下胫腓联合损伤三种内固定方式稳定性重建生物力学评价

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下胫腓联合损伤三种内固定方式稳定性重建生物力学评价

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目的 观测下胫腓联合损伤采用一枚螺钉、两枚螺钉或加1/3管型钢板固定稳定性重建的生物力学性能，为临床选择有效内固定提供理论依据。方法 采集6具新鲜成人下肢尸体标本，制成正常组（N）、损伤组（I）和固定组，固定组固定方式包括下胫腓联合损伤复位后分别用1枚螺钉固定（A1）、2枚螺钉固定(B1)、2枚螺钉加1/3管型钢板固定（C1）等三种固定方式，行生物力学实验应力分析，模拟足运动中立位、跖屈位（30°）、背屈位（20°）、旋后外旋位等4种运动工况，测量踝关节的强度、刚度和稳定性。结果 ①下胫腓联合损伤后，在4种运动工况下，踝关节的强度、刚度发生异常变化，内外踝应力强度分别下降21%，39%，前后踝穴处，应力强度分别下降29%和35%；轴向压缩刚度（EF），水平剪切刚度（GF）分别减少27%和28%，与正常标本（N）比较差异有统计学意义（P＜0.05）；②下胫腓联合复位后，三种内固定方法均能够使踝关节恢复到正常稳定状态，踝关节的应力强度均超过正常组，其中A1组与正常组（N）差异无统计学意义（A1/N，P＞0.05），而B1、C1组与正常组（N）差异有统计学意义（B1/N，C1/N，P＜0.05），但两组间差异无统计学意义（P＞0.05）；踝关节的轴向压缩刚度（EF）、水平剪切刚度（GF）三组均超过正常组（N）差异有统计学意义（A1/N，B1/N，C1/N，P＜0.05），B1与A1比较，EF、GF平均增加14%和15%，B1与C1相比，两组差异无统计学意义（P＞0.05）。结论 一枚螺钉三皮质固定（A1组）的力学性能更接近正常组，而后两种固定则更为坚强。但坚强的固定会使踝关节对关节活动的顺应性下降，而使螺钉所受的应力增加，易产生螺钉的松动或疲劳断裂。

下胫腓联合损伤；内固定；生物力学

下胫腓联合是维持踝关节稳定性的重要结构，其损伤约占踝关节损伤的5%～10%[1]。若治疗不当会造成踝关节的不稳定，导致踝关节长期疼痛、创伤性关节炎以及踝前撞击综合症等并发症[2]。临床对下胫腓联合损伤造成下胫腓分离的固定方法较多，仍存在一定争议。本课题针对下胫腓联合损伤后采用三种不同内固定稳定性重建进行生物力学实验对比，为临床选择有效的内固定方法提供实验理论依据。

1 材料与方法

1.1 标本制作与分组 ①选用6具新鲜成人下肢尸体标本（由上海交通大学医学院人体解剖教研室提供），在踝关节以上15cm处胫骨截骨，得到踝关节标准试验模型。经肉眼观察及X线摄片排除踝关节骨折、先天性畸形、骨质破坏、结核、肿瘤及退行性骨关节炎改变。在胫腓骨近端用骨水泥固定做上端夹具，剔除肌肉及软组织，保留下胫腓联合韧带、踝关节内外侧副韧带。制作足踝运动夹具，固定足底，能够达到足的三维运动允许伸、屈、旋转和外翻运动。②分别在内踝、胫腓骨远端前方、外踝及胫腓骨远端后方黏贴电阻应变片。并在内踝、外踝、胫腓骨前后设定位，标记点为A、B、C、D。将正常标本在万能材料试验机上施加生理载荷，模拟足运动中立位、跖屈位（30°）、背屈位（20°）、旋后外旋位等4种运动工况，测量踝关节的应变、位移变化及稳定性，设此为正常组（N）。③切断下胫腓联合韧带制作下胫腓联合韧带损伤模型。模拟上述四种生理运动工况，测量踝关节的应变、位移变化及稳定性，设此组为损伤组（I）。④分别按照正规手术要求行下胫腓联合复位，距踝关节面3cm处，平行关节线且垂直胫骨，由后外向前内倾斜25°，置入1枚螺钉（4.5mm皮质骨螺钉）3皮质固定（A1）、2枚螺钉3皮质固定（B1）、2枚螺钉加1/3管型钢板固定（C1）。术后同样进行相似的生理运动测量。

