弹性钉结合尾帽和钢丝固定长斜形股骨干骨折的生物力学分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2965

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (3): 334-338.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2965

• 骨与关节生物力学Bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

弹性钉结合尾帽和钢丝固定长斜形股骨干骨折的生物力学分析

谭家昌1，袁振超1，吴振杰1，刘斌1，赵劲民2

1广西医科大学附属肿瘤医院，广西壮族自治区南宁市 530021； 2广西医科大学第一附属医院，广西壮族自治区南宁市 530021

收稿日期:2020-03-09 修回日期:2020-03-13 接受日期:2020-04-15 出版日期:2021-01-28 发布日期:2020-11-16
通讯作者: 赵劲民，博士生导师，主任医师，广西医科大学第一附属医院，广西壮族自治区南宁市 530021
作者简介:谭家昌，男，1979年生，广西壮族自治区贵港市人，汉族，2018广西医科大学毕业，博士，主任医师，主要从事骨肿瘤与微创骨科方面的研究。
基金资助:
广西高校中青年教师科研基础能力提升项目(2019KY0135)

Biomechanical analysis of elastic nail combined with end caps and wire fixation for long oblique femoral shaft fractures

Tan Jiachang1, Yuan Zhenchao1, Wu Zhenjie1, Liu Bin1, Zhao Jinmin2

1Affiliated Tumor Hospital, Guangxi Medical University, Nanning 530021, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China; 2First Affiliated Hospital, Guangxi Medical University, Nanning 530021, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China

Received:2020-03-09 Revised:2020-03-13 Accepted:2020-04-15 Online:2021-01-28 Published:2020-11-16
Contact: Zhao Jinmin, Doctoral supervisor, Chief physician, First Affiliated Hospital, Guangxi Medical University, Nanning 530021, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
About author:Tan Jiachang, MD, Chief physician, Affiliated Tumor Hospital, Guangxi Medical University, Nanning 530021, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China
Supported by:
the Project of Middle-aged and Young Teachers’ Basic Research Ability Improvement of Guangxi University, No. 2019KY0135

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
长度不稳定型骨折：SINK于2005年描述了长度不稳定型骨折，指粉碎性或长斜形、长螺旋型骨折，粉碎性骨折的骨折端粉碎或有一蝶形骨块，长斜形和长螺旋形骨折的骨折线长度超过骨折端直径的2倍。
弹性钉尾帽：为了解决稳定性不足的问题，国际内固定研究学会(AO)设计了一种空心螺纹尾帽用来锁定弹性钉，这种尾帽带自攻螺纹，在弹性钉钉尾旋入骨皮质内。尾帽可以在入钉口处阻止钉的退出，从而维持骨的长度并提高骨折区骨和内植物之间相互的稳定性。

背景：使用弹性钉治疗儿童不稳定型骨折或体质量较大的患儿，常出现短缩、成角或旋转畸形。
目的：对弹性钉结合尾帽或钢丝固定股骨长斜形骨折模型进行生物力学测试，为临床合理选用内固定方式提供力学理论依据。
方法：取8具小个子成人尸体股骨标本，标本从4位捐献者身上获得。建立股骨中段长斜形不稳定骨折模型，逆行插入2枚3.5 mm直径钛质弹性钉固定后，结合尾帽或钢丝捆扎，制成不同固定方式的骨折固定模型，A组为弹性髓内钉固定模型，B组为弹性髓内钉+钢丝固定模型，C组为弹性髓内钉+尾帽固定模型，D组为弹性髓内钉+钢丝+尾帽固定模型。行非破坏性的轴向压缩、四点弯曲和扭转测试，对刚度、位移和扭矩进行分析。
结果与结论：①与单纯弹性髓内钉固定(A组)相比，增加尾帽固定的构型(C组)在轴向压缩测试中，刚度较A组增加509%，位移减少74%(P < 0.01)；②辅助钢丝固定技术(B组)在矢状面弯曲测试时刚度更大(P < 0.01)，位移更小(P < 0.01)；在冠状面弯曲测试时刚度同样更大(P <0.01)，位移更小(P < 0.01)；扭转测试时刚度更大(P < 0.01)；而联合2种固定技术的D组在所有方向的测试中都可以显著改善结构刚度；③结果表明增加尾帽固定有助于增加长斜形骨折模型的轴向稳定性，辅助钢丝固定增加了扭转和弯曲载荷时结构的稳定性，上述结论可为临床治疗儿童不稳定型股骨干骨折选择内固定方法提供参考依据。
https://orcid.org/0000-0002-4171-2157 (谭家昌)

