股骨转子间骨折：三角支架式锁定钢板的设计及生物力学评价

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2015.39.025

摘要/Abstract

摘要：

背景：股骨近端锁定加压钢板在设计上还存在缺陷问题，因此课题组在股骨近端锁定加压钢板的基础上，自行设计出超短力臂三角支架式锁定钢板(专利号：201220051751.2)。
目的：设计制作超短力臂三角支架式锁定钢板，分析其生物力学性能。
方法：将股骨近端锁定加压钢板近端2枚螺钉在股骨颈内形成支撑，自行设计出超短力臂三角支架式锁定钢板。取成人新鲜股骨标本5对，制作AO分型A3.1型转子间骨折(逆转子间骨折)模型，选择右侧为实验组，采用三角支架式锁定钢板固定；左侧为对照组，采用股骨近端锁定加压钢板固定。检测钢板近端螺钉孔应力分布、骨断端应力分布、骨折端张开角度及最大载荷等。
结果与结论：①钢板近端螺钉应力分布：实验组近端4枚螺钉应力分布较为平均，且形成三角桁架2枚螺钉应力分布接近；对照组近端4枚螺钉应力分布不平均，近端螺钉承受应力较大，大于实验组(P < 0.05)。②骨断端的张开角度：实验组不同载荷下的张开角度明显小于对照组(P < 0.05)。③最大载荷：实验组能够承受的最大载荷高于对照组(P < 0.05)，且两组破坏位置不同，实验组固定更合理。表明超短力臂三角支架式锁定钢板的各项生物力学性能优于股骨近端锁定加压钢板，固定可靠，可有效减少或避免钢板近端螺钉断裂、髋内翻等并发症。

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, 三角支架式锁定钢板, 超短力臂, 股骨转子间骨折, 生物力学

Abstract:

BACKGROUND: The design of proximal femoral locking compression plate existed defects. Therefore, our team designed triangle truss locking plate with hyper-short arm according to proximal femoral locking compression plate (patent No. 201220051751.2).
OBJECTIVE: To design and make triangle truss locking plate and evaluate its biomechanical properties.
METHODS: Triangle truss locking plate with hyper-short arm was designed based on the support of two proximal screws of proximal femoral locking compression plate. Five pairs of fresh adult femur specimens were prepared, and the model of A3.1 (AO classification) reverse intertrochanteric fracture was established. Experimental group (right side) was fixed with triangle truss locking plate. Control group (left side) was fixed with proximal femoral locking compression plate. Stress distribution of the screws of proximal end of the plate, stress distribution of the fracture ends, the opening angle of fracture, and maximum load were detected.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Stress distribution of the four screws of the proximal femoral locking compression plate was average in the experimental group, and the stress distribution of the two screws of triangle truss locking plate was close. Stress distribution of the four screws was not average in the control group. The proximal screw bearing stress was bigger in the control group than in the experimental group (P < 0.05). (2) Open angle under different loads were significantly smaller in the experimental group than in the control group (P < 0.05). (3) Maximum load was higher in the experimental group than in the control group (P < 0.05). Moreover, the position of damage was different between the two groups. The fixation in the experimental group was reasonable. These findings suggest that various biomechanic properties of the triangle truss locking plate with hyper-short arm were better than that of proximal femoral locking compression plate. Its fixation was reliable. Triangle truss locking plate could effectively reduce or avoid breakage of the plate and screw or coxa vara.

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: Hip Fractures, Biomechanics

中图分类号:

R318

苗旭漫，左浩，姚树智. 股骨转子间骨折：三角支架式锁定钢板的设计及生物力学评价[J]. 中国组织工程研究, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2015.39.025.

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图/表（结果） 3

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引言

材料方法

1.1 设计对照观察实验。
1.2 时间及地点于2014年3至9月在解放军第208医院完成。
1.3 材料取成人新鲜尸体股骨标本5对(购自吉林大学解剖教研室)，处理并确认骨质无缺损及破坏，标本制作处理均在解放军第208医院骨科中心实验室完成，制作过程中尸体骨均保存在解放军第208医院骨科中心实验室超低温冰箱内；股骨近端锁定加压钢板(北京贝思达公司)；应变片(型号：BX120-1AA-1×1)(浙江黄岩测试仪器厂)。
实验器材及实验室情况：生物力学实验测试部分在吉林大学生物力学实验室进行，测试在CRIMS-DDL00电子万能实验机(吉林大学生物力学实验室)上完成，使用YJ-4501A型静态数字电阻应变仪(吉林大学生物力学实验室)记录数据。
1.4 实验方法
标本的实验力学模型制作：以线锯将股骨近端造成转子间骨折AO分型A3.1型骨折(逆转子间骨折)，骨折线与水平线成45°角，平均骨折线长7 cm，将股骨远端包埋于牙托粉，使股骨力线与垂线成20°角(正常人生理角度)，包埋后股骨上端长度平均为40 cm^[11]。在钢板近端4个钉孔压力侧贴应变片，骨折线两侧沿骨折线对应贴应变片，应变片与骨折端垂直距离均为5 mm，连接接线端子及导线(图1)。