1.2 实验力学模型和实验力学 实验力学模型分别为正常组（N）、损伤组（I）和固定组（A1、B1、C1）。实验力学模型需在结构、载荷、力学性质上尽量保持一致，以确保实验精度和受载均度。先进行下胫腓骨距骨的材料力学性质测量结果见表1。所有标本上施加生理载荷500N，分级加载，在加载过程中标本维持新鲜湿润状态，在试验前先进行小量程预载，以消除骨的时间效应影响、松弛、蠕变，然后进行加载正式实验，并采集数据。实验反复多次测量，加载速率控制在1.5mm/min。所有实验标本的应变、位移测量统一自动记录测量，数据输入计算机进行同体配对资料的t检验。

1.3 统计学方法 踝关节的数据，应变、位移、应力强度、刚度等测量数据，先对偶然误差处理，以得到比较满意的数值和置位区间，再以SPSS12.0统计软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA），P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 正常踝关节生理运动工况下的应力强度 将正常踝关节标本（N）施加生理载荷500N，模拟足运动中立位、跖屈位（30°）、背屈位（20°）、旋后外旋位等4种运动工况，测量踝关节上A、C（内外踝）、B、D胫腓骨前后踝穴上四个位置的应力强度。结果显示正常踝关节标本应力较小，均匀、平稳，如果切断下胫腓联合韧带制作下胫腓联合韧带损伤模型（I），在相同生理运动工况下一并测出踝关节损伤模型的应力强度变化异常。正常踝关节标本与踝关节下胫腓联合损伤模型应力强度相比较，在四种生理运动工况下，内踝应力强度平均下降21%，外踝应力强度平均下降39%，尤其在背屈、跖屈和旋转位更甚，而在胫腓骨前后踝穴处，应力强度分别下降29%和35%，应力强度下降明显，导致踝关节处于极度不稳定状态。统计显示，四种不同生理运动工况下，正常组与损伤组在A、B、C、D四个位置上的应力集中差异明显（P＜0.05），尤其在背屈、跖屈和旋转位置呈非常明显差异（P＜0.01）。由此可见，下胫腓联合损伤后踝关节处于极不稳定必须予以坚强固定。见表2。

表1 下胫腓距骨材料力学性质（±s）

表1 下胫腓距骨材料力学性质（±s）

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表2 足不同位置踝关节正常组（N）和损伤组（I）应力值比较（MPa，±s）

表2 足不同位置踝关节正常组（N）和损伤组（I）应力值比较（MPa，±s）

注：与N比较，*P＜0.01；N：正常组；I：损伤组

位置内踝（A）标本组别外踝（B）前踝（C）后踝（D）66666666 NINININI中立位0.75±0.06 0.62±0.04* 1.96±0.17 1.31±0.11* 0.31±0.02 0.23±0.01* 0.43±0.03 0.28±0.01*背屈20° 0.76±0.06 0.68±0.04* 1.53±0.13 1.18±0.09* 0.94±0.07 0.49±0.03* 0.37±0.02 0.23±0.01*跖屈30° 0.29±0.01 0.17±0.01* 1.25±0.10 0.85±0.06* 0.38±0.02 0.22±0.01* 1.05±0.08 0.65±0.04*旋后外旋0.40±0.03 0.34±0.02* 1.75±0.15 1.25±0.11* 0.43±0.03 0.27±0.01* 1.94±0.17 1.36±0.11*