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, 股骨干, 骨折, 长斜形, 儿童, 位移, 生物力学, 载荷, 弹性钉, 尾帽

Abstract: BACKGROUND: The use of elastic nails to treat children with unstable fractures or heavier children often results in shortening, angular or rotational deformities.
OBJECTIVE: To provide a theoretical basis for internal fixation choice for femoral long oblique fracture by elastic nails combined with end caps or wire using biomechanical test.
METHODS: An identical length oblique midshaft fracture was created in eight small adult cadaveric femurs harvested from four donors. Two 3.5-mm titanium elastic nails were introduced intramedullary into all femur models. According to the different fracture fixations, all models were divided into four groups (group A: titanium elastic nail, group B: titanium elastic nail+wire, group C: titanium elastic nail+caps, group D: titanium elastic nail+wire+caps). Nondestructive axial compression, four-point bending and torsion tests were conducted. Stiffness, displacement and torque were analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) In the axial compression tests, stiffness was increased by 509% and displacement was decreased by 74% using the titanium elastic nail+cap combination compared with titanium elastic nail alone (group A) (P < 0.01). (2) The titanium elastic nail+wire combination (group B) showed larger stiffness (P < 0.01) and smaller displacement (P < 0.01) in the sagittal plane bending test; and as well as larger stiffness (P < 0.01) and smaller displacement (P < 0.01) in coronal plane bending test; and larger stiffness in torsion test (P < 0.01). The end caps with wire in group D improved the stiffness significantly in all directions. (3) The results have demonstrated that end caps fixation helps to increase the axial stability of the long oblique fracture model, and combined wire fixation increases the structural stability under torsional and bending loads, which provides a good reference for clinical treatment of children with unstable femoral shaft fractures.

Key words: bone, femoral shaft, fracture, long oblique, children, displacement, biomechanics, load, elastic nail, tail cap

中图分类号:

谭家昌, 袁振超, 吴振杰, 刘斌, 赵劲民. 弹性钉结合尾帽和钢丝固定长斜形股骨干骨折的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 334-338.

Tan Jiachang, Yuan Zhenchao, Wu Zhenjie, Liu Bin, Zhao Jinmin. Biomechanical analysis of elastic nail combined with end caps and wire fixation for long oblique femoral shaft fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(3): 334-338.

图/表（结果） 5

4组标本均顺利完成各项测试。单纯弹性钉固定(A)组作为经典的固定方式，因而作为参考标准。各标本使用非破坏性的轴向压缩、四点弯曲和扭转测试条件下得到的结果见表2。

在轴向压缩测试中，D组相比于A组短缩更少(P < 0.01)，刚度是A组的614%；与C组相比，差异无显著性意义。B组与A组相比，短缩和刚度均无明显差别(位移P=0.055，刚度P=0.053)。增加尾帽固定的构型减少了骨折间隙的短缩，增加了轴向压缩刚度，从而有利于增加长斜形骨折模型的轴向稳定性，见图3。

在矢状面四点弯曲测试中，C组和A组相比，刚度和位移结果都没有显著性意义(刚度P=0.064，位移P=0.069)，尾帽对四点弯曲载荷的结构稳定性改变不明显。D组和B组的平均刚度和位移，虽然两者差异不大，但与A组相比，差异均有显著性意义(刚度P < 0.01，位移P < 0.01)，见图4。

在冠状面四点弯曲测试中，D组和B组相比于A组，同样显示出更好的稳定性(刚度P < 0.01，位移P < 0.01)；而C组稳定性与A组相差不大。辅助钢丝固定的构型减少了弯曲载荷时骨折间隙的位移，增加了矢状面和冠状面的刚度，从而有利于增加长斜形骨折模型的弯曲稳定性，见图5。

在扭转测试中，只有D组模型承受住扭转最大20°位移，与A组相比差异有显著性意义(P < 0.01)；B组的扭转刚度与A组相比增加了92%，差异同样有显著性意义(P < 0.01)；而C组扭转稳定性与A组相差不大。辅助钢丝固定的构型有利于增加长斜形骨折模型的扭转稳定性，见图6。

