可灌注骨水泥动力髋螺钉内固定修复骨质疏松股骨转子间骨折的优势

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.26.011

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (26): 4158-4162.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.26.011

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可灌注骨水泥动力髋螺钉内固定修复骨质疏松股骨转子间骨折的优势

佘远时¹，陈广祥¹，陈广东¹，王以进²，邹天明¹

¹南京医科大学附属苏州医院，江苏省苏州市 215002；²上海生物力学工程研究所，上海市 200433

出版日期:2014-06-25 发布日期:2014-06-25
通讯作者: 陈广祥，主任医师，南京医科大学附属苏州医院，江苏省苏州市 215002
作者简介:佘远时，男，1979年生，江苏省南通市人，汉族，硕士，主治医师，主要从事脊柱外科研究。
基金资助:
苏州市科技局项目(SYSD2011059)

Advantages of cemented dynamic hip screw for osteoporotic intertrochanteric fracture

She Yuan-shi¹, Chen Guang-xiang¹, Chen Guang-dong¹, Wang Yi-jin², Zou Tian-ming¹

¹ Suzhou Hospital Affiliated to Nanjing Medical University, Suzhou 215002, Jiangsu Province, China; ²Shanghai Institute of Biomechanics Engineering, Shanghai 200433, China

Online:2014-06-25 Published:2014-06-25
Contact: Chen Guang-xiang, Chief physician, Suzhou Hospital Affiliated to Nanjing Medical University, Suzhou 215002, Jiangsu Province, China
About author:She Yuan-shi, Master, Attending physician, Suzhou Hospital Affiliated to Nanjing Medical University, Suzhou 215002, Jiangsu Province, China
Supported by:
the Science and Technology Bureau Project of Suzhou City in China, No. SYSD2011059

摘要/Abstract

摘要：

背景：动力髋螺钉内固定系统被认为是治疗股骨转子间骨折的经典方法，但髋螺钉切割股骨头后位置偏移是目前常见的力学失败，需要进行二次手术。
目的：在传统动力髋螺钉内固定系统的基础上，对髋螺钉部分进行改良，设计可灌注骨水泥动力髋螺钉内固定系统，探讨其治疗骨质疏松股骨转子间骨折的可行性及生物力学性能。
方法：取24具新鲜完整湿润的人骨质疏松髋部标本，测量骨密度，按标准制成AO31-A1型股骨转子间骨折模型，每份骨质疏松髋部标本，其中一侧置入可灌注骨水泥动力髋螺钉内固定系统作为实验组，另一侧置入传统动力髋螺钉内固定系统作为对照组，进行轴向压缩、扭转度及失效载荷生物力学测试，比较两者生物力学性能。
结果与结论：实验组应力强度、轴向刚度、水平剪切刚度高于对照组(P < 0.05)；当扭角为3°时，实验组扭矩高于对照组(P < 0.05)；实验组失效载荷高于对照组(P < 0.05)。表明可灌注骨水泥动力髋螺钉内固定系统治疗老年骨质疏松股骨转子间骨折，能有效增强髋螺钉的把持力，防止股骨头切割，其生物力学强度、刚度、抗疲劳性及稳定性均强于传统动力髋螺钉。

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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关键词: 植入物, 骨植入物, 可灌注动力髋螺钉, 骨水泥, 骨质疏松, 股骨转子间骨折

Abstract:

BACKGROUND: Dynamic hip screws have been considered as a classic method for intertrochanteric fracture. However, migration of the hip screw resulting in cut-out of the femoral head remains the most common mechanical failure, which requires secondary surgery.
OBJECTIVE: On the basis of the traditional dynamic hip screw, we modified the lag screw, designed new internal fixation system as cemented dynamic hip screws to explore the feasibility and the biomechanical properties for the treatment of osteoporotic intertrochanteric fracture.
METHODS: A total of 24 hip samples were harvested from fresh cadavers with osteoporosis. Bone density was measured. According to the standards, the specimens were made into intertrochanteric fracture models of AO31-A1 type. Of each specimen, one side implanted with cemented dynamic hip screws served as experimental group, and another side implanted with traditional dynamic hip screw served as control group. Axial compression, twisting and fatigue load biomechanics were tested. Their biomechanical functions were compared.
RESULTS AND CONCLUSION: Stress intensity, axial stiffness and horizontal shear stiffness were higher in the experimental group than in the control group (P < 0.05). At torsion angle of 3°, torsional moment was higher in the experimental group than in the control group (P < 0.05). Fatigue load was higher in the experimental group than in the control group (P < 0.05). Results suggested that cemented dynamic hip screw internal fixation system in the treatment of senile osteoporotic intertrochanteric fracture can effectively enhance the hip screw holding force and prevent femoral cutting. Biomechanical property, stiffness, endurance resistance and stability of cemented dynamic hip screw are better than traditional dynamic hip screw.