2.2 下胫腓联合损伤三种内固定的应力强度 足不同位置踝关节损伤（切断下胫腓联合韧带）后，进行下胫腓联合复位分别用1枚及2枚螺钉3皮质固定、两枚螺钉加1/3管型钢板固定，在四种生理运动工况下，分别测量内、外踝，胫腓骨前后踝穴处的应力强度，在同样载荷500N作用下，测出的踝关节应力强度。结果显示，1枚螺钉3皮质固定（A1）的应力强度，与正常标本相比，内踝应力强度增加平均相差6%，外踝应力强度平均增加7%，胫腓骨前、后踝穴处分别增加7%和5%，与损伤模型相比应力变化趋于平缓，恢复到原始状态，并超过原始状态，统计表明，A1组与N组相比，两组无明显差别（P＞0.05）。说明下胫腓联合损伤后行先复位，后用1枚3皮质螺钉固定，能够使踝关节恢复到原始正常稳定状态，固定牢固有效，结果与正常组接近。下胫腓联合损伤后采用两枚螺钉3皮质内固定，与1枚螺钉3皮质固定相比，内踝应力强度增加平均相差15%，外踝应力强度平均增加14%，胫腓骨前后踝穴处分别增加16%和12%，两者相比呈差异有统计学意义（P＜0.05）。说明下胫腓联合损伤后采用两枚螺钉固定，其固定后应力强度已大大超过正常组水平，非常坚固，但此时削弱与减少了踝关节活动空间，相对顺应性比较差，易产生螺钉的松动和疲劳断裂。采用2枚螺钉加1/3管型钢板联合固定后，其踝关节的应力强度比单独采用两枚螺钉固定更高，但两组无明显差异（P＞0.05）。其中内踝应力强度平均增加8%，外踝应力强度平均增加6%，胫腓骨前后踝穴处应力强度分别增加7%和6%。强度增加的原因可能是由于部分载荷通过附着在骨上1/3管型钢板来传递，固定更加牢固，但同时更带来了踝关节活动受限，关节顺应性比较差的缺点。见表3。

2.3 正常踝关节生理运动工况的刚度 正常踝关节标本（N）施加生理载荷500N，模拟足运动中立位、跖屈位（30°）、背屈位（20°）、旋后外旋位等4种运动工况，测量踝关节的轴向压缩刚度（EF）和水平剪切刚度（GF），结果见表4。正常踝关节标本的轴向刚度还是水平剪切刚度均比较大，载荷作用下的应变位移较小，如果切断下胫腓联合韧带造成损伤（I），在相同生理运动工况相同载荷作用下的轴向压缩刚度和水平剪切刚度均会大幅下降。正常标本与损伤标本两者轴向刚度和水平剪切刚度相比较，在四种生理运动工况下，EF平均减少27%，GF平均减小28%，均大幅下降，尤其在背屈位或跖屈位下降更甚，踝关节处于不稳定状态，位移变形较大，刚度下降更厉害。统计显示EF或GF均呈显著性差异（P＜0.05）。同样显示下胫腓联合损伤后必须予以牢固固定才能维持踝关节的正常刚度水平。见表4。

表3 足不同位置踝关节损伤后三种不同固定方式应力值比较（MPa，±s ）

表3 足不同位置踝关节损伤后三种不同固定方式应力值比较（MPa，±s ）

注：A、B、C、D中应力比较，B1/N、C1/N，*P＜0.05

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2.4 下胫腓联合损伤两种内固定踝关节的刚度 下胫腓联合损伤下采用一枚螺钉固定（A1）、两枚螺钉固定（B1）和两枚螺钉联合1/3管形钢板固定（C1），在四种生理运动工况及500N载荷作用下，分别测量踝关节的轴向刚度（EF）、踝关节水平剪切刚度（GF）值的变化。结果显示，一枚螺钉3皮质固定（A1）的轴向压缩刚度和水平剪切刚度，与损伤模型（I）相比有较大提高，刚度得到了有效的恢复。A1组与正常标本（N）相比，刚度均超过正常水平，四种生理运动工况下EF平均增加33%，GF增加32%，经统计有明显差异（P＜0.05）。结果显示，螺钉3皮固定满足踝关节正常刚度水平要求，固定也十分稳定。B1与A1的轴向压缩刚度和水平剪切刚度相比，在四种生理运动工况下，平均增加14%和15%，显然比一枚螺钉固定牢固得多，不但变形位移小，而且刚度均有显著增加，统计显示两组均有显著性差异（P＜0.05）。B1与C1两组相比，用两枚螺钉联合1/3管型钢板固定后，踝关节的刚度略为增加，变形与位移会小一些，但它的轴向刚度和水平剪切刚度统计呈无显著性差异（P＞0.05）。见表5。