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引言

材料方法

1.1 设计骨折模型生物力学实验。
1.2 时间及地点于2018年1月在南方医科大学医学生物力学重点实验室完成。
1.3 材料小个子成人尸体股骨成对标本4对，由南方医科大学解剖教研室提供。弹性钉及尾帽信息见表1。

1.4 实验方法
1.4.1 制作骨折模型和分组 SINK等[4]将骨折斜线长度超出骨折区直径的2倍定义为长度不稳定型骨折。长斜形骨折模型使用手动锯制作，从股骨中段内侧开始，沿骨干中轴20°方向向外侧皮质延伸，制作斜形中段骨折模型，两侧截面均应垂直于股骨干长轴，见图1。

由于儿童尸体骨很难得到，此次实验选用了矮小的成人尸体骨标本，以尽可能模拟儿童股骨的形态学特征，并在相同标本上进行不同固定模型的测试。根据使用的固定器械将标本分成4组，每组均为8具标本，其中A组为弹性髓内钉固定模型，B组为弹性髓内钉+钢丝固定模型，C组为弹性髓内钉+尾帽固定模型，D组为弹性髓内钉+钢丝+尾帽固定模型，见图2。

1.4.2 骨折固定安装所有髓内钉的置入由同一位儿童创伤骨科医师完成。弹性髓内钉直径为3.5 mm，根据Synthes操作指南，2枚弹性钉预弯成弧形，弹性钉顶点预弯高度为相管腔直径的3倍，入钉点在股骨最远端近侧5 cm的股骨髁上内外侧使用尖锥分别开口。插入弹性钉，逆行推进直到跨过小转子,获得方向相背且平衡的C形结构，剪除钉尾后旋入尾帽。将1.2 mm钢丝环形穿过骨折端，加固一圈后慢慢收紧钢丝。所有股骨模型使用X射线检查，确保钉的位置良好，并且没有标本损坏。随后对内植物模型进行非破坏性的轴向压缩、四点弯曲和扭转测试。
1.4.3 加载及测试方法关于弹性髓内钉固定股骨干骨折失效载荷的界定，至今尚无统一的标准[6-12，15]。此次实验采用移位大于10 mm、旋转大于20°或尾帽松脱作为判定固定失效的标准，每个标本进行5个循环的测试。预先使用20 N的轴向压缩载荷，确保标本和载荷固定物完全和可重复的接触。参照FLINCK等[6]的步态分析结果和作者早期的预实验，确保载荷能使标本产生适当的形变又不至于破坏标本，在轴向载荷测试中，使用的压缩载荷最大为500 N，频率为0.5 N/s；在两个弯曲测试时，最大载荷设定为100 N，速率0.1 mm/s；扭转测试最大扭矩设定为7.0 N•m，速率为0.3 (°)/s。4组标本按照A组→B组→C组→D组顺序，均进行轴向压缩、扭转、矢状面和冠状面的4点弯曲测试。记录标本在初始状态下轴向高度的载荷-位移数据，根据该数据计算出相应的压缩刚度值EF=P/∆L(P为轴向载荷，∆L为压缩位移)。根据计算机自动记录的载荷-位移数据，计算出标本的弯曲刚度值。
1.5 主要观察指标各组标本轴向压缩、冠状面、矢状面弯曲的载荷-位移值，扭力-扭转角度值，通过该数据计算对应的刚度值和扭矩。
1.6 统计学分析使用SPSS 18.0软件对数据进行统计学分析。数据以x±s表示，对每组中对应亚组中的差值总体进行正态性检验和方差齐性检验，采用配对t检验，统计检验水准设定为a=0.05，P < 0.05认为差异有显著性意义。

