李喬譚進紅馬小明梁春祥李滌義

鎖定鋼板外置與單臂一體式外固定支架固定骨折的生物力學研究*

李喬1譚進紅1馬小明2梁春祥3李滌義1

目的通過對鎖定鋼板（LCP）外置與外固定支架固定骨折的生物力學的研究分析，為臨床應(yīng)用LCP外置固定治療提供理論依據(jù)。方法 選擇不同長度的牛小腿骨（脛骨20條形成骨折標本并隨機分成兩組），分別采用LCP外置固定和外固定支架固，觀察標本在不同的載荷下承受的軸向壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲作用下變化情況。結(jié)果兩組在100、200、300、400、500、600、700N載荷軸向壓縮值比較差異均有統(tǒng)計學意義（＜0.05），且隨著載荷越大則軸向壓縮值差距越大。兩組在4、6、8、10、12、14N.cm扭轉(zhuǎn)角度比較差異均有統(tǒng)計學意義（＜0.05），且隨著載荷越大則扭轉(zhuǎn)角度值差距越大。兩組在50、100、150、200、250、300 N載荷彎曲位移值比較差異均有統(tǒng)計學意義（＜0.05），且隨著載荷越大則彎曲位移值差距越大。結(jié)論LCP外置固定骨折在軸向壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲等生物力學方面優(yōu)于外固定支架，其在臨床治療開放性骨折方面有著潛在的應(yīng)用價值。

鎖定鋼板；外固定支架；骨折；生物力學

嚴重外傷如伴有嚴重軟組織損傷的開放性骨折或骨髓炎、感染性不愈合、化膿性關(guān)節(jié)炎導(dǎo)致的骨缺損，由于伴有軟組織損傷，內(nèi)固定物使用往往受到限制；外固定支架體積大、笨重，不方便日常生活，阻礙個人衛(wèi)生及穿衣，尤其是用于下肢時，在睡覺、穿衣、行走均會感到不便，同時嚴重影響對側(cè)肢體?；颊咴谥委熎陂g感受痛苦，臨床上需要尋找一種替代傳統(tǒng)外固定支架的方法。該方法必需是相對容易操作、體積小、固定牢固可靠、方便日常生活行走的特點。

LCP用于外固定是一種替代傳統(tǒng)外固定的方法，LCP固定骨折的原理是依賴于鋼板與鎖定螺釘角穩(wěn)定性及螺釘與骨皮質(zhì)之間的把持力，以實現(xiàn)對骨折的固定[1]。其在臨床上運用廣泛。但LCP用于外固定治療骨折與傳統(tǒng)外固定支架治療骨折，兩者之間生物力學比較未見報道，本次研究就通過在牛腿（脛）骨標本上進行單臂一體式外固定支架和 LCP的生物力學變化情況，以期找出鎖定鋼板外置的循證醫(yī)學依據(jù)，更好的為臨床服務(wù)。

1 資料與方法

1.1 臨床資料

在普通菜場上采購20條新鮮牛脛骨，在X線片下排除新鮮或陳舊骨折，骨腫瘤等。剔除軟組織，用線據(jù)在骨中段鋸開，制成中段橫行缺損15mm骨折模型，隨機分成兩組，每組10具模型。長度平均為（21.5±8.3）cm。

準備脛骨鎖定接骨板，型號 LCLP 08/LSLP 08，16孔（厚4.5mm，長297mm，寬14mm），鎖定釘（長90mm，直徑5mm），鈦合金，內(nèi)固定脛骨骨折（廈門大博醫(yī)療器械有限公司）。脛骨單臂一體式外固定支架，型號E10/E20/E30/ E40，由平頭夾，彎頭夾，連接棒（直徑8mm），金屬骨針（長200mm，直徑5mm），延長桿組合構(gòu)成，鋁合金，外固定脛骨骨折（廈門大博醫(yī)療器械有限公司）。電子萬能試驗機（MTS 858 Mini Bionix型，美特斯工業(yè)系統(tǒng)公司）。