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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Key words: internal fixators, osteoporotic fractures, biomechanics

中图分类号:

R318

佘远时，陈广祥，陈广东，王以进，邹天明. 可灌注骨水泥动力髋螺钉内固定修复骨质疏松股骨转子间骨折的优势[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(26): 4158-4162.

She Yuan-shi, Chen Guang-xiang, Chen Guang-dong, Wang Yi-jin, Zou Tian-ming. Advantages of cemented dynamic hip screw for osteoporotic intertrochanteric fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(26): 4158-4162.

图/表（结果） 3

2.1 影像学检查 可灌注动力髋螺钉系统固定股骨转子间骨折，见骨水泥弥散于髋螺钉周围，使该可灌注动力髋螺钉系统提高其固定强度提供可能(图1)。

2.2 两组强度的比较 载荷1 200 N时，两组股骨转子间骨折内外侧的应力强度，实验组分别为(6.44±0.55)，(6.72± 0.57) MPa，对照组分别为(3.03±0.27)，(2.89±0.26) MPa，实验组比对照组分别高56%和57%，统计显示差异有显著性意义(t=3.378，P < 0.05)。

2.3 两组刚度的比较 分为股骨的轴向刚度和水平剪切刚度，实验组分别为(701.75±63.13) N/mm和(1 935.48± 164.45) N/mm，而对照组分别为(487.81±41.46) N/mm和(1 463.42±131.72) N/mm，两组比较，轴向刚度相差30%，水平剪切刚度相差24%，统计显示差异均有显著性意义(t=3.124，P < 0.05)。 2.4 两组扭转力学性能的比较 将标本近端股骨头包埋固定使股骨颈与扭转机的转轴在一直线，远端以可调夹具置于扭转力学实验机上，以0.032 (°)/s速度顺时针匀速增加扭转力，记录扭角大小。采用可灌注骨水泥动力髋螺钉系统固定股骨转子间骨折的扭矩，在扭角为3°时为(6.69±0.62) N·m，而常规动力髋螺钉系统的扭矩为(5.14±0.48) N·m，两者相差23%，差异有显著性意义(t=2.786，P < 0.05)，见表1。

2.5 两组失效载荷的比较 按照Joseph等^[28]的骨折固定失效判定标准：①大转子顶骨折断端皮质固定两点位移≥ 5 mm。②变形逐渐增加而负荷不增加甚至下降。③拉力螺钉后退超过10 mm。④主钉尖穿出股骨头。出现其中任何一种情况认为此时为固定的失效载荷。实验组动力髋螺钉固定能承受最大载荷为(3 680±274) N，相对位移(9.10± 0.88) mm；而对照组动力髋螺钉承受最大载荷为(3 244± 262) N，相对位移(8.23±0.74) mm，实验组强度高出对照组12%(t=2.654，P < 0.05)，见表2。

从破坏形式来看，60%破坏发生在骨折处产生切割破坏，位移≥ 5 mm，转子间弯曲破坏占30%，只有10%主钉穿出股骨头。

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引言

股骨转子间骨折是发生于股骨颈基底部至小转子水平以上的骨折。Liporace等^[1]统计结果显示90%的股骨转子间骨折发生于65岁以上的老年人^[2-3]，伴有不同程度的骨质疏松，尽管目前临床上有多种骨质疏松性股骨转子间骨折的内固定方法，例如股骨近端带锁髓内钉、防旋型股骨近端髓内钉、动力髋螺钉、外固定支架等，动力髋螺钉是目前最常用的股骨转子间骨折内固定物之一，该系统主要由一枚带滑动杆的加压螺纹钉和一块带滑动槽套筒的侧方钢板组成，也称为加压鹅头钉、滑动鹅头钉、Richards钉。为了适应人类直立行走，股骨上部形成了典型的力学体系，其小梁结构与应力分布极其合理(wolff定律)。活动中作用于股部的两种力-压缩力和弯曲力的联合作用影响着股骨的应力分析，负重下近端股骨内侧骨皮质处于压应力，外侧骨皮质处于张应力。根据力学原理作用于股骨头上的髋关节力可分解为轴向压力分量和与之相垂直的分量，轴向压力分量作用，可使断面靠拢压紧，对骨折的愈合是极其有利的。动力髋螺钉固定在外侧骨皮质，主要分担张应力传导，用于稳定的转子间骨折是牢固的，因为后内侧骨皮质完整，股骨矩区能承担大部分压应力以防止髋内翻的发生。但用于不稳定的骨折时，尤其是后内侧骨皮质缺损，由于通过股骨矩区的压应力难以传导，应力集中于钢板上，会引起钉头切割股骨头、颈或钉板交界处发生疲劳眭折断，导致髋内翻。动力髋螺钉虽有动、静力加压作用且结构牢固，但无有效的抗旋转作用^[4-10]。