讨论

由于弹性钉手术的并发症往往较为轻微，而且易于操作，越来越多的骨科医师选择使用弹性钉治疗儿童股骨干骨折[18-19]。然而，对于不稳定型骨折和体质量较大的患儿，使用弹性钉治疗时，许多作者观察到难以接受的成角和旋转畸形[20-21]。RAPP等[22]使用弹性钉治疗31例股骨干骨折，其中13例是螺旋形骨折；8例患者因不可接受的内翻或短缩畸形需要再次手术，其中5例置钉良好，仅因为稳定性不足而手术。在LI等[23]进行的生物力学研究中发现，弹性钉理论上的体质量临界值为40-45 kg。因此，有学者认为使用弹性钉后出现骨折复位的丢失或者畸形愈合或许是由骨折类型结构的不稳定性和负重时内植物稳定性不够造成的[23-24]。
为了解决稳定性不足的问题，AO组织推荐在不稳定型儿童股骨干骨折的弹性钉治疗中辅助尾帽固定。RAPP等[22]认为尾帽首要的作用是通过阻塞弹性钉防止轴向位移，任何增加弯曲或旋转稳定的作用是可能带来的积极影响，并不是使用尾帽的主要目的。VOLPON等[7]对股骨远端骨折模型进行测试中发现，弹性钉结合尾帽组相比于单纯弹性钉固定在联合轴向弯曲测试时，刚度增加8.75%(P < 0.01)；扭转测试时刚度增加14%(P < 0.01)；而4点弯曲测试2组间差异并没有显著性意义。相反，KAISER等[25]使用青少年模型观察到，使用尾帽组在向前弯曲、内外翻和内旋测试时稳定性降低；在轴向压缩测试中，研究结果差异无显著性意义；他们认为钉尾和尾帽太紧密的接触可能导致骨折端轻微分离。此次研究结果与VOLPON等[7]的研究相一致，在尸体股骨标本上进行轴向压缩、弯曲和扭转载荷生物力学测试发现，使用尾帽后结构刚度更强，因此稳定性更好。从结构上说，尾帽可以防止钉尾在入钉点塌陷，从而减少弹性钉在管腔内的移动。随着载荷力的增加，弹性钉的弯曲造成其和髓腔接触面积增加，从而在两者之间提供更大的阻力，防止压缩载荷引起的短缩。尾帽系统的使用可能因此增加骨折固定的稳定性，另一个好处是尾帽可以保护软组织激惹，方便钉的移除。
根据模拟测试结果，结合钢丝固定有助于提高4点弯曲和扭转稳定性，虽然也增加了轴向压缩刚度，但2组间并没有明显差异，原因可能是钢丝捆绑复位增加了骨皮质的接触面积，有利于增加骨折端之间的摩擦力。FISHKIN等[26]在尸体上模拟股骨距劈裂，平均劈裂长度为7 cm，然后对股骨距劈裂进行钢丝环扎术，在1倍体质量负荷下，无论环扎方向及钢丝个数，均明显增加了固定的稳定性。GWYN等[13]在不同的骨折模型上测试了弹性钉复位后的扭转稳定性，扭转强度主要取决于旋转时骨折是开放还是闭合，闭合骨折类型有利于增加稳定强度；使用钢丝捆扎获得了骨折端理想的闭合和固定，因此增加了弹性钉构型的扭转稳定性。另外，在弯曲和扭转载荷逐渐增加时，钢丝在骨折端之间的捆绑约束作用，将弹性钉和骨之间的接触区域增加，从而增大了与内层皮质之间的阻力。
新鲜和防腐标本对组织的生物力学特性的影响是不同的，受实验条件的限制，研究中无法使用新鲜标本。此次研究使用矮小成人尸体骨标本模拟长斜形骨折，其髓腔直径大小和生物力学特性与青少年骨相似，使其成为测试弹性钉的合理选择。类似这样的标本与儿童研究的相关性并不清楚，但仍然缺乏可替代的方法。在此次研究中由于考虑到标本的重复使用，使用的测试应力比较小，尤其是4点弯曲载荷力，未能进行标本和固定系统的失效载荷测试。以上所述的不足之处，尚需在今后的研究中进一步改进。
综上所述，弹性髓内钉+钢丝+尾帽固定在生物力学测试中提供的稳定性最好，弹性髓内钉+尾帽固定可以有效减少骨折短缩风险，弹性髓内钉+钢丝固定增加了弯曲和扭转的稳定性，这将为临床治疗儿童不稳定型股骨干骨折选择内固定方法提供参考依据。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

弹性钉结合尾帽和钢丝固定长斜形股骨干骨折的生物力学分析

Biomechanical analysis of elastic nail combined with end caps and wire fixation for long oblique femoral shaft fractures

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