李智勇　張奇　張英澤　王娟　田帥　秦士吉　劉躍駒　許斌

不同角度植骨和空心釘固定股骨頸骨折的生物力學(xué)研究

李智勇張奇張英澤王娟田帥秦士吉劉躍駒許斌

【摘要】目的探討游離髂骨塊不同角度植骨、空心釘固定股骨頸骨折的生物力學(xué)效果，為臨床應(yīng)用提供生物力學(xué)依據(jù)。方法選用9對成人防腐股骨標(biāo)本，隨機(jī)分入0°角植骨組和30°角植骨組。所有標(biāo)本均制成股骨頸骨折模型，解剖復(fù)位后采用3枚空心釘及髂骨塊固定，空心釘呈正等腰三角型分布，髂骨塊越過骨折線約1.5 cm，其中0°角植骨組髂骨塊位于三枚空心釘中間，并與其平行，30°角植骨組髂骨塊與空心釘成30°角。2組標(biāo)本均應(yīng)用Electroforce 3520-AT生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗扭轉(zhuǎn)、抗壓、循環(huán)載荷及極限載荷實(shí)驗(yàn)。結(jié)果抗扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中使股骨頭扭轉(zhuǎn)3° 和5°時(shí)，30°角植骨組扭矩值均大于0°角植骨組(P均＜0.05) ;抗壓實(shí)驗(yàn)中在700 N和1 000 N的垂直載荷下，30°角植骨組位移值均小于0°角植骨組(P均＜0.05) ;所有標(biāo)本均成功完成了循環(huán)實(shí)驗(yàn)，無疲勞骨折、內(nèi)固定失敗出現(xiàn)。30°角植骨組能夠承受的極限載荷比0°角植骨組大11.7%(P＜0.05)。結(jié)論采用3枚空心釘固定股骨頸骨折時(shí)，30°角植骨的生物力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于0°角植骨，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果為臨床上治療股骨頸骨折采用最佳的植骨方式提供了生物力學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】股骨頸骨折;骨折固定術(shù);植骨;生物力學(xué)

項(xiàng)目來源:河北省科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號: 122777169)

作者單位: 050051石家莊市，河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院，河北省骨科生物力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

股骨頸由于解剖位置特殊，骨折后血運(yùn)遭受破壞，容易發(fā)生骨折不愈合及股骨頭壞死［1］。為了提高骨折愈合率、降低股骨頭壞死率，各國學(xué)者均在尋求各種治療，如帶肌蒂或者血管蒂的骨移植［2－4］，但這些手術(shù)方法創(chuàng)傷大、手術(shù)操作復(fù)雜，不易在臨床推廣應(yīng)用。游離骨塊植骨，手術(shù)簡單，能夠促進(jìn)骨折愈合，已經(jīng)應(yīng)用于臨床［5－7］。目前臨床上游離骨塊植骨多采用空心釘固定，植骨塊放置于股骨頸中部并與空心釘平行(植骨塊與空心釘成0°角)，這種固定方法生物力學(xué)穩(wěn)定性差，術(shù)后需要石膏外固定或者皮膚牽引［5－7］，影響患者術(shù)后進(jìn)行髖關(guān)節(jié)功能鍛煉。本研究設(shè)計(jì)了一種30°角植骨、三枚空心釘固定股骨頸骨折的方法(植骨塊與空心釘成30°角)，經(jīng)生物力學(xué)研究證實(shí)穩(wěn)定性優(yōu)于0°角植骨，報(bào)告如下。

1　材料與方法

1.1標(biāo)本的制備及保存9具經(jīng)甲醛防腐處理的成年尸體標(biāo)本，男6例，女3例;年齡47～73歲，平均年齡67歲。將股骨及同側(cè)髂前上棘處包括內(nèi)外板的骨塊從每具尸體標(biāo)本取下。通過肉眼觀察，正、側(cè)位X線檢查，證實(shí)全部標(biāo)本無風(fēng)濕、結(jié)核、腫瘤等病變及解剖學(xué)變異。采用雙能X線全身骨密度測量儀檢測9對股骨近端標(biāo)本的骨密度。

