改进型耻骨联合分离记忆合金内固定器的生物力学特征

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2908

中国组织工程研究 ›› 2020, Vol. 24 ›› Issue (36): 5764-5767.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2908

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改进型耻骨联合分离记忆合金内固定器的生物力学特征

周君，宫玉锁，李盛华，朱艳国

甘肃省中医院，甘肃省兰州市 730050

收稿日期:2020-02-10 修回日期:2020-02-15 接受日期:2020-04-03 出版日期:2020-12-28 发布日期:2020-10-27
通讯作者: 周君，主治医师，甘肃省中医院，甘肃省兰州市 730050
作者简介:周君，男，1981年生，甘肃省环县人，汉族，硕士，主治医师，主要从事复杂骨与关节疾病及骨髓炎中西医治疗方面的研究。
基金资助:
兰州市科技局人才创新创业项目(2017-RC-58)

Biomechanical characteristics of the modified memory alloy internal fixator for separation of pubic symphysis

Zhou Jun, Gong Yusuo, Li Shenghua, Zhu Yanguo

Gansu Provincial Hospital of TCM, Lanzhou 730050, Gansu Province, China

Received:2020-02-10 Revised:2020-02-15 Accepted:2020-04-03 Online:2020-12-28 Published:2020-10-27
Contact: Zhou Jun, Attending physician, Gansu Provincial Hospital of TCM, Lanzhou 730050, Gansu Province, China
About author:Zhou Jun, Master, Attending physician, Gansu Provincial Hospital of TCM, Lanzhou 730050, Gansu Province, China
Supported by:
the Talent Innovation and Entrepreneurship Project of Lanzhou Science and Technology Bureau, No. 2017-RC-58

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

形状记忆合金：是一种在加热升温后能完全消除其在较低温度下发生的变形，恢复其变形前原始形状的合金材料，即拥有记忆效应的合金。形状记忆合金之所以具有变形恢复能力，是因为变形过程中材料内部发生的热弹性马氏体相变。目前常用的记忆合金为镍-钛合金。形状记忆合金在生物工程、医药、能源和自动化等方面也都有广阔的应用前景。

耻骨联合分离：指骨盆前方两侧耻骨纤维软骨联合处，因外力而发生微小的错移，当分离≥2.5 cm时，临床常表现为耻骨联合处疼痛，有明显压痛，不能下地负重行走，患肢外展及跨步困难，骨盆挤压分离试验阳性。如果处理不当或不及时，大多数情况可能会遗留耻骨联合功能性疼痛或严重影响骨盆生物力学性能。

背景：记忆合金自身具有独特形状记忆性能及良好的组织相容性，目前被制作成各种内固定器广泛用于微动关节及骨折部位的手术治疗。

目的：探究改进型耻骨联合分离记忆合金内固定器的生物力学特性。

方法：取10具成人骨盆标本，建立耻骨联合分离损伤模型，随机分2组固定：观察组复位后以改进型耻骨联合分离记忆合金内固定器固定，对照组复位后以动力加压钢板固定，采用万能生物材料试验机进行生物力学测试，记录耻骨联合水平、前后与垂直方向的相对位移。

结果与结论：①两组模型均无松动及内固定断裂；②不同载荷下观察组水平方向的位移均小于对照组(P < 0.05)；③不同载荷下观察组前后方向的位移均小于对照组(P < 0.05)；④不同载荷下观察组垂直方向的位移均小于对照组(P < 0.05)；⑤结果表明，改进型耻骨联合分离记忆合金内固定器对抗水平及前后方向的拉力优于动力加压钢板，对抗垂直剪切力优于动力加压钢板。

ORCID: 0000-0002-5253-9353(周君)

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, 植入物, 内固定, 记忆合金, 固定, 钢板, 力学, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: The memory alloy itself has unique shape memory properties and excellent histocompatibility, which is currently made into various internal fixators widely for the surgical treatment of the fretting joint and the fracture site.

OBJECTIVE: To investigate the biomechanical characteristics of the modified memory alloy internal fixator for separation of pubic symphysis.

METHODS: Models of pubic symphysis separation injury were established in 10 pelvic specimens and randomly divided into two groups for fixation. Models in the observation group were fixed with the modified memory alloy internal fixator for separation of pubic symphysis after reduction. The models in the control group were fixed with dynamic compression plate after reduction. A universal biomaterial testing machine was used for biomechanical testing. The horizontal, anteroposterior and vertical displacements of the pubic symphysis were recorded.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) There was no loosening or fracture of internal fixation in both groups. (2) The horizontal displacement of the observation group was smaller than that of the control group under different loads (P < 0.05). (3) The anteroposterior displacement of the observation group was smaller than that of the control group under different loads (P < 0.05). (4) The vertical displacement of the observation group was smaller than that of the control group under different loads (P < 0.05). (5) The experimental results show that the tensile force of the modified memory alloy internal fixator for separation of pubic symphysis against horizontal and anteroposterior directions is better than that against dynamic compression plate, which resistance to vertical shear force is better than that of dynamic compression plate.

Key words: bone, implants, internal fixation, memory alloy, fixation, steel plate, mechanics, biomechanics

中图分类号:

周君, 宫玉锁, 李盛华, 朱艳国. 改进型耻骨联合分离记忆合金内固定器的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2020, 24(36): 5764-5767.

Zhou Jun, Gong Yusuo, Li Shenghua, Zhu Yanguo. Biomechanical characteristics of the modified memory alloy internal fixator for separation of pubic symphysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2020, 24(36): 5764-5767.