3 讨论

下胫腓联合韧带损伤会造成踝穴不稳，是引起晚期踝关节创伤性关节炎的常见原因之一。由于下胫腓联合韧带很难进行直接修补，故一般通过固定下胫腓联合来帮助韧带愈合。临床上下胫腓联合损伤的固定方法较多，采用螺钉固定是较为主流的方法,但在置钉的方法上仍存在较多的争论。

本研究结果显示，对于单纯下胫腓联合韧带损伤造成下胫腓联合不稳采用1枚皮质骨螺钉3皮质固定即可满足重建下胫腓联合稳定的需要，且固定后的应力强度及刚度等生物力学指标较接近正常组水平。而采用2枚螺钉固定后，其生物力学指标与正常组比较则会有较大幅度的提高，说明固定强度更大，更加稳定。但下胫腓联合属于微动关节，胫腓下联合韧带的存在使胫腓下联合具有一定的生理活动度，使踝穴的宽度能够随着步态周期做相应改变[3]。下胫腓螺钉固定后，限制了踝关节正常活动时胫腓骨间的微动[4]，而固定越坚强其对踝穴对踝关节运动的顺应性的影响就越大，下胫腓螺钉所受的剪切应力过度集中，最终就会出现螺钉断裂现象，所以对于微动关节的固定并非越坚强越好，最理想的状态是既要满足关节的生物学稳定，又要最大限度地减少

表4 足不同位置时正常组（N）与损伤组（I）踝关节刚度（N/mm，±s）

表4 足不同位置时正常组（N）与损伤组（I）踝关节刚度（N/mm，±s）

注：与EF比较，*P＜0.05，**P＜0.01；N：正常组；I：损伤组

组别 标本NI 6666刚度方向轴向（EF）水平（GF）轴向（EF）水平（GF）中立位168.82±13.65 911.12±94.45** 132.56±11.76 737.50±80.63**背屈20° 184.09±14.15 971.43±85.71** 137.73±12.94 733.34±66.64**跖屈30° 152.53±12.72 175.23±17.54* 101.61±11.12 115.83±11.48*旋后外旋141.55±11.74 130.77±12.15* 104.92±11.39 86.34±7.82*

表5 不同固定方式下足不同位置时三种内固定踝关节刚度（N/mm±s）

表5 不同固定方式下足不同位置时三种内固定踝关节刚度（N/mm±s）

注：与N、I比较，*P＜0.05；与A1比较，△P＜0.05；N：正常组；I：损伤组

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对关节顺应性的影响。

下胫腓联合不稳常伴有腓骨在下胫腓联合水平以上的骨折，且外踝骨折线位置越高，踝关节越不稳定[3]。Gardner等[5]建议对于高位腓骨骨折伴下胫腓联合损伤（Maisonneuve骨折）时，用两孔3.2mm锁定钢板较2枚4.5MM螺钉更具有旋转稳定性，但下胫腓坚强固定后会减少正常的胫腓骨间微动。本实验结果表明使用2枚螺钉比1枚螺钉固定可获得更坚强的稳定，而如果加上1/3管型钢板固定则可获得更好的旋转稳定。这对于单纯的下胫腓联合韧带损伤似乎没有太大的必要，但对于伴有外踝骨折的下胫腓联合不稳，通过钢板的连接使钢板与2枚下胫腓螺钉构成框架结构，从而提供更为稳定的固定。

无论伴有或不伴有腓骨骨折的下胫腓联合损伤，采用螺钉或加用1/3管型钢板固定，在获得了充分的下胫腓稳定的同时必定或多或少地牺牲了关节的生理性活动度，且固定越坚强，所带来的异常应力越大。所以对严重的骨折及韧带损伤在选择固定方案时，应尽量兼顾稳定性与关节顺应性的平衡，不能一味地强调坚强的固定。为获得术后更好的关节功能，早期的关节不负重锻炼是必须的，而术后8～12周适时地拆除下胫腓螺钉可提高关节的活动度及功能[6]，也可以减少断钉的风险。

［1］Kellett允允.The clinical featyres of ankle syndesmosis injurises：a general review［J］.clin允Sport Med，2011，21（6）：524-529.

