢板与肱骨的接触为多点接触，能有效避免应力的集中分布，明显减少应力集中带来的局部位移过度或应力负荷过大。

同样，在1.5-7.5 N•m弯曲负荷下及0.6-3.0 N•m扭转负荷下，锁定钢板组的应变也显著小于普通加压钢板的应变，且P均<0.05，提示锁定钢板具有一定的抗扭转和防旋能力，这对于需要经常承受自身旋转力和剪切应力的肱骨来说具有重要意义，锁定钢板的固定属于动力型固定，可在有效维持骨折段固定的最低限度上，有效保障良好的力学形态与环境，使骨折段既能受到有效应力促进新股生长，又能避免过度的微动刺激。以上数据表明，锁定钢板弹性模量比普通加压钢板小，不论在何种力的加载方式下，其应变均显著小于普通加压钢板，在骨折端的力学稳固方面，更具优势^[21-22]。相比应力和应变的关系，骨折断端处的相对位移对骨折的愈合更具有直接意义，在一定范围内的有效相对位移可帮助刺激新骨的生成，但超过微动范围之外的相对位移经明显影响骨折断端的新生骨愈合，更有甚至会引起断端的炎性反应，严重影响患者的预后质量^[23]。肱骨标本在100-500 N的压缩负载下均存在2 mm的合理微动，锁定钢板组在500 N的负载下，其最大位移仅为(1.30± 0.09) mm，显著小于普通加压钢板组的(1.92±0.12) mm，说明锁定钢板组的肱骨标本可承受较大的轴向负载。

在临床康复训练中，主要会有屈及伸训练，为达到效果，有时加载的力可能会超出生理范围，故在本次研究中，在弯曲负荷试验中，采取较大的弯曲负载范围1.5-7.5 N•m。锁定钢板组的标本在最大负载力7.5 N•m时位移为(2.27±0.15) mm，也显著高于普通加压钢板组的(2.58±0.21) mm，此时骨折断端处开始出现较为明显的位移和不稳定，但纵观整个实验，锁定钢板组在6 N•m以内的加载力下，其位移均小于生理可接受的2 mm动度。在一般的康复训练和日常生活当中，最大生理弯矩为5 N•m，所以锁定钢板在弯矩负载时提供的稳固性能完全能满足临床和日常需要^[24-26]。由于肱骨是非轴向受力骨，在机体的日常生活中主要以旋转或弯曲的方式发挥生理作用，因此锁定钢板为肱骨骨折提供的有效抗旋转能力对满足肱骨骨折患者的日常生活具有重要意义^[27-29]。在扭转负载试验中，在1.8 N•m负载例之前，扭转与位移呈正相关关系，而在>1.8 N•m时，呈曲线关系，且锁定钢板组的平均位移显著小于普通加压钢板组(P < 0.05)，提示锁定钢板具有良好的生物力学稳定性和生物相容性，可有效抵抗机体在生理动度范围内的旋转力，保障日常活动、作息的顺利进行，且在某些旋转力突增的情况下，锁定钢板也能提供有效的生物力学稳定性，减少过度旋转力负荷带来的不良损害^[30-32]。此实验表明锁定钢板具有良好的抗扭转性能，并当扭转力达到一定时，其相对位移并不会呈直线增加，而是趋于平稳，说明在生理范围内，能承受较大的扭转力^[33-34]。

以上数据表明，从多方面来讲，锁定钢板都具有较普通加压钢板更好的生物力学性能，完全能满足康复和日常生活的需要^[35-37]。锁定钢板增加了固定的稳定性，有助于修复骨质疏松及粉碎性或者复发性、多发性等复杂骨折，用一块锁定钢板即可达到稳固效果^[38-40]。但在此实验中，采用的是防腐标本，虽与真实情况接近，但仍难完全模拟体内情况，并且未进行疲劳实验等，具有一定局限性，在下一步实验进展中，拟采用有限元分析法进行进一步验证。

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