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引言

材料方法

1.1 设计对比观察实验。

1.2 时间及地点实验于2019年3至9月在兰州大学医学院解剖教研室与兰州西脉记忆合金股份有限责任公司力学测试中心完成。

1.3 材料

1.3.1 尸体骨盆标本成人防腐尸体骨盆10具，其中男7具，女3具，由兰州大学医学院解剖教研室提供，年龄39-68岁，平均49.6岁。标本自L₄_-₅水平直至双侧股骨1/3处切断，切断双侧骶髂关节及韧带结构、双侧髋关节及韧带结构、双侧骶棘韧带和双侧骶结节韧带，切断耻骨联合周围韧带及耻骨联合间盘。分离耻骨联合>2.5 cm。造模成功后用甲醛浸泡，并依次编号。

1.3.2 内固定材料及实验配套器械 3.5 mm动力加压钢板与配套螺钉，购自强生上海医疗器械有限公司；改进型耻骨联合分离记忆合金内固定器，购自兰州西脉记忆合金股份有限责任公司，见表1。

1.3.3 主要试剂与仪器万能生物材料试验机(日本岛津公司AG-ISM20kN型)；高清位移摄像装置(兰州西脉记忆合金股份有限责任公司提供)及配套数据分析软件；义齿基托树脂(Ⅱ型，上海新世纪齿科材料有限公司)。

1.4 方法 L_4、5椎体及双侧股骨用义齿基托树脂包埋，凝固成形；安装于义齿基托树脂约15°角底座。髂骨缘穿过数根直径1.2 mm钢丝固定于可调节螺栓上。使双侧髂前上棘与耻骨联合处于同一冠状平面，固定于生物材料试验机上，安装调节测试装置。先进行预加载消除蠕变。双侧包埋的股骨安装在15°角底座上，链接的钢丝螺栓对抗骨盆偏移，使两侧髂前上棘与耻骨联合处于同一冠状平面且垂直于地面。用随机数字表法分2组，每组5具标本：对照组复位钳复位耻骨联合，4孔动态加压钢板耻骨联合上方固定，逐渐匀速加载负荷记录耻骨联合相对位移(共加载6次)；观察组复位钳复位耻骨联合，将改进型耻骨联合分离记忆合金内固定器呈T型结构的主板和侧板在冰盐水中撑开后，主板贴敷耻骨联合表面，侧板贴敷耻骨上支。将位于侧板两侧的两组固定棘齿和主板下缘的复位拉钩热盐水热敷，使其恢复形状并加压固定。逐渐匀速加载负荷记录耻骨联合相对位移(共加载6次)。从100 N开始，加载6次，结合预实验结果选择双足站立位最大加载负荷600 N。观察耻骨联合不同固定方式后耻骨联合水平、前后、垂直方向的相对位移^[4-6]。位移图像经互相垂直的摄像头分别采集，得到耻骨联合的三维位移情况，经数据分析软件测量、换算得出耻骨联合水平、前后、垂直方向相对位移数据(兰州西脉记忆合金股份有限公司力学测试中心协助完成，精度0.001 mm)。实验结束，检查标本有无损伤及固定器有无松动。

1.5 主要观察指标两组标本耻骨联合水平、前后与垂直方向的相对位移。

1.6 统计学分析采用SPSS 22.0统计软件进行统计分析，计量资料用x(_)±s表示，组内进行重复测量的方差分析，组间采用t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

高能量外力作用会引起骨盆前、后环损伤，继而出现骨盆不稳定、骨折移位。骨盆后环区域为人体承重“中转站”，其结构完整性作为保障患者直立、行走的重要前提，占骨盆稳定性的60%，前环占骨盆稳定性的30%-40%^[7]，所以在骨盆前环受到高能量损伤时首先发生断裂，进而影响后环的稳定性及位移程度^[8-9]。单纯耻骨联合分离仅需固定前环，内固定比外固定具有更好的生物力学稳定性^[10]。

钢板螺钉固定作为耻骨联合分离常用固定方式^[11-15]。随着微创技术及影像透视技术的发展，骨盆骨折手术开始向着微创化方向发展，包括经皮闭合复位空心螺钉和经皮闭合复位骨盆前侧内固定架固定等。但是经皮手术操作通道狭窄，要求术者有较高的手术水平^[16-17]。当前耻骨联合生物力学研究报道多为单一方式载负荷测量位移变化，研究方法和内容比较单一，缺乏深入研究。

内固定由于应力集中易引起内固定断裂或松动。记忆合金自身具有独特的形状记忆性能及良好的组织相容性^[18-19]，目前被制作成各种内固定器广泛用于微动关节及骨折部位的手术治疗。同时研究显示，骨折断端记忆合金固定能自动持续加压，使骨折端获得足够稳定性^[20-22]。

实验结果显示随加载负荷增加，模型耻骨联合间隙随之增宽，即耻骨联合分离位移与加载负荷呈正相关。结合预实验结果选择双足站立位最大加载负荷600 N，模拟不同内固定物生理状态下的检测。

作者研发的改进型耻骨联合分离记忆合金内固定器主板下缘复位拉钩，将闭口内缘拉紧复位，提供了耻骨联合最大的复位作用，对抗耻骨联合分离水平及前后方向的位移。同时侧板紧贴耻骨上支上方固定，类似张力带作用，对抗上下方向的剪切应力。由于镍钛合金的记忆效应，其制备的钢板与骨面贴敷比动力加压钢板更加紧密，从而比动力加压钢板具有更好的对抗水平、前后、上下方向位移作用。

该课题所采用的尸体标本全部为防腐标本，防腐标本与新鲜骨盆标本在力学特性上有所不同，而且甲醛浸泡尸体标本会造成骨密度下降，骨的弹性增加，从而对实验结果产生影响；该实验标本样本量偏小，模型标本多次力学测试对实验结果造成一定的影响，因此有必要加载三维有限元研究，更能模拟耻骨联合周围的生理情况，以便取得更符合实际生理情况的数据。

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

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