三种内外固定器械固定胫骨骨折的蠕变特性分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.48.009

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (48): 7206-7211.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.48.009

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三种内外固定器械固定胫骨骨折的蠕变特性分析

王刚¹，李新颖²，张树泉³，李亚军⁴

¹内蒙古民族大学附属医院骨科，内蒙古自治区通辽市 028000；²吉林大学中日联谊医院超声科，吉林省长春市 130031；³天津市南开医院骨科，天津市 300100；⁴吉林大学数学学院，吉林省长春市 130028

修回日期:2016-10-06 出版日期:2016-11-25 发布日期:2016-11-25
通讯作者: 张树泉，硕士，主治医师，天津市南开医院骨科，天津市 300100
作者简介:王刚，男，1980年生，内蒙古自治区通辽市人，汉族，2015年内蒙古民族大学毕业，硕士，主治医师，主要从事骨科临床与生物力学研究。
基金资助:
吉林省科技发展计划资助项目(20110492)

Creep characteristics of tibial fractures with three internal and external fixation devices

Wang Gang¹, Li Xin-ying², Zhang Shu-quan³, Li Ya-jun⁴

¹Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Inner Mongolia University for the Nationalities, Tongliao 028000, Inner Mongolia Autonomous Region, China; ²Department of Ultrasound, China Japan Union Hospital, Jilin University, Changchun 130031, Jilin Province, China; ³Department of Orthopedics, Tianjin Nankai Hospital, Tianjin 300100, China; ⁴School of Mathematics, Jilin University, Changchun 130028, Jilin Province, China

Revised:2016-10-06 Online:2016-11-25 Published:2016-11-25
Contact: Zhang Shu-quan, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, Tianjin Nankai Hospital, Tianjin 300100, China
About author:Wang Gang, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Inner Mongolia University for the Nationalities, Tongliao 028000, Inner Mongolia Autonomous Region, China
Supported by:
the Science and Technology Development Project of Jilin Province, No. 20110492

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

黏弹性：聚合物在加工过程中通常是从固体变为液体(熔融和流动)，再从液体变固体(冷却和硬化)，所以加工过程中聚合物在不同条件下会分别表现出固体和液体的性质，即表现出弹性和黏性。但是由于聚合物大分子的长链结构和大分子运动的特殊性质，聚合物的形变和流动不可能是纯弹性和纯黏性的，塑料对应力的响应兼有弹性固体和黏性流体的双重特性称黏弹性。黏弹性使塑料同时具有类似固体的特性(如弹性、强度、因次稳定性)和类似液体的特性(如随时间、温度、负荷大小和速率而变化的流动特性)。黏弹性材料不仅具有弹性，而且具有摩擦。当应力被移除后，一部分功被用于摩擦效应而被转化成热能，这一过程可用应力-应变曲线表示。

蠕变实验：测定金属材料在长时间的恒温和恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形现象的一种材料机械性能实验。温度越高或应力越大，蠕变现象越显著。蠕变可在单一应力(拉力、压力或扭力)，也可在复合应力下发生。通常的蠕变实验是在单向拉伸条件下进行的。蠕变极限是试样在规定的温度和规定的时间内产生的蠕变变形量或蠕变速度不超过规定值时的最大恒应力。

摘要

背景：模拟胫骨骨折分别以髓内钉、钢板、外固定支架进行固定后的蠕变力学特性罕见报道。

目的：分析3种内外固定器械固定胫骨骨折的蠕变特性，为临床提供生物力学参数。

方法：模拟胫骨骨折分别以髓内钉、钢板、外固定支架进行固定，在电子万能试验机上对3组标本进行轴向压缩蠕变实验。

结果与结论：髓内钉固定组7 200 s蠕变量为0.22%，钢板固定组7 200 s蠕变量为0.34%，外固定支架组7 200 s蠕变量为0.42%。外固定支架固定组7 200 s蠕变量大于钢板固定组和髓内钉固定组(P < 0.05)，钢板固定组7 200 s蠕变量大于髓内钉固定组(P < 0.05)。结果表明外固定支架、钢板固定、髓内钉固定股骨的蠕变特性均发生了改变，但改变程度不同。

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: 0000-0003-3989-0250(张树泉)

关键词: 骨科植入物, 骨植入物, 外固定支架, 髓内钉, 钢板, 蠕变, 胫骨骨折

Abstract:

BACKGROUND: The creep mechanical properties of tibial fractures after fixation with intramedullary nails, steel plates and external fixation support are rarely reported.