临床上使用动力髋螺钉的适应证包括各种类型的转子间骨折、股骨颈骨折、转子下骨折。股骨颈头下型骨折的骨折线接近关节面而不易固定，且股骨头易坏死，一般不采用动力髋螺钉固定，其他类型的股骨颈骨折均可以采用该钉固定，使用动力髋螺钉后可能发生股骨头坏死、畸形愈合、骨性关节炎、疼痛、关节功能受限、感染、髋内翻、骨不连、肢体短缩、骨溶解、钉松动或脱出及股骨头、颈切割等并发症。动力髋螺钉能使骨折断面获得持续、动态的轴向加压，保持轴向滑动，刺激骨折断面早期愈合。动力髋螺钉内固定有以下优点：①符合股骨上端生物力学应力分布，固定后骨折稳定性好，促进骨折早期愈合。②固定可靠，可使患者早期下床，减少长期卧床所致的各种并发症。③手术操作简单、准确，用时少，安全性高。尽管费用较高，手术创伤较大，但仍不失为治疗股骨转子间骨折一种较为理想的内固定术式^[11-18]。

但在临床使用时发现其缺点同样不可小觑，动力髋螺钉轴向滑动加压可能导致股骨颈变短，出现肢体短缩畸形及行走障碍；在严重粉碎尤其是骨质疏松者，过度加压会使加压钉穿出股骨头；无有效抗旋转作用；对于内侧皮质骨缺损患者，内植物承受的内翻应力增大，出现疲劳断裂、髋内翻的发生率增加^[19-25]；为了既能保留动力髋螺钉的良好功效，同时尽量避免术后的相关并发症，曾有学者尝试在拧入股骨颈加压钉前，在其预先准备的隧道内填塞骨水泥，以期增强加压钉与股骨头的锚合力，抵抗加压钉的切割作用，取得了较好的临床疗效^[26]，但存在手术时骨水泥有效工作时间较短、无法调整螺钉长度、加压钉挤压骨水泥至骨折端的弊端，故作者通过对动力髋螺钉系统髋螺钉部分进行改良，从而更好地方便术者操作。

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材料方法

设计：尸体标本模拟并进行生物力学测试。

时间及地点：实验于2012年3月至2013年10在上海大学生物力学研究所完成。

材料：

传统动力髋螺钉内固定系统：钛合金材质，生物相容性好，由常州华森医疗器械有限公司提供。

可灌注骨水泥动力髋螺钉系统：在传统动力髋螺钉髋螺钉螺纹处纵行均匀交替开3条槽，槽宽为2.6 mm，槽长15 mm，并在槽内开3处直径2.5 mm侧孔，使骨水泥向3个方向渗漏，使螺钉表面骨水泥弥散尽可能均匀。术中使用的骨水泥为聚甲基丙烯酸甲酯。由常州华森医疗器械有限公司提供。

标本制备及分组：24具新鲜完整湿润人骨质疏松髋部标本，由苏州大学医学院解剖教研室提供，年龄68-75岁，平均67岁，在小转子下15 cm处截断，摄X射线片排除先天性畸形、结核、肿瘤等，左右对称，采用双能X射线骨密度测量法测量标本的骨密度，分别将标本测量3次，平均骨密度为(0.404±0.047) g/cm²，均为骨质疏松标本。