1.2骨折模型的制備及固定將每對股骨及同側(cè)的髂前上棘骨塊隨機(jī)分入0°角植骨組和30°角植骨組。所有股骨標(biāo)本均用擺鋸于股骨頸中部并垂直于股骨頸軸線鋸斷，造成骨折模型［8，9］。所有標(biāo)本固定均由同一術(shù)者在C型臂X線透視儀下完成。

1.2.10°角植骨組，骨折端解剖復(fù)位后，平行打入3根導(dǎo)針，呈正等腰三角型分布，于3根克氏針中央平行打入第4根導(dǎo)針，用直徑8.5 mm空心鉆沿第4根導(dǎo)針鉆取骨性隧道，越過骨折線約1.5 cm。根據(jù)骨隧道的大小及深度修剪髂骨塊，保留外側(cè)及上方皮質(zhì)，將骨塊打入骨性隧道，擰入3枚空心釘。見圖1～3。

1.2.230°角植骨組，解剖復(fù)位后，平行打入3根導(dǎo)針，布局同0°角植骨組。由大轉(zhuǎn)子處向股骨頭前下方打入第4根導(dǎo)針，與其余導(dǎo)針約成30°角，用直徑8.5 mm空心鉆沿第4根導(dǎo)針鉆取骨性隧道，越過骨折線約1.5 cm，植入髂骨塊并擰入空心釘。見圖4～6。

1.3生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)(1)抗扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn):將股骨標(biāo)本固定于Electroforce 3520-AT生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)上，使股骨與垂直面成25°夾角，前傾5°～10°，以模擬正常人單足站立時(shí)的負(fù)重情況［10］，以0.5°/s的速度將股骨頭順時(shí)針扭轉(zhuǎn)至5°，記錄扭轉(zhuǎn)3°、5°時(shí)的扭矩。(2)抗壓實(shí)驗(yàn):將標(biāo)本恢復(fù)至初始位置，以20 N/s的速度垂直向下給予股骨頭加載應(yīng)力至1 000 N，記錄700 N，1 000 N時(shí)生物力學(xué)機(jī)顯示的位移數(shù)值。(3)循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn):將標(biāo)本恢復(fù)至初始位置，以頻率2 Hz，給予股骨頭加載700 N的交變壓應(yīng)力，加載方式為正弦波加載，做1 000個(gè)循環(huán)。完成后對標(biāo)本再次進(jìn)行抗扭轉(zhuǎn)和抗壓實(shí)驗(yàn)，方法同上。(4)極限載荷實(shí)驗(yàn):最后以20 N/s的速度對標(biāo)本進(jìn)行垂直加載應(yīng)力，直至內(nèi)固定失敗。失敗標(biāo)準(zhǔn):標(biāo)本出現(xiàn)骨折，股骨頸、股骨頭破裂，力位移曲線維持平直或下降，記錄內(nèi)固定失敗時(shí)的應(yīng)力。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)分析應(yīng)用SAS 8.1統(tǒng)計(jì)軟件，左、右側(cè)股骨標(biāo)本近端的骨密度值，垂直應(yīng)力為700 N及1 000 N時(shí)的位移值，股骨頭扭轉(zhuǎn)3°、5°時(shí)扭矩值及內(nèi)固定失敗時(shí)的極限載荷值，采用t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1　平行打入3根導(dǎo)針，呈正等腰三角形分布，于股骨頸中央平行打入第4根導(dǎo)針

圖2　用直徑8.5 mm空心鉆沿第4根導(dǎo)針鉆取骨性隧道

圖3　最后骨折采用3枚空心釘固定

圖4　由大轉(zhuǎn)子處向股骨頭前下方打入第4根導(dǎo)針，與其余導(dǎo)針約成30°角

圖5　用直徑8.5 mm空心鉆沿導(dǎo)針鉆取骨性隧道

圖6　骨折采用3枚空心釘固定，髂骨塊與空心釘約成30°角

2　結(jié)果

左側(cè)股骨近端標(biāo)本的骨密度值為(0.794±0.073) g/cm2，右側(cè)為(0.803±0.082) g/cm2，雙側(cè)骨密度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。所有標(biāo)本均成功完成了循環(huán)載荷實(shí)驗(yàn)，無疲勞骨折、內(nèi)固定失敗出現(xiàn)。內(nèi)固定失敗時(shí)，30°角植骨組能夠承受的極限載荷為(2 360.811±204.340) N，0°角植骨組為(2 112.689 ±186.913) N，30°角植骨組比0°角植骨組大11.7% (P＜0.05)。見表1、2。

