锁定板固定锁骨骨折生物力学测试

窦庆寅　仰明莉广东省深圳市松岗人民医院骨科，广东深圳518105

锁定板固定锁骨骨折生物力学测试

窦庆寅仰明莉
广东省深圳市松岗人民医院骨科，广东深圳518105

目的比较锁定钢板与重建钢板的生物力学特性。方法将2009年1月～2015年3月通过民政部门、医院、福利院、遗体捐献等途径获得的9具新鲜成人尸体（锁骨标本9对），随机分为重建钢板组与锁定钢板组，各9根锁骨标本。通过轴向压缩实验、三点弯试验、扭转实验比较两组生物学特性。结果在各级载荷点，锁定钢板组应变值及位移值均小于重建钢板组，差异有统计学意义（P＜0.05），载荷越大差异越明显。600 N载荷作用下，锁定钢板组轴向刚度值、应力遮挡率均显著优于重建钢板组（P＜0.05）。在各级载荷点，锁定钢板组挠度值均小于重建钢板组，差异有统计学意义（P＜0.05），载荷越大差异越明显；在20 N·m载荷作用下，锁定钢板组板侧、对侧加载弯曲刚度均显著大于重建钢板组（P＜0.05）。在各级扭矩作用下，锁定钢板组扭转角度值均小于重建钢板组，差异有统计学意义（P＜0.05），扭矩越大差异越明显；在5 N·m扭矩作用下，锁定钢板组扭转刚度显著大于重建钢板组（P＜0.05）。结论对于锁骨骨折内固定患者，锁定钢板生物力学特性优于重建钢板。

锁骨骨折；锁定钢板；重建钢板；生物力学

手术治疗成为锁骨骨折首选治疗方式，其中髓内钉及钢板是锁骨骨折患者常用的两种手术固定器械，但是髓内钉固定强度不够，易折断，且容易发生血管、肺损伤等并发症［1-2］；钢板分为“S”型重建钢板及锁定钢板两种，其中重建钢板坚固性及解剖塑性均较差，锁定钢板固定锁骨的生物力学研究较少，而与重建钢板的比较研究未见报道。广东省深圳市松岗人民医院（以下简称“我院”）对9具新鲜成人尸体锁骨标本进行锁定钢板与重建钢板固定锁骨骨折后生物力学研究，为临床上锁骨骨折选择最佳内固定器械提供依据。现报道如下：

1　材料与方法

1.1材料

以2009年1月～2015年3月通过民政部门、医院、福利院、遗体捐献等途径获得的9具新鲜成人尸体（锁骨标本9对）为研究对象，其中男6例，女3例，均为急性死亡的青壮年，年龄21～39岁，平均（28.75± 4.90）岁。所有尸体均未曾进行解剖研究，将锁骨标本完整解剖取出后，剔除软组织，测量长度并使用X线透视及进行骨密度检查，排除既往骨折等骨部疾病。采用随机数字表法分为重建钢板组及锁定钢板组，每组9根锁骨。

1.2方法

1.2.1实验仪器与材料C型臂X线透视机（荷兰飞利浦制造）；WD-5液压万能试验机（长春市月明小型试验机有限责任公司）；YJ-14数显式应变仪（华东电子仪器厂）；电阻应变片（河北省邢台金力传感元件厂）；锁定钢板及配套器械（天津市金兴达实业有限公司）；重建钢板及配套器械（德国Medicom公司）。

1.2.2骨折模型制备及固定方式将获得新鲜锁骨标本生理盐水溶液浸泡30min，用干净塑料袋密封，放置于-20℃冰箱中保存。实验前将锁骨标本25℃解冻。用标尺在锁骨中段同一部位定截骨线。根据标定的截骨线用骨锯截骨，长度为0.5 cm，制造出骨缺损。分别将重建钢板与锁定钢板经过塑形后固定于锁骨上侧。

1.3观察指标

1.3.1轴向压缩试验将锁骨标本用义齿基托树脂Ⅱ型牙托粉固定于夹具中，然后将夹具及标本置于WD-5液压万能试验机上。首先于预骨折线以远1 cm处后内侧“T”形粘贴高精度标距电阻应变片，接入应变仪。轴向压缩采用连续加载，轴向载荷设为0～600 N，设置100 N为分级载荷，记录此时锁骨的应变值和位移值。在600 N载荷作用下，计算轴向刚度和应力遮挡率；轴向刚度=轴向载荷/压缩位移；应力遮挡率=（1-σ1/σ2）×100%（σ1表示锁定钢板或者重建钢板固定后锁骨应力大小，σ2表示锁定钢板或者重建钢板未固定时锁骨应力大小）。

1.3.2三点弯试验以骨折处内侧0.5 cm处为支点，锁骨远端上表面加压，以4N·m等级加载，直至20N·m，加载方向垂直向下，计算机自动记录从板侧向对侧加载及对侧向板侧加载各级载荷点挠度值。计算在20N·m载荷作用下弯曲刚度（弯曲刚度=锁骨承受的弯距/锁骨弯曲时的转角）。

1.3.3扭转试验三点弯曲实验完成后，从锁骨远端旋向前加载以使夹具产生阻止旋转的扭转载荷，扭转载荷设为0～5 N·m，以1 N·m等级加载。在1、2、3、4、5 N·m时记录此时锁骨扭转角度值。然后按公式计算在5 N·m扭矩作用下扭转刚度（扭转刚度=扭矩大小/绝对扭角）。