超短力臂三角支架式锁定钢板结构：三角支架式锁定钢板是在股骨近端锁定加压钢板基础上研制而成，即通过改造股骨近端锁定加压钢板近端螺孔，将螺钉1，3(图2)在股骨颈内形成支撑，缩短力臂，主钉1直径9 mm，支撑钉3直径6 mm，2枚螺钉与钢板锁定后成固定夹角，因此股骨颈内2枚螺钉交角固定，确保2枚螺钉在股骨颈内形成支撑。其余2枚近端螺钉及远端螺钉与股骨近端锁定加压钢板近端锁定通用。在临床应用中，如因铸造工艺问题而出现1号主螺钉置入角度细微误差，3号支撑螺钉可任意调整长短，避免出现“打架”现象。

超短力臂三角支架式锁定钢板的设计原理：三角支架式锁定钢板在股骨近端锁定钢板基础上研制。充分考虑颈干角变化个体差异，通过调整钢板即可确保将主锁钉及支撑钉打入股骨颈内，前端在股骨颈内咬合支撑，尾端与钢板锁定，形成超短力矩三角桁架式结构，为所有内固定中力臂最短(图3)。力矩=力臂×力^[12]，在这一力学依据下，三角桁架型结构能够保证各受力点均匀受力，局部承受应力不易超过钢板及螺钉的屈服强度，从而减少钢板及螺钉断裂情况。

实验分组及不同力学环境处理：实验以同具尸体成对股骨相互对照造模，选择右侧用三角支架式锁定钢板固定，作为实验组；左侧用股骨近端锁定钢板固定，作为对照组。载荷模拟正常成人体质量范围，选择了以600 N(约60 kg)为中心左右共取7个载荷值。实验组与对照组均采取同样的实验方法、实验条件和加载负荷。
1.5 主要观察指标
钢板及骨断端的应力分布情况：载荷匀速(1 mm/s)由 0 N逐渐增至1 200 N，读取应变值，每一个试件加载3次，读取数据，去掉离群值，以x±s记录结果，再将5个试件的实验结果取平均值即可求出实验组和对照组各个载荷状态下的应变值。从骨折端的应变值计算出骨折端的应力分布。
张开角度的测量：载荷加至100，200，400，600，800，1 000，1 200 N时，采用高速摄影机对骨折张力侧张开角度进行影像记录，并通过动态图演示对比测量及比较张开角度。
最大载荷测量：当应变及张开角度等线性数据处理完毕后，加快力学实验机载荷速度，直至内固定失效，骨质破坏、载荷无法增加，读取最大载荷数值。
1.6 统计学分析以SPSS 19.0软件进行t 检验分析的统计学处理，对实验所得实验组和对照组数据进行比较，观察两组数据差异有无显著性意义。