OBJECTIVE: To analyze the creep characteristics of tibial fractures with three internal and external fixation devices to provide biomechanical parameters for the clinic.

METHODS: We simulated tibial fractures with intramedullary nails, steel plates, and external fixator. We performed axial compression creep tests on three sets of specimens on the electronic universal testing machine.

RESULTS AND CONCLUSION: The creep variables of intramedullary nail fixation group were 0.22%, and the creep variables of steel plate fixation group were 0.34% in 7 200 s. In the external fixation group, creep variables were 0.42% in 7 200 s. The creep variables were larger in the external fixation group than in the plate fixation and intramedullary nail fixation groups at 7 200 s (P < 0.05). The creep deformation was greater in the plate fixation group than that of intramedullary nail fixation group in 7 200 s (P < 0.05). The results suggested that creep characteristics of the external fixation, plate fixation and intramedullary nail fixation were all changed, but the changes were different.

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: Tibial Fractures, External Fixators, Internal Fixators, Fracture Fixation, Intramedullary, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

王刚，李新颖，张树泉，李亚军. 三种内外固定器械固定胫骨骨折的蠕变特性分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(48): 7206-7211.

Wang Gang, Li Xin-ying, Zhang Shu-quan, Li Ya-jun. Creep characteristics of tibial fractures with three internal and external fixation devices[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(48): 7206-7211.

图/表（结果） 3

参考文献

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引言

胫骨位于双侧小腿的内侧，对支持体质量起重要作用，为小腿骨中主要承重骨，所以胫骨极易发生骨折^[1]。胫骨骨折发生率约占全身骨折发生率的10%^[2]。胫骨骨折内外固定方法和内外固定器械的研究是国内外学者们研究的重要课题。国内外学者们对胫骨等管状骨骨折的治疗等进行了大量的研究^[3-10]，楚万忠等^[11]对比分析了经皮锁定钛板、外固定架、交锁髓内钉3种方法治疗胫骨远端骨折的效果，结果显示3组踝关节功能差异有显著性意义(P < 0.05)，并认为交锁髓内钉适用于踝平面5 cm以上的A型骨折尤其是有局部软组织损伤者，外固定架对于合并严重软组织损伤的胫骨远端骨折有独到的优势，经皮锁定钛板适用于局部软组织条件较好的复杂胫骨远端骨折。魏任远^[12]对比分析了微创经皮钢板和切开复位内固定对胫骨中下段骨折的疗效，27例切开组患者接受切开复位钢板固定方法治疗，27例微创组患者用微创经皮钢板内固定治疗，两组手术时间比较差异无显著性意义(P > 0.05)，微创组患者术中出血量明显少于切开组，术后骨折愈合时间明显短于切开组，差异有显著性意义(P < 0.05)，微创组Johner-Wruhs分级优良率明显高于切开组，差异有显著性意义(P < 0.05)，提示微创经皮钢板内固定法符合生物力学原理，保护骨折局部血运，是治疗胫骨中下段骨折的理想方法。陈科杰^[13]对52例胫骨中下段闭合性骨折患者按治疗方法的不同分为微创经皮锁定加压钢板内固定术治疗组26例，传统切开复位解剖钢板内固定术治疗组26例，得出了微创经皮锁定加压钢板内固定治疗胫骨中下段闭合性骨折符合生物及力学原理，可最大限度减少骨折端血供的破坏，保护皮肤软组织，促进骨折愈合的结论。