1.2 方法

LCP外固定組采用外置固定，鋼板至骨間隙25mm，骨折端兩螺釘間隔（鎖定板固定后動力臂）120mm；外固定支架組則采用外固定支架固定。固定后待檢測。

分別進行軸向壓縮實驗：將實驗標本安裝在電子萬能試驗機，進行軸向壓縮實驗，載荷通過載荷傳感器傳遞，位移通過電光編碼傳遞。以2mm/min的速度對標本施加軸向壓縮載荷，施加最大載荷為700N，依次測出100、200、300、400、500、600、700N所對應(yīng)的位移值。

扭轉(zhuǎn)試驗：將實驗標本安裝在試驗機支座上，進行扭轉(zhuǎn)試驗，驅(qū)動機以加載速度0.1(°)/s的速度對標本施加扭轉(zhuǎn)，分別測出4、6、8、10、12、14N.cm所對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)角度。

彎曲試驗：將實驗標本安裝在電子萬能試驗機的彎曲支座上，進行彎曲試驗，最大載荷為500N，試驗速度為2mm/ min，依次測出50、100、150、200、250、300N所對應(yīng)的位移值。

觀察標本承受的軸向壓縮值和在扭轉(zhuǎn)作用下的扭轉(zhuǎn)角度。

1.3 統(tǒng)計學處理

采用SPSS16.0軟件進行分析，將調(diào)查統(tǒng)計的內(nèi)容作為變量，計數(shù)資料采用2檢驗，計量資料采用 檢驗，以＜0.05為有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組軸向壓縮比較

對兩組軸向壓縮進行比較，兩組在100、200、300、400、 500、600、700N載荷軸向壓縮值比較差異均有統(tǒng)計學意義（＜0.05），且隨著載荷越大則軸向壓縮值差距越大，見表1。

表1 兩組軸向壓縮比較（ ±s）

2.2 兩組扭轉(zhuǎn)角度比較

對兩組扭轉(zhuǎn)角度進行比較，兩組在4、6、8、10、12、14N.cm扭轉(zhuǎn)角度比較差異均有統(tǒng)計學意義（＜0.05），且隨著載荷越大則扭轉(zhuǎn)角度值差距越大，見表2。

表2 兩組扭轉(zhuǎn)角度比較（ ±s）

2.3 兩組彎曲試驗比較

對兩組彎曲試驗進行比較，兩組在50、100、150、200、250、300N載荷彎曲位移值比較差異均有統(tǒng)計學意義（＜0.05），且隨著載荷越大則彎曲位移值差距越大，見表3。