讨论

目前股骨近端外侧壁是否完整在股骨转子间骨折治疗中越来越受到重视^[13-15]。Gofried^[16]最早提出了股骨近端外侧壁概念，认为外侧壁是否完整，对股骨转子间骨折内固定的成败起着关键作用。Palm等^[17]对动力髋螺钉治疗股骨转子间骨折214例患者进行了分析，有31例发生外侧壁骨折，术后6个月再手术率是外侧壁完整者的8倍。陈雁西等^[18]对102例应用防旋股骨近端髓内针治疗股骨转子间骨折伴或不伴有股骨近端外侧壁骨折的病例进行分析，发现防旋股骨近端髓内针治疗不稳定型股骨转子间骨折时，容易造成股骨近端外侧壁骨折或加重外侧壁损伤，导致手术失败或延长愈合，说明髓内固定并发症也较高。国外有学者认为，股骨近端锁定钢板有以下优势^[19]：①钢板与螺钉锁定形成框架结构，各螺钉均匀承担所受应力，减少了应力集中，对骨质的切割小，在疏松骨质内仍具相当好的把持力。②根据股骨近端解剖形态设计，具有角度稳定性，头端均为锁定孔，置入角度固定，提高了内固定物在松质骨中的把持能力和抗旋转能力。③符合生物固定(BO)原则，术中间接复位，不剥离骨膜，钢板与骨质有限接触，保护了股骨近端骨膜的血液循环，有利于骨折愈合，降低了并发症。Haidukewych等^[20]认为股骨近端锁定钢板适用于股骨近端所有类型骨折，可避免外展肌的损伤，有利于髋关节功能恢复，钢板和螺钉形成内固定支架，具有很强的几何整体稳定性。Saini等^[21]通过对35例应用股骨近端锁定加压钢板治疗股骨转子下粉碎骨折的患者进行跟踪随访，发现股骨近端锁定加压钢板生物固定在手术治疗股骨转子下粉碎骨折中，较髓内及传统髓外固定有明显优势，固定更为稳固，骨折愈合快，并发率较低。但在临床应用中仍有争议，仲飊等^[22]通过对53例应用股骨近端锁定加压钢板治疗股骨转子间骨折患者进行回顾性分析，发现其存在骨断端无滑动加压、力臂长、偏心受力、近端主螺钉与钢板结合处应力大、易折断等问题，需要骨折良好复位，不能早期负重。Wirtz等^[23]对19例应用股骨近端锁定加压钢板的股骨转子间骨折患者进行4年的跟踪随访，有7例出现钢板螺钉断裂、复位丢失，造成髋部疼痛等并发症，并提出股骨近端锁定加压钢板在临床中的应用仍需进一步评估。锁定钢板在外侧壁危险型骨折中进一步应用的前提和必要条件是改善其力学性能^[24-25]。
本实验研制的三角支架式锁定钢板，总结了临床应用中钢板螺钉断裂的经验教训^[26-27]，仔细分析了股骨近端骨折外侧壁受损时的力学特点^[28-29]，通过对股骨近端锁定加压钢板的改造，结合了结构力学中三角桁架稳定理论的设计理念^[30]。通过生物力学实验证明，三角支架式锁定钢板力矩更短，固定更合理。从实验结果中可以看到：①实验组中1、3号应变片测试位置为三角支架式锁定钢板形成三角支撑2枚螺钉受力侧，由测试数据得出，1、3号应变片承受应力较为平均，且均小于对照组(P < 0.05)。对照组股骨近端锁定加压钢板所承受最大应力部位为3号应变片，即钢板远近端移形处。临床应用中也往往在此处出现钢板断裂。股骨近端三角支架支撑固定方式能有效分散股骨近端所承受应力，防止出现应力集中于某一点，减少固定失效的可能性。②由骨断端应力分析看，实验组各受力点应力均小于对照组，尤其是7、8号应变片，代表内侧支撑结构受力。实验组7号应变片所受拉应力在载荷1 200 N时尚未达到最大值，而对照组7号应变片在1 000 N时已达到拉应力最大值，并随载荷增大逐步转变为压应力，开始对下方骨质形成压迫。证明实验组对于内侧支撑结构应力分散效应更加明显，在内侧支撑结构破损情况下，实验组所能承受的压应力更大。③张开角度测试中，实验组和对照组外侧张开角度均随载荷增大而增大，对照组增大幅度明显大于实验组，在载荷增大条件下，对照组和实验组张开角度之差呈逐渐增大的倾向。而张开角度越小骨折端的接触面积越大，骨折愈合越快。④实验组最大载荷数值大于对照组，提示实验组固定强度高于对照组。载荷超过固定强度后，对照组内侧骨质接触并承受较大应力，到达最大载荷后，对照组表现为股骨内侧支撑结构破损，从而固定失效。实验组由于形成三角桁架式支撑，内侧骨质受固定保护，到达最大载荷后表现为钢板近端螺钉周围骨质断裂。在外侧壁相同条件下，对照组力臂较长，固定的稳定程度依赖于内侧结构的稳定程度和支撑作用。进一步证明了股骨近端锁定加压钢板偏心受力，力臂长，对股骨近端内侧结构要求高，在患者早期负重情况下易出现钢板螺钉处应力集中，出现髋内翻等并发症。而实验组出现最大载荷后，表现为正常骨质部分碎裂，骨折断端骨质仍在钢板螺钉把持下保持相对稳定。证明三角支架式锁定钢板固定强度高，因力臂短，应力分散，故不依赖于内侧支撑结构完整即可达到良好固定效果。
以上数据证明，三角支架式锁定钢板超短力臂结构的设计符合生物力学原理，应力分散，固定强度高，适用于各类型骨折，患者可早期负重，能有效避免因应力集中出现的螺钉断裂、退出、固定失效等并发症，尤其是对于近端粉碎型转子间骨折，能够提供更稳定、更可靠的生物力学支持。