3　討論

股骨頸骨折是臨床常見的創(chuàng)傷，約占股骨近端骨

表1　不同垂直載荷下的位移值　n=9，mm，±s

表1　不同垂直載荷下的位移值　n=9，mm，±s

載荷　30°角植骨組　0°角植骨組　t值　P值循環(huán)實(shí)驗(yàn)前700 N　0.364±0.046　0.522±0.064　8.97　0.000 1 000 N　0.444±0.050　0.675±0.063　17.28　0.000循環(huán)實(shí)驗(yàn)后700 N　0.315±0.049　0606±0.049　15.93　0.000 1 000 N　0.398±0.051　0.732±0.071　25.67　0.000

表2　不同扭轉(zhuǎn)角度下的扭矩值　n=9，Nm，珋±s

表2　不同扭轉(zhuǎn)角度下的扭矩值　n=9，Nm，珋±s

扭轉(zhuǎn)角度　30°角植骨組　0°角植骨組　t值　P值循環(huán)實(shí)驗(yàn)前3°　9.914±1.658　8.716±1.731　3.42　0.009 5°　14.027±1.780　12.490±1.744　5.01　0.001循環(huán)實(shí)驗(yàn)后3°　9.561±1.913　7.936±1.547　4.81　0.001 5°　13.205±2.111　11.173±1.653　5.23　0.001

折的53%［11］，近年來隨著世界人口老齡化的加劇和交通、建筑業(yè)的發(fā)展，股骨頸骨折呈逐年增加的趨勢［12，13］。空心釘內(nèi)固定具有較強(qiáng)的抗旋轉(zhuǎn)、抗剪力作用，并且能夠?qū)钦蹟喽俗詣蛹訅?，提高了骨折固定的?qiáng)度，目前在國內(nèi)外已成為治療股骨頸骨折的一種公認(rèn)方法，然而骨折不愈合、股骨頭缺血性壞死依然是空心釘內(nèi)固定治療股骨頸骨折的兩大并發(fā)癥，其各自的發(fā)生率可高達(dá)33%和16%［1］，一旦發(fā)生將嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，并給患者造成沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

植骨是提高股骨頸骨折愈合率及降低股骨頭壞死率的一種有效方法。根據(jù)骨塊植入的方式，植骨術(shù)可分為兩種: (1)開窗植骨［3，4］:切開關(guān)節(jié)囊，在股骨頸前外側(cè)開鑿骨槽，將骨塊嵌入骨槽，骨塊多取自髂骨并且?guī)в屑〉倩蛘哐艿?，手術(shù)創(chuàng)傷大，操作復(fù)雜，容易破壞股骨頸殘留的血運(yùn)，并且骨塊不穩(wěn)定，容易脫落［3］，目前多用于青壯年股骨頸骨折的治療。(2)股骨頸中部植骨［5－7，14］，切開關(guān)節(jié)囊但無需開鑿骨槽，于股骨頸中部鉆取骨隧道，將骨塊打入骨隧道，骨塊與螺釘平行，多取自腓骨，可帶游離血管(筆者將這種植骨方法稱為0°角植骨)。這種植骨方法操作簡單，但是仍然需要切開關(guān)節(jié)囊，創(chuàng)傷大，由于鉆取的骨隧道與空心釘平行，容易破壞空心釘之間的骨性結(jié)構(gòu)，因此穩(wěn)定性差，術(shù)后需要石膏外固定或者皮膚牽引［5－7］，這必然會影響患者術(shù)后進(jìn)行髖關(guān)節(jié)功能鍛煉，若骨塊取自腓骨還會破壞正常的小腿骨性結(jié)構(gòu)，不易為患者所接受，目前主要用于陳舊性股骨頸骨折或者股骨頭壞死的治療［2，14］。

本研究設(shè)計(jì)的30°角植骨不同于以上兩種植骨方法，無需切開關(guān)節(jié)囊及開鑿骨槽，于股骨大粗隆向股骨頭前下方開拓骨隧道，置入髂骨塊，骨塊同時(shí)包含松質(zhì)骨和皮質(zhì)骨并與3枚空心釘呈一定角度，因此抗壓及抗旋轉(zhuǎn)能力增強(qiáng)，這種植骨方式簡單，創(chuàng)傷小，并且采用3枚空心螺釘固定，可用于新鮮股骨頸骨折的治療。

