可吸收螺钉张力带固定横行髌骨骨折的生物力学研究

张继业，王新，杨琳，舒永辉，朱权，黄志平，李雯

(1.深圳市龙岗区第三人民医院骨科，广东 深圳 518115；2.南方医科大学南方医院脊柱骨科，广东 广州 510515)

髌骨骨折是临床比较常见的关节内骨折，发生率约占全身骨折损伤的1%[1]。髌骨骨折的治疗要求尽可能解剖复位，固定牢固，以利术后早期活动。术后越早功能锻炼，发生关节黏连、僵硬的可能性就越小，早期功能锻炼必须在坚强内固定条件下进行。目前被广泛使用的克氏针张力带钢丝固定需要二次手术取出内固定，同时存在针尾、钢丝触痛、刺破皮肤的缺点，随着生物材料工程的发展，可吸收材料的使用克服了这种缺点。尽管有很多研究报道可吸收螺钉张力带固定横行髌骨骨折，但其强度小于金属固定物。为此，本研究通过生物力学试验，为可吸收螺钉张力带固定横行髌骨骨折提供科学依据。

1 资料与方法

取新鲜成年膝关节标本12具，包括膝上18 cm股骨及膝下18 cm胫骨，保留股四头肌肌腱、髌骨、髌腱及关节囊，剔除其余软组织。双层塑料袋密封，-20℃冰柜保存备用，测试前常温下解冻。每例标本经X线摄片排除骨质疏松及退行性骨关节炎。

将股骨和胫骨包埋于自凝牙托粉中，用钢锯从膝关节侧方进入关节中，在髌骨中点横形锯断髌骨制作成横行骨折模型，不损伤髌腱。骨折块直视下复位，然后随机将标本分为2组，每组6具标本，分别采用以下两种方法固定：(A组)可吸收螺钉联合PDS线张力带固定，(B组)AO张力带固定。

A组：两根直径3.5 mm可吸收螺钉平行固定，用双股1-0 PDS线环扎；B组：用2枚直径为2.0 mm的克氏针平行固定，18号钢丝(直径0.8 mm)环扎固定。可吸收螺钉购自成都迪康中科生物医学材料有限公司，材料为聚-DL-乳酸(Poly-DL-Lacticacid，PDLLA)。钻头、丝锥为专用的配套器械。

将股骨端用固定器固定在工作台上，同时用定制夹具将股四头肌肌腱在髌上约2 cm处固定，并通过滑轮连接于Instron E 100材料试验机上(美国Instron公司)，能牵拉膝关节伸曲自如。为了模拟小腿和足的重力，按照Carpenter JE[1]方法在胫骨下端装一铁棒，再在铁棒上安装一铁饼，总重约4.5 kg，铁饼距离膝关节16.5 cm，以前的研究显示这种装置相当于一个体重约70 kg的人的膝关节所承载的负荷[2]。在上下骨折端各安放一枚红外线发光标志(Smart Marker)，用于检测膝关节的三维运动，三维运动测量系统(Optotrack Certus，加拿大NDI公司)以50Hz的采样频率采集运动数据。开始以50N/s速度匀速对股四头肌腱加载，使膝关节由屈曲90°伸直为0°，然后再以50N/s速度匀速卸载，使膝关节由伸直位0°变为屈曲90°，即时测量并记录屈曲和伸直位骨折端的位移(三维运动测量系统的测量精度为0.1 mm)。当骨折端移位大于3 mm，表明内固定失效，同时记录加载次数。

2 结 果

重复测量资料的方差分析结果显示，无论膝关节是处于屈曲位，还是伸直位，除第1次加载，可吸收螺钉PDS张力带组骨折端位移较AO张力带组大(P<0.05)；两组随着循环加载次数的增加，骨折端位移逐渐增加(P<0.05)，且可吸收螺钉PDS张力带组更加显著(见图1～2)，可吸收螺钉PDS张力带组均在加载超过1 200次左右固定失败(即位移大于3 mm)，而AO张力带组加载超过2 000次均无固定失败。t检验显示，在可吸收螺钉PDS张力带组，当加载500次和1 000次时，伸直位时骨折端位移较屈曲位时大(P=0.024和P=0.000)，而在第1次和100次无显著性差异(P=0.846和P=0.867)；在AO张力带组，屈曲位与伸直位骨折端位移均无显著差异(P>0.05)。

3 讨 论

Watkins等[3]研究证实髌骨有延长股四头肌力臂，帮助伸膝的作用，切除髌骨后，伸膝活动中股四头肌要多付出30%左右的力量，且髌骨有保护膝关节、增强股四头肌肌力、在膝关节伸直到最后10°～15°起滑车作用。由于髌骨在膝关节活动中的功能，对髌骨骨折应尽量保留髌骨及使关节面恢复平整，减少髌股关节创伤性关节炎的发生，且治疗骨折时，对股四头肌腱扩张部有连续性中断的，应加以修复。由于髌骨位于膝前皮下，易受到直接损伤，这些损伤常导致粉碎性或移位性骨折。间接损伤常由膝关节屈曲位股四头肌强烈收缩所致。大部分髌骨骨折是由直接和间接暴力联合作用所致。髌骨骨折造成的最重要影响为伸膝装置的连续性丧失及潜在的髌股关节不协调。