［2］Manjoo A，Sanders DW，Tieszer C，et al.Functional and radiographic results of patients with syndesmotic screw fixation：implications for screw removal［J］.允Orthop Trauma，2010，24（1）：2-6.

［3］何勇，顾湘杰，马昕，等.胫腓下联合分离的生物力学研究［允］.中华创伤骨科杂志，2005，7（10）：943-947.

［4］Mendelsohn ES，Hoshino CM，Harris TG，et al.The effect of obesity on early failure after operative syndesmosis injuries［允］.允Orthop Trauma，2013，27（4）：201-206.

［5］Gardner R，Yousri T，Holmes F，et al.Stabilization of the syndesmosis in the maisonneuve fracture-a biomedical study comparing two-hole locking plate and quaricortical screw fixation［J］.允Orthop Trauma，2013，27（4）：212-216.

［6］Miller AN，Paul O，Boraiah S，et al.Functional outcomes after syndesmotic screw fixation and removal［J］.允Orthop Trauma，2010，24（1）：12-16.

（收稿：2015-02-25 修回：2015-04-23）

Biomechanical Evaluation for the Stability Reconstruction of Ankle Joints with Distal Tibiofibular Syn-desmosis Injury via 3 Different Internal Fixation Methods

FEI允un1,LAI Zhen1,WU Xinhong2,WANG Yijin3, WEI Wei1. 1 Department of Orthopedics,Integrated Chinese and Western Medicine Hospital of Zhejiang Province, Hangzhou (310003),China;2 Department of Orthopedics,Pujiang County People's Hospital of Zhejiang Province, Pujiang(322200),China;3 Institute of Biomechanics,Shanghai University,Shanghai(200017),China

Objective To investigate the biomechanics of the stability reconstruction of ankle joints with distal tibiofibular syndesmosis injury by means of three cortical single screw,three cortical two screws or three cortical two screws plus 1/3 tube type plate fixation,in order to provide a scientific basis for clinical selection of effective internal fixation method.Methods Lower limbs from 6 fresh adult cadaver were used to make standard ankle injury models and then were divided into normal group,distal tibiofibular syndesmosis injury group,fixation with three cortical single screw group（A1）,fixation with three cortical 2 screws group（B1）,and fixation with three cortical 2 screws plus 1/3 tube type and plate fixation group（C1）.The load was applied on tibiofibular bone of the shank to simulate the 4 physiological movement of the foot,i.e.neutral position,plantar flexion（30°）,dorsal flexion（20°）,and supination external rotation,and the strength,stiffness,and stability of ankle joint were measured afterwards.Results After the distal tibiofibular syndesmosis injury,the strength and stiffness of the ankle joint significantly decreased compared to normal group∶the stress intensity of the medial and lateral malleolus reduced by 21%and 39%,respectively;the stress intensity of the anterior and posterior malleolus decreased by 29%and 35%,respectively;the EF and GF reduced by 27%and 28%,respectively（all P＜0.05）.The ankle joint after syndesmotic restoration with A1,B1 and C1 methods successfully gained stability;the stress intensity in A1 group was not significantly different from that in normal group（P＞0.05）,and that in B1 and C1 groups were significantly higher than that in normal group（P＜0.05）,but no significant difference was found between the former 2 groups（P＞0.05）. The EF and GF in A1,B1,and C1 groups were higher than that in normal group（P＜0.05）.The EF and GF in B1 group increased by 14%and 15%compared with those in A1 group（P＜0.05）,while no significant difference was found between B1 group and C1 group（P＞0.05）.Conclusion The fractured ankle treated with three cortical single screw fixation has similar mechanical properties to normal ankle,and those treated with other 2 methods have more strength.Too much strength may lead to decrease of joint activity compliance and stress increase,resulting in screw loosening or fatigue fracture of the ankle syndesmosis.

distal tibiofibular syndesmosis injury;internal fixation;biomechanics

浙江省医药卫生科技计划项目（No.目2013KYA163）

1浙江省中西医结合医院骨科（杭州 310003）；2浙江省浦江县人民医院骨科（浦江 322200）；3上海大学生物力学研究所（上海200017）

费骏，E-mail：jamfee67@163.com