表3 兩組彎曲位移比較（ ±s）

3 討論

LCP上的釘孔因帶有特定的螺紋，當帶有螺紋頭的螺釘被擰入釘孔后，釘-板間就開形成了一種從鋼板到螺釘?shù)墓潭ńY(jié)構(gòu)[2-4]。LCP因其特殊結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)鋼板比較在生物力學存在較大的差異，傳統(tǒng)鋼板需要通過螺釘對骨面的加壓，增加鋼板與骨面的摩擦力來達到鋼板-骨的穩(wěn)定作用。而LCP的結(jié)構(gòu)類似于外固定支架，均不需要通過鋼板與骨之間的直接加壓作用，在實際使用過程中不損傷骨膜，減少了骨缺損患者發(fā)生骨不愈合，延遲愈合的發(fā)生率。因 LCP與鎖定螺釘間的固定結(jié)構(gòu)，LCP在使用中無需直接接觸骨面[2-4]，從其作用特點來看，與單臂一體式外固定支架的生物力學完全相似，LCP就是一種安裝在軟組織內(nèi)的外固定支架[5]，由于LCP與骨之間的距離更小，較外固定支架而言，穩(wěn)定性更強[6]。LCP對骨折固定的原理是通過鎖定鋼板與鎖定螺釘?shù)墓潭ńY(jié)構(gòu)及螺釘與骨皮質(zhì)之間的把持力來實現(xiàn)，而不需要通過鋼板與骨皮質(zhì)間的加壓作用來達到[7,8]。結(jié)合本次研究結(jié)果，在 100、200、300、400、500、600、700N載荷下鎖定鋼板軸向壓縮明顯增強，且隨著載荷越大則軸向壓縮值差距越大。在4、6、8、10、12、14N.cm扭轉(zhuǎn)力量下，扭轉(zhuǎn)角度數(shù)值明顯變化。在50、100、150、200、250、300 N載荷彎曲位移值比較差異均有統(tǒng)計學意義。這說明鎖定鋼板無論在壓應(yīng)力作用下，無論是哪個方向均有很好的抵抗變形能力，能滿足骨折的生理需求強度、剛度和穩(wěn)定度。研究[9]稱，鎖定鋼板在彎矩-應(yīng)變、彎矩-橈度、扭矩-扭角關(guān)系和普通鋼板比較有顯著差異性。報道[10]則稱，鎖定鋼板在抗彎能力、抗變形能力上優(yōu)于其他的固定材料，且在堅強內(nèi)固定同時，不破壞髓腔，對髓腔血供不會造成明顯損傷，骨折容易生長，發(fā)生不愈合率低。另外，鎖定鋼板可塑性強，具有成角穩(wěn)定性，使用方便，適用于伴隨骨缺損的長骨骨折[11]。從本次研究結(jié)果來看，與單臂一體式外固定支架相比，其在剛度、穩(wěn)定性、彎曲度上均優(yōu)于單臂一體式外固定支架，從生物力學上看，完全符合外固定治療使用。

由于LCP用作外固定支架時，其安裝位置較外固定支架更接近皮膚，力臂更小，所承受的應(yīng)力更小，因此安全穩(wěn)定性更強。LCP是通過鋼板與螺釘之間的固定結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)穩(wěn)定，而不需要鋼板與骨之間加壓作用來維持穩(wěn)定[2-4]。LCP被用作外固定裝置，安裝過程中不再次損傷骨膜血供，有效保持了骨膜血供和骨骼灌注，縮短骨骼愈合時間，降低并發(fā)癥發(fā)生率，起到“生物學鋼板”的作用[6]。

LCP被用作外固定裝置，其結(jié)構(gòu)就是傳統(tǒng)外固定支架的一種新的表達形式，其在釘?shù)酪赘腥镜热秉c與傳統(tǒng)外固定支架應(yīng)無明顯區(qū)別。對患者而言，LCP外置固定后因其框架小、低輪廓，對患者的生活工作影響相對小，患者更容易接受。而傳統(tǒng)外固定架因體積大、笨重，不方便日常生活，實際治療過程當中常被迫將外固定改為內(nèi)固定，增加了患者的手術(shù)治療次數(shù)及費用。

因條件限制，本實驗未進行不同直徑的金屬骨針外固定支架與不同直徑螺釘?shù)逆i定鋼板固定脛骨骨折的生物力學研究、未進行牛骨與鋼板在應(yīng)力實驗中的極限值檢測。

綜上所述，鎖定鋼板外固定骨折能明顯降低應(yīng)力遮擋，有利于骨折傳導(dǎo)，且軸向壓縮力大，扭轉(zhuǎn)力優(yōu)良，能滿足骨折的固定強度，從生物力學上看，完全符合外固定治療使用，LCP外置固定骨折，臨床上為代替?zhèn)鹘y(tǒng)外固定支架提供了一種新的方法，適用于長管狀骨（尤其是脛骨）GustiloⅡ、Ⅲ型骨折、骨不連的患者[12]。由于鎖定釘最長90mm，對軟組織過于肥厚以及寬大的關(guān)節(jié)部位骨折，臨床中使用受到一定限制。同時LCP形狀調(diào)整后螺紋孔易變形，適應(yīng)癥有限。但LCP外置固定骨折仍是復(fù)雜的多發(fā)性創(chuàng)傷患者重建治療階段一種新的有效輔助手段。

[1] 卓乃強，萬永鮮，魯曉波，等.鎖定鋼板和普通鋼板置入老年復(fù)雜肱骨髁間骨折的生物力學比較[J].中國組織工程研究，2012，16（4）:618-621.