实验方法：

内固定方法：标本用等渗盐水浸泡，密封包裹，防止干燥脱水，-20 ℃冷冻保存，实验前12 h室温下消融，牙托粉包埋标本远端及股骨头，按标准制造AO分型31-A1型股骨转子间骨折^[27]，直视下解剖复位骨折，随机取每对股骨标本一侧行传统动力髋螺钉固定(对照组)，另一侧行可灌注动力髋螺钉固定(实验组)，两种器械均为4孔135°。对照组按常规方法固定，取仰卧位，置于牵引床上，患肢外展内旋位牵引复位，C臂机透视患髋正侧位，调整患肢高度及内旋角度，争取满意的骨折复位，取患髋外侧纵形切口，切开皮肤皮下组织、阔筋膜，止血彻底，自股外侧肌止点切开适当骨膜下剥离，用135°导向器自大转子下3 cm钻入1枚导针，并术中透视确保导针位于股骨头颈中央，钉尖于股骨头软骨面下5 mm，扩孔后，钻入髋螺钉，连接侧方钢板，适当松开患肢牵引，拧紧髋螺钉尾帽，加压骨折端。实验组亦按照标准手术操作方法，钻入定位导针，扩孔后，拧入合适长度的新型髋螺钉，安装并调整侧方钢板的位置，连接骨水泥灌注装置，调制低黏度骨水泥至拉丝前期，透视下将骨水泥加压灌注至髋螺钉，使其充分渗漏至髋螺钉周围，当骨水泥渗漏至骨折段附近时停止注射，然后加压拧紧髋螺钉尾帽，侧方钢板钻孔固定。

生物力学测试：包括轴向压缩实验、扭转强度实验和失效载荷实验，实验之前，将所有标本股骨内外侧布置6枚高精度小标距电阻应变片(R-120 Ω±0.1%，R=2.16，1.50×1.50 mm)，模拟单足站立，考虑外展肌参与工作，制造夹具，实验时预载100 N 3次，消除股骨松弛、蠕变等时间效应影响，标本置于WDW微机控制电子万能实验机上，加载从0-1 200 N分级加载，机器速率0.5 mm/s，同时用高精度显光栅位移测微仪KG-101(上海大学机电工厂生产)测量股骨头的水平位移及垂直位移。

主要观察指标：两组间强度、刚度和扭矩、失效载荷等力学参数的比较。

统计学分析：采用SPSS 13.0统计软件进行统计学分析，两组间强度、刚度和扭矩、失效载荷等力学参数比较采用两独立样本资料的t 检验，各组的力学参数以x(_)±s表示，P < 0.05认为差异有显著性意义。

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讨论

动力髋螺钉因能很好地复位骨折，恢复良好的颈干角，有效防止髋内翻，并能产生静力及动力滑动加压作用，利于促进骨折愈合，故被认为是治疗股骨转子间骨折最经典的方法^[29-30]，但在临床使用时发现其缺点同样不可小觑，使用动力髋螺钉治疗骨质疏松性股骨转子间骨折常常出现不同的并发症，比如复位的丢失、骨不连、骨折畸形愈合、患肢短缩、髋螺钉切割等^[31-39]，其中髋螺钉位置的研究，Baumgaertner等^[40-41]提出顶尖距的概念，认为顶尖距是最重要的预测髋螺钉切割的因素，Hsueh等^[42]认为顶尖距应当小于15 mm，才能有效避免髋螺钉的切割。但他同时认为顶尖距并不是引起螺钉切割的惟一因素，那么，对于伴有严重的骨质疏松股骨转子间骨折患者，如何能更好地使用动力髋螺钉对其进行固定呢? Lee等^[43]借助骨水泥的作用，配合使用螺钉，制备成“强力螺钉”内固定系统，取得的喜人的临床疗效，但存在一定的不足，据此，作者对其手术方案进行改进，设计使用可灌注动力髋螺钉，其优势在于以下几点：①灌注骨水泥可以增强髋螺钉的抗切割能力，传统动力髋螺钉的抗切割依赖于髋螺钉头部螺纹部分与股骨头的铆合力，髋螺钉的非螺纹部分与股骨头颈存在间隙，只有髋螺钉发生切割后，才与股骨颈接触时才参与螺钉的抗切割，但此时髋内翻畸形已经发生，但可灌注动力髋螺钉系统髋螺钉的非螺纹部分与股骨头颈之间的间隙被骨水泥填充，这一点以上数据可充分证明。②强力螺钉置入时，由于骨水泥最佳工作时间很短，仅仅数分钟，故手术操作时一定要各方面配合协调好，包括骨隧道的准备，操作空间的暴露、骨水泥的充填及螺钉的拧入，要一气呵成，无返工的余地。然而可灌注动力髋螺钉系统，髋螺钉骨水泥的灌注是在钉板置入之后、骨折加压之前，骨水泥灌注之前可以调整钉板的位置及方向，直到术者满意，待骨水泥弥散满意后，再拧紧髋螺钉尾帽，完成骨折端的加压，这样对骨水泥固化时，发现髋螺钉失效载荷具体是何种载荷度仍有显著提高。③骨水泥渗漏：强力螺钉是在隧道内填塞骨水泥后拧入的，所以骨水泥的使用量常常较难控制，骨水泥使用过少，强力螺钉的强化作用得不到显示，相反，骨水泥使用过多则会出现螺钉拧入时，骨水泥被挤压至骨折端，且在骨水泥填入后，多余的骨水泥取出较为困难，尽管Lee在置入强力螺钉是时将患侧肢体抬高30°，避免骨水泥渗漏至骨折端，但仍有可能在置入主钉时将骨水泥挤至骨折端的风险，影响骨折愈合，但可灌注动力髋螺钉系统在钉板位置满意后，通过连接装置向螺钉内注射，透过C臂机透视可以控制骨水泥的注入量，当骨水泥渗漏至钢板套口附近或接近骨折端时，停止注射骨水泥。④骨水泥的使用量，本实验骨水泥使用量5-9 mL，平均为7.3 mL，而强力动力髋螺钉为10-17 mL，平均13.7 mL，如果骨水泥量较大，容易出现单体的毒性、产热引起的股骨头骨细胞的破坏。