胫骨等管状骨骨折内、外固定生物力学研究已有一些报道^[14-16]，吴志峰等^[14]模拟胫骨骨折分别以外固定支架、钢板、髓内钉进行固定，在自动控制电子万能试验机上对股骨标本进行轴向压缩应力松弛实验，得出了外固定支架固定、钢板固定、髓内钉固定后对股骨的应力松弛特性影响基本一致的结论。黄俊武等^[15]通过力学实验证明单侧外固定支架固定后应力遮挡较小，抗弯曲力学性能和抗压缩力学性能较有限接触加压接骨板固定差，单侧外固定支架加用有限内固定后抗变形能力与有限接触加压接骨板固定接近。

内、外固定器械固定股骨颈骨折模型的生物力学实验多以压缩、弯曲、扭转检测居多^[14-16]。胫骨和其他骨和软组织一样，为生物黏弹性固体材料，骨折内固定后，骨的蠕变特性是否受到影响是临床需要了解的问题。鉴于此，作者设计了一组实验，复制DAT分类A1型骨折模型，分别以轴向控制髓内锁钉、钢板、外固定支架固定后进行蠕变实验，对3种固定器械固定胫骨骨折的蠕变特性进行对比分析，旨在为临床股骨颈骨折的治疗提供蠕变特性基础。

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材料方法

1.1 设计 体外对比分析实验。

1.2 时间及地点 于2012年5至12月在吉林大学力学实验中心完成。

1.3 材料

1.3.1 胫骨标本与分组新鲜尸体胫骨9对，均为男性，年龄22-30岁，由白求恩医科大学解剖教研室提供。9对尸体胫骨随机分为胫骨轴向控制髓内钉固定组、接骨板固定组，外固定支架固定组。

1.3.2 内外固定器械胫骨外固定支架(北京津威乐达医疗器械有限公司生产)；胫骨接骨板(钢板)(常州华森医疗器械有限公司生产)；胫骨轴向控制髓内钉(上海浦卫医疗器械厂生产)。

1.4 方法

1.4.1 DAT分类A1型骨折模型制作方法以线锯在胫骨中段锯开，制成DAT分类A1型骨折模型，分别以胫骨轴向控制髓内锁钉、钢板、外固定支架固定标本，标本两端以聚甲基丙烯酸甲酯(牙托粉)包埋。

1.4.2 三种固定器械固定胫骨骨折蠕变实验方法将各组胫骨标本分别置于美国MTS公司生产的电子万能试验机工作台上，按参考文献[17-19]的方法对各组胫骨标本进行预调处理后进行蠕变实验。试验机配有-30至200℃环境温箱，实验温度可自动调节。实验在(36.5±0.5)℃温度下对胫骨标本施加压缩应力，当外固定支架组应变达到0.46%，轴向动力性髓内钉固定组应变达到0.46%，接骨板组应变达到0.46%，外固定支架组应力达到2.81 MPa，轴向动力性髓内钉固定组应力达到2.92 MPa，接骨板固定组应力达到2.86 MPa时使应力保持恒定，应变随时间的增加不断上升，控制机器的计算机程序设定共采集100个蠕变数据，设定实验时间 7 200 s。蠕变实验达到7 200 s后，打印机自动打印出胫骨蠕变实验数据和曲线。

1.5 主要观察指标 应变数据和曲线，应变与时间的变化规律。
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讨论

实验结果表明，髓内钉固定组7 200 s蠕变量为0.22%，钢板组7 200 s蠕变量为0.34%。外固定支架组7 200是蠕变量为0.42%，外固定支架固定组7 200 s蠕变量大于钢板固定组和髓内钉固定组，差异有显著性意义(P < 0.05)，钢板固定组7 200 s蠕变量大于髓内钉固定组，差异有显著性意义(P < 0.05)。各组标本蠕变最初1 800 s变化较快，之后应变缓慢上升，达到7 200 s时蠕变曲线基本达到平衡，蠕变曲线是以指数关系变化的。蠕变最初1 800 s变化较快说明胫骨内的固有膨胀压小于局部压力，水分向外溢出的速度较快，随着胫骨内液不断溢出，其固有的膨胀压与局部压力差减小，因此后期曲线变化平缓，最后达到相对平衡。