[2] Greiwe RM,Archdeacon MT.lockmg plate technology:current concepts[J].JKnee Surg,2007,20(1):50-55.

[3] Cantu RV,Koval KJ.The use of locking plates in fracture care[J]. J Am Acad Orthop Surg,2006,14(3):183-190.

[4] Ego KA,Kuhiak EN,Fulkerson E,et al.Biomechanics of lock plates and screws[J].J Orthop Trauma,2004,18(8):488-493.

[5] Smith WR,Ziran BH,Anglen JO,et al.Locking plates:tips and trcks[J].J Bone Joint Surg Am,2007,89(10):2298-2307.

[6] Gille j,Schulz A.Wallstabe S,et al.Hcok plate for medial clavicle fracture[J].Indian J Orthop,2010,44(2):221-223.

[7] 牛浩，宋連新，武富明，等.Maisonneuve骨折下脛腓分離固定的生物力學研究[J].中華實驗外科雜志，2013，30（10）:2172-2174.

[8] 王皓，姜新.鎖定鋼板加植骨治療Pilon骨折（脛骨遠端骨折）的生物力學研究分析[J].中國醫(yī)藥指南，2012，10（18）:117-118.

[9] 陳陽，馬信龍，馬劍雄，等.鎖骨中段1/3骨折不同內(nèi)固定物及固定方式的生物力學研究[J].中華創(chuàng)傷雜志，2013，29（10）:986-990.

[10]葛建華，魯曉波，徐瑞生，等.外踝鎖定鋼板研制及生物力學比較[J].生物骨科材料與臨床研究，2012，4（6）:4-6.

[11]周延.脛骨中段橫斷骨折內(nèi)外側(cè)鎖定鋼板外固定的生物力學比較與研究[D].河北醫(yī)科大學，2013，3（12）:346-348.

[12]張磊，董啟榕，陳明，等.鎖定加壓鋼板外固定應(yīng)用前景.國際骨科學雜志，2012，03，33（2）:121-141.

Biomechanical research on the fixation of fractures by external locking plate and external fixator

Objective This thesis is targeted to provide theoretical basis for the clinical applicationof external fixation with theLCP through the biomechanicalstudy ontheexternalfixationoftheLCPand external fixation of thefracture.Methods By selecting 20 different length of bovine shinbones randomly divided into two groups to form fracture specimens,we adopted the external fixation of the LCP and external fixation respectively,to observe the specimens'pressure changes when bearing different loadsofaxialcompression,torsionand flexure.Results The comparative differencesofaxialcompression value under 100,200,300,400,500,600,700N loading;twisting angle of 4,6,8,10,12,14N.cm,as well as bending displacement value under loads of 50,100,150,200,250,300N all posted statistical significance(＜0.05)between the two groups;furthermore,the gap of axial compression,twisting angle value and bending displacement value became bigger as the loads were getting bigger.Conclusion The external fixation of fracture by LCP is superior to external fixator from the biomechanical aspects of axial compression,torsion and flexure.It has potential application value for clinical treatment on open fracture.

Locking Plate;External Fixation;Fracture;Biomechanics

R310.01

A

10.3969/j.issn.1672-5972.2015.05.002

swgk2015-04-00083

李喬（1966-）男，本科，副主任醫(yī)師。研究方向：創(chuàng)傷骨科。

2015-04-18）

廣東省佛山市醫(yī)學類科技攻關(guān)項目項目編號（201308295）

1廣東省佛山市順德區(qū)倫教醫(yī)院骨外科，廣東佛山528308；2廣東省佛山市南海區(qū)第八人民醫(yī)院骨外科，廣東佛山528209；3中山大學附屬第一醫(yī)院黃埔院區(qū)脊柱外科，廣東廣州510700