股骨頸骨折采用空心釘固定后，植入骨塊必然會對骨折固定效果造成一定影響，植骨塊的位置、角度和空間分布不同，其抗壓力、抗扭轉(zhuǎn)作用及穩(wěn)定性也不盡相同。李強(qiáng)一等［15］通過生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)股骨頸骨折采用3枚空心釘固定后，股骨頸中部植入髂骨塊后生物力學(xué)穩(wěn)定性與單純采用3枚釘固定無顯著性差異。本試驗(yàn)的目的是比較成角度植骨、3枚空心釘固定與股骨頸中部植骨、3枚空心釘固定股骨頸骨折的生物力學(xué)效果。結(jié)果顯示在700 N及1 000 N的垂直應(yīng)力下，30°角植骨組股骨頭的位移均明顯小于0°角植骨組，說明30°角植骨組的抗壓能力優(yōu)于0°角植骨組。結(jié)果還顯示使股骨頭順時(shí)針扭轉(zhuǎn)3°及5°時(shí)，30°角植骨組所需扭矩均大于0°角植骨組，說明30°角植骨組的抗扭轉(zhuǎn)能力優(yōu)于0°角植骨組。導(dǎo)致30°角植骨組內(nèi)固定失敗的極限載荷比0°角植骨組大11.7%，說明30°角植骨組的極限抗壓能力優(yōu)于0°角植骨組。總之，股骨頸骨折采用3枚空心釘固定后，30°角植骨在生物力學(xué)穩(wěn)定性方面優(yōu)于股骨頸中部植骨。

成人股骨頸前面平坦，后面光滑而凹陷，其斷面為橢圓形，橫徑男性平均為24 mm，女性為21.7 mm，而臨床上通常使用的空心釘直徑一般為6.5 mm或者7.3 mm。因此當(dāng)股骨頸骨折采用3枚空心釘固定后，股骨頸內(nèi)剩余空間并不大。進(jìn)行股骨頸中部植骨鉆取骨性隧道時(shí)，空心鉆與空心釘之間容易互相接觸，3枚空心釘中間的骨皮質(zhì)及骨松質(zhì)會遭到一定程度的破壞，雖然植入骨塊，但3枚螺釘對周圍骨質(zhì)的把持力依然減弱了，因此對固定骨折的穩(wěn)定性有一定的影響。而30°角植骨則最大限度的降低了空心鉆與空心釘之間接觸的機(jī)會，并且沒有對3枚空心釘中間的骨質(zhì)造成破壞，因此對固定骨折的穩(wěn)定性影響并不大。

總之，股骨頸骨折采用3枚空心螺釘固定后成角度植入游離髂骨塊，其生物力學(xué)穩(wěn)定性在抗扭轉(zhuǎn)、抗壓及極限載荷方面均明顯優(yōu)于股骨頸中部植骨。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果為臨床上治療股骨頸骨折采用最佳的植骨方式提供了生物力學(xué)理論依據(jù)，但在臨床工作中是否能進(jìn)一步提高骨折愈合率和降低股骨頭缺血壞死率，還有待于臨床研究進(jìn)一步證實(shí)。

參考文獻(xiàn)

1Lu-Yao G，Keller R，Littenberg B，et al.Outcomes after displaced fractures of the femoral neck.A meta-analysis of one hundred and six published reports.The Journal of Bone and Joint Surgery，1994，76: 15-25.

2Gaskill TR，Urbaniak JR，Aldridge JM，et al.Free vascularized fibular transfer for femoral head osteonecrosis: donor and graft site morbidity.J Bone Joint Surg Am，2009，91: 1861-1867.

3萬里，祝雁冰，關(guān)中偉，等.空心釘內(nèi)固定加縫匠肌髂骨瓣移植治療青壯年股骨頸骨折.創(chuàng)傷外科雜志，2010，12: 405-407.

4曾劍文，謝建軍，李國勇，等.改良式股方肌骨瓣移植治療青壯年股骨頸骨折.中華顯微外科雜志，2008，31: 455-456.

5 Nagi O，Gautam V，Marya S.Treatment of femoral neck fractures with a cancellous screw and fibular graft.Journal of Bone＆Joint Surgery，British Volume，1986，68: 387-391.