骨的黏弹性蠕变特性主要取决于骨组织的水分、胶原蛋白等内液的含量和骨胶原纤维和弹性纤维的排列方向等。3种固定器内固定胫骨骨折都对固定部位造成损伤，使固定部位的水分等内液流失，但是髓内钉固定胫骨骨折需要将髓内钉固定于胫骨的髓腔内，使髓腔内的骨髓受到破坏，内液流失比钢板固定组、外固定支架固定组大，所以其7 200 s蠕变量小于钢板固定组、外固定支架固定组。

加压钢板目前已广泛应用于临床内固定胫骨骨折，普通钢板内固定具有操作简单、固定牢靠、术后可早期功能锻炼等优点，但钢板内固定胫骨骨折为偏心性固定，固定后产生弯距大，产生的应力遮挡大，从而导致骨质疏松。Uhthoff等^[20]用钢板固定狗胫骨，发现骨密度、钙含量、弯曲强度等均降低。

髓内钉是一种治疗胫骨骨折较好的生物学固定方法，具有手术操作简单、中轴固定、侧方不产生作用力的优势。带锁髓内钉主要通过髓腔固定，属于胫骨中轴线上，无力矩存在，所受的弯距几乎为零，并且髓内钉内固定能很好的承受轴向应力。髓内钉内固定既能维持一定的强度，又能保持骨折愈合所需的生理压力，刺激骨痂生长，符合骨折内固定原理：早期需坚强内固定，中后期肢体负重后则需弹性固定^[21]。但有些骨折内固定时需要扩展髓腔，这种情况会破坏髓内供血，影响骨折术后髓内血管及髓内膜的重建。扩大髓腔会使髓腔内压力增高，增加了脂肪栓塞的危险^[22]。

外固定支架固定胫骨骨折具有结构简单、操作简便、易于调整、骨折断端获得动态弹性外固定、创面及骨折端周围不留异物、不加重局部软组织损伤、不损伤骨折处骨膜和髓腔、能免除内置物固定后发生感染等特点。辛景义等^[23]应用混合式外固定器治疗22例软组织损伤严重的Gustilo Ⅱ、Ⅲ型开放性胫骨中下段骨折患者，并取得很好的疗效。Kumar等^[24]报道了Ilizarov外固定架治疗Gustilo Ⅲ B型开放性胫骨中下段骨折患者的效果明显。但外固定也存在固定时间长、应力不均、螺丝松动和钉口需要长期换药等缺点，易出现关节僵硬、肌肉萎缩、骨折移位、成角、畸形愈合等并发症，这都限制了外固定架的广泛应用^[25]。

关于胫骨内固定生物力学研究，罗先正等^[26]对髓内钉固定胫骨骨折进行生物力学实验，研究结果表明，髓内钉固定后抗弯曲刚度达到临床使用要求。周来喜等^[27]研究证明钢板弹性模量超过骨的弹性模量，钢板固定骨折后生理应力基本由内置物钢板承担，骨折端失去正常生理刺激，应力使被固定骨产生废用性骨质疏松。选用何种固定器固定胫骨骨折要根据骨折的部位、类型来选。胫骨骨折内固定须在满足强度和稳定性的前提下采用弹性固定，适当减少刚度，增加载荷分享，减少应力集中和应力遮挡效应，为固定部位创造一个良好的力学环境才有利于骨的再生和功能重建。

实验对比分析了3种固定器械固定胫骨骨折蠕变特性，为临床胫骨骨折的治疗提供了蠕变特性基础。由于人尸体标本的个体差异性和实验胫骨标本有限，使蠕变实验数据产生一定的离散性，但是对胫骨骨折的治疗还是有一定的参考价值。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

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