图1 可吸收螺钉PDS张力带组与AO张力带组伸直位时骨折端位移

图2 可吸收螺钉PDS张力带组与AO张力带组屈曲位时骨折端位移

目前髌骨骨折手术治疗的目的是：最大限度地恢复关节面的形态，力争骨折解剖复位、关节面平滑，在恢复伸膝装置连续性的基础上，使膝关节尽早活动，发挥髌骨的生物力学功能，恢复关节功能，减少或避免继发性创伤性关节炎的发生。

生物力学研究发现横行髌骨骨折最牢固的固定方式是AO张力带固定，包括一些改良的克氏针钢丝张力带固定，这也是目前临床中应用最多且行之有效的固定方式。它具有固定强度大、价格低廉、操作简便等优点，但是其亦有诸多不足之处。用克氏针钢丝张力带固定，由于针尾或钢丝反复刺激软组织形成滑囊炎、皮下触痛，克氏针滑脱、钢丝松动断裂，甚至穿破皮肤引起感染、溃烂。由于克氏针、钢丝强度大，应力遮挡作用明显，影响骨折愈合，发生髌骨骨质疏松；骨折愈合后需二次手术取出内固定是此方法最大的不足之处，使患者遭受相当于第一次大小的手术创伤，影响膝关节功能恢复，有病例报道甚至发生内固定取出后再骨折，增加患者的经济和精神负担。这些并发症的发生率大概是47%，而且15%与二次手术取出内固定有关[4]。Patel等[5]采用克氏针Ethibond不可吸收缝线张力带固定横行髌骨骨折能获得牢固的固定，但还是无法避免再次手术取出内固定，可能手术创伤较前次手术有所减小。

理想的固定方式既要获得固定的牢固性和稳定性，又能避免内固定造成的并发症和二次手术所产生的创伤。可吸收螺钉作为一种新型的内固定材料，已有不少文献报道，由于无需二次手术取出，近10余年来已得到广泛应用。其具有良好的组织相容性及可降解性，无毒、无抗原性和致癌性，其成分为超高分子量PDLLA，在体内最终水解为H2O和CO2，应力逐渐转移至骨组织，利于骨的重建，故能防止应力遮挡，其完全降解时间报道不一，通常12～18个月可完全降解吸收。可吸收螺钉存在一些其他内固定不具备的优点，可吸收材料在植入人体2 h后开始发生径向膨胀，纵向收缩，产生自动加压作用，可以使固定更加牢固；其拉伸强度大于等于40 MPa，弯曲强度大于等于80 MPa，与松质骨相当，其初始固定强度维持时间可达3个月，完全能满足髌骨骨折固定时间的需要。允许骨折端产生微动，有利于骨折愈合。随着其逐渐降解，应力逐渐转移到愈合的骨折面上，利于骨密度的增加，减少骨质疏松的发生。PDS线可以维持强度56 d，3个月后开始降解吸收，6个月左右完全吸收，单股1-0 PDS线的最大拉力为97.48 N[6]，足以支撑骨折愈合获得远期效果，同时避免了二次手术所带来的创伤，减轻了患者的经济和精神负担。

采用可吸收材料的张力带可以解决金属张力带存在的部分缺陷，避免了二次手术，减少了患者的痛苦[7]。目前有很多临床研究报道可吸收螺钉联合PDS张力带固定横行髌骨骨折取得良好效果[8，9]，甚至认为可吸收螺钉联合PDS张力带可以取代AO张力带固定横行髌骨骨折，但多数术后采用石膏托外固定2～3周才开始膝关节功能锻炼。虽然有研究[10]认为可吸收钉的生物强度已经能达到松质骨强度的20倍，能满足髌骨骨折固定的强度要求，本研究亦发现可吸收螺钉联合PDS张力带固定横行髌骨骨折不及AO张力带固定牢固，辅助石膏或支具等外固定一段时间是必不可少的。谢杨等[11，12]用“微乔”1-0可吸收线与0.8 mm钢丝张力带行拉力试验和疲劳试验，认为可吸收线张力带治疗髌骨骨折的生物力学性能比钢丝张力带好，完全可替代钢丝，由于可吸收线具有一定的弹性，单纯使用可吸收线固定强度可能不够，本研究结果显示可吸收螺钉联合PDS张力带固定组骨折端位移在加载时(伸直位)与卸载时(屈曲位)有显著性差异，这种弹性可能会导致退钉现象。

本研究表明：可吸收螺钉和PDS可吸收线虽然具有免除二次手术的优点，具有一定的弹性，但是其刚度不足，在试验中螺钉对钉道的把持力不足，所以其固定的稳定性不佳，术后早期(2～3周内)应行外固定支具固定制动，待骨折端形成骨痂后去除外固定，在医生指导下逐步进行关节锻炼，与传统的克氏针钢丝张力带法比较，其术后康复指导更为重要。由于长时间膝关节固定，势必会产生关节僵硬，影响术后功能恢复，所以术者要充分衡量其利弊，即使目前很多文献报道可吸收螺钉固定髌骨骨折取得良好的效果。

总之，可吸收螺钉弹性模量与松质骨相当，目前主要应用于松质骨骨折，髌骨骨折是松质骨骨折，也是关节内骨折，是很好的手术适应证。可吸收螺钉生物相容性好，又能避免二次手术取出内固定物，可避免金属内植物的不良反应，但是其强度不及克氏针、钢丝，抗扭转能力差，拧入前必须先攻丝，螺钉对钉道的把持力差，加上PDS可吸收线具有一定弹性，固定牢固性不及AO张力带，对于膝关节这类负重关节，内固定术后辅助外固定支具保护是必要的，并尽早进行膝关节的非负重功能锻炼，避免术后发生关节僵硬。

参考文献：

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