6Nagi O，Dhillon M，Goni V.Open reduction，internal fixation and fibular autografting for neglected fracture of the femoral neck.Journal of Bone＆Joint Surgery，British Volume，1998，80: 798-804.

7Sandhu H，Sandhu P，Kapoor A.Neglected fractured neck of the femur: a predictive classification and treatment by osteosynthesis.Clinical Orthopaedics and Related Research，2005，431: 14-20.

8Goh JC，Shah KM，Bose K.Biomechanical study on femoral neck fracture fixation in relation to bone mineral density.Clin Biomech (Bristol，Avon)，1995，10: 304-308.

9Clark D，Crofts C，Saleh M.Femoral neck fracture fixation.Comparison of a sliding screw with lag screws.Journal of Bone＆Joint Surgery，British Volume，1990，72: 797-800.

10Bergmann G，Deuretzbacher G，Heller M，et al.Hip contact forces and gait patterns from routine activities.Journal of Biomechanics，2001，34: 859-871.

11Thorngren K，Hommel A，Norrman P，et al.Epidemiology of femoral neck fractures.Injury，2002，33: 1-7.

12Papadimitropoulos E，Coyte P，Josse R，et al.Current and projected rates of hip fracture in Canada.Canadian Medical Association Journal，1997，157: 1357-1363.

13Cooper C，Campion G，Melton L.Hip fractures in the elderly: a worldwide projection.Osteoporosis international，1992，2: 285-289.

14Roshan A，Ram S.Early return to function in young adults with neglected femoral neck fractures.Clinical Orthopaedics and Related Research，2006，447: 152-157.

15李強(qiáng)一，王以進(jìn).三枚中空螺紋加壓釘+髂骨塊植骨治療股骨頸骨折的生物力學(xué)研究與臨床應(yīng)用.醫(yī)用生物力學(xué)，2000，15: 250-254.(收稿日期: 2014－07－16)

Biomechanical study of femoral neck fracture fixed by cannulated screws and iliac bone graft at different angles

LI Zhiyong，ZHANG Qi，ZHANG Yingze，et al.
The Third Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang 050051，China

【Abstract】ObjectiveTo investigate the biomechanical stability of iliac bone grafts at different angles with three cannulated screws for fixation of femoral neck fractures in order to provide scientific basis for clinical application.Methods The nine pairs of proximal femora and ipsilateral iliac bone grafts with lateral and upper surface retaining cortex were harvested from nine cadavers fixed in formalin，which were randomly divided into two groups: cannulated screw with medial bone graft fixation group (CMB group)，cannulated screw with cross bone graft fixation group (CCB group).The specimens were cut with power saw to create a standardized midcervical osteotomy perpendicular to the cervical neck.The fracture was then reduced and fixed with three parallel 7.3mm cannulated screws and an iliac bone graft.The cannulated screws were placed triangularly with one screw superior and two inferior.In the CMB group，the bone graft was in the middle of three cannulated screws and parallel with it，however，in the CCB group，the bone graft was made an angle of 30°with the screws on postero-anterior position.All the bone grafts were passed across the fracture line about 1.5cm.Every specimen was detected by Electroforce 3520-AT biomechanical machine.ResultsWhen femoral head was rotated to 3°and 5°，the torque values in CCB group were significantly higher than those in CMB group (P＜0.05)，however，during axial displacement at the load of 700N and 1000N，the displacement values in CCB group were significantly lower than those in CMB group (P＜0.05).All the specimens underwent cycling compression test at 700N compression force successfully，without fatigue fracture or screw failure.The mean ultimate load in CMB group and CCB group was (2112.689±186.913) N and (2360.811±204.340) N，respectively，there was a significant difference between two groups (P＜0.05).ConclusionThe biomechanical stability of fixation of femoral neck fracture with three cannulated screws in CCB group is superior to that in CMB group，and the experimental results provide a biomechanical basis for adopting optimal bone graft mode in the treatment of femoral neck fracture.

【Key words】femoral neck fracture; fracture fixation; bone transplant; biomechanics

通訊作者:張奇，050051石家莊市，河北醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院; E-mail: liyong99423@163.com

doi:10.3969/j.issn.1002－7386.2015.08.005

【文章編號】1002－7386(2015) 08－1138－04

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【中圖分類號】R 683.421