可灌注动力髋螺钉系统也存在局限性：属于偏心固定，对严重粉碎骨折使用时需较长的制动时间。为了使骨水泥获得理想的弥散效果，骨水泥的连接装置及灌注装置需要加以改良，以期更好的治疗骨质疏松性股骨转子间骨折。

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Lee等借助骨水泥的作用，配合使用螺钉，制备成“强力螺钉”内固定系统，取得的喜人的临床疗效，但存在一定的不足，据此，作者对其手术方案进行改进，设计使用可灌注动力髋螺钉，其优势在于以下几点：①灌注骨水泥可以增强髋螺钉的抗切割能力，传统动力髋螺钉的抗切割依赖于髋螺钉头部螺纹部分与股骨头的铆合力，髋螺钉的非螺纹部分与股骨头颈存在间隙，只有髋螺钉发生切割后，才与股骨颈接触时才参与螺钉的抗切割，但此时髋内翻畸形已经发生，但可灌注动力髋螺钉系统髋螺钉的非螺纹部分与股骨头颈之间的间隙被骨水泥填充，这一点以上数据可充分证明。②强力螺钉置入时，由于骨水泥最佳工作时间很短，仅仅数分钟，故手术操作时一定要各方面配合协调好，包括骨隧道的准备，操作空间的暴露、骨水泥的充填及螺钉的拧入，要一气呵成，无返工的余地。然而可灌注动力髋螺钉系统，髋螺钉骨水泥的灌注是在钉板置入之后、骨折加压之前，骨水泥灌注之前可以调整钉板的位置及方向，直到术者满意，待骨水泥弥散满意后，再拧紧髋螺钉尾帽，完成骨折端的加压，这样对骨水泥固化时，发现髋螺钉失效载荷具体是何种载荷度仍有显著提高。③骨水泥渗漏：强力螺钉是在隧道内填塞骨水泥后拧入的，所以骨水泥的使用量常常较难控制，骨水泥使用过少，强力螺钉的强化作用得不到显示，相反，骨水泥使用过多则会出现螺钉拧入时，骨水泥被挤压至骨折端，且在骨水泥填入后，多余的骨水泥取出较为困难，尽管Lee在置入强力螺钉是时将患侧肢体抬高30°，避免骨水泥渗漏至骨折端，但仍有可能在置入主钉时将骨水泥挤至骨折端的风险，影响骨折愈合，但可灌注动力髋螺钉系统在钉板位置满意后，通过连接装置向螺钉内注射，透过C臂机透视可以控制骨水泥的注入量，当骨水泥渗漏至钢板套口附近或接近骨折端时，停止注射骨水泥。④骨水泥的使用量，本实验骨水泥使用量5-9mL，平均为7.3mL，而强力动力髋螺钉为10-17mL，平均13.7mL，如果骨水泥量较大，容易出现单体的毒性、产热引起的股骨头骨细胞的破坏。

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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可灌注骨水泥动力髋螺钉内固定修复骨质疏松股骨转子间骨折的优势

Advantages of cemented dynamic hip screw for osteoporotic intertrochanteric fracture

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