1.4统计学方法

采用SPSS18.0统计学软件进行数据分析，计量资料数据用均数±标准差（x±s）表示，两组间比较采用t检验；以P＜0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1两组轴向压缩试验结果比较

在各级载荷点，锁定钢板组应变值及位移值均小于重建钢板组，差异有统计学意义（P＜0.05），载荷越大差异越明显（表1～2）。在600 N载荷作用下，锁定钢板组轴向刚度值为（765±107）N/mm，应力遮挡率为（70.6±17.3）%，重建钢板组分别为（378±63.2）N/mm、（87.3±8.30）%，锁定钢板组显著优于重建钢板组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

2.2两组三点弯试验结果比较

在各级载荷点，锁定钢板组挠度值均小于重建钢板组，差异有统计学意义（P＜0.05），载荷越大差异越明显（表3～4）。在20 N·m载荷作用下，锁定钢板组板侧加载弯曲刚度为（2018±358）N·cm/degree，对侧加载为（1874±207）N·cm/degree，重建钢板组分别为（887± 79）、（613±61）N·cm/degree，差异有统计学意义（P＜0.05）。

2.3两组扭转试验结果比较

在各级扭矩作用下，锁定钢板组扭转角度值均小于重建钢板组，差异有统计学意义（P＜0.05），扭矩越大差异越明显（表5）。在5 N·m扭矩作用下，锁定钢板组扭转刚度为（715±108）N·cm/degree，重建钢板组为（198±45）N·cm/degree，差异有统计学意义（P＜0.05）。

表1　两组轴向压缩试验各级载荷作用下应变值变化（με，±s）

表1　两组轴向压缩试验各级载荷作用下应变值变化（με，±s）

注：与重建钢板组比较，*P＜0.05

组别100 N 200N 300 N 400 N 500N 600 N重建钢板组（n=9）锁定钢板组（n=9）5.74±0.96 2.85±0.83*13.0±1.53 5.98±1.47*18.2±2.96 9.44±2.03*27.6±3.08 14.8±2.31*36.9±3.14 17.0±1.95*48.1±5.65 21.2±3.47*

3　讨论

骨折治疗的最终目的是使断裂受损的骨头愈合，恢复其生理功能。文献报道［3-4］，骨折愈合受多种因素的影响，是一个较为复杂的生物学过程。锁骨由于解剖位置的特殊性，既受到肌肉的牵拉力，又有通过韧带作用的静力及上肢产生的重力，当锁骨发生骨折时，锁骨受力大小及方向均处于失衡状态［5-6］。此时，采用任何内固定器械固定骨折，均会在骨折断端产生细微运动，而这种微力可能会造成骨痂的反复损伤，引起各种并发症，进而影响患者预后。随着生物力学固定概念的提出及研究的深入，发现良好的局部力学环境是骨折愈合的必要条件之一，应用钢板内固定术后所出现的骨质疏松是由于内固定后骨的血运遭受破坏，而生物学固定能够在内固定的进程中，使稳定程度与创伤程度处在一种微妙的平衡状态，进而保护血运，刺激骨膜骨痂生长，为骨折愈合提供了足够的稳定性。因此，把骨和骨折治疗装置看做是一个力学系统，评价治疗器械的生物性力学性能，生物力学越稳定的器械，越有助于骨折愈合［7-9］。

在锁骨骨折中，钢板成为使用最为广泛的内固定器械［10-13］。常用生物力学功能钢板有3.5mm的锁定钢板及“S”型重建钢板。国外学者对于锁定加压钢板及重建钢板治疗锁骨骨折的生物力学强度进行了研究发现，相较于锁定加压钢板，重建钢板弯曲和转矩负载下抵抗力较差［14］。而国内对于两种钢板的生物力学特性研究鲜有报道，对其生物力学特性尚未完全阐明。本研究采用锁定钢板及重建钢板固定人体离体锁骨中段骨折模型，进行轴向压缩试验、三弯点试验及扭转实验，结果显示：①轴向压缩试验中，在各级载荷点，锁定钢板组应变值及位移值均小于重建钢板组，差异有统计学意义（P＜0.05），载荷越大差异越明显，同时在600 N载荷作用下，锁定钢板组轴向刚度值显著大于重建钢板组（P＜0.05），提示锁定钢板抗轴向压缩性能在任何载荷下均较重建钢板强，且载荷越大差异越明显。②三弯点试验：在各级载荷点，锁定钢板组挠度值均小于重建钢板组，差异有统计学意义（P＜0.05），载荷越大差异越明显，同时在20 N·m载荷作用下，锁定钢板组板侧及对侧加载弯曲刚度均显著大于重建钢板组（P＜0.05），提示锁定钢板抗弯性能优于重建钢板，但随着载荷增大，抗弯性能越来越弱。③扭转实验：在各级扭矩作用下，锁定钢板组扭转角度值均小于重建钢板组，差异有统计学意义（P＜0.05），扭矩越大差异越明显，同时在5 N·m扭矩作用下，锁定钢板组扭转刚度显著大于重建钢板组（P＜0.05），提示锁定钢板抗扭转性能在任何载荷下均较重建钢板强。

表2　两组轴向压缩试验各级载荷作用下位移值变化（mm，±s）

表2　两组轴向压缩试验各级载荷作用下位移值变化（mm，±s）

注：与重建钢板组比较，*P＜0.05

组别100 N 200N 300 N 400 N 500N 600 N重建钢板组（n=9）锁定钢板组（n=9）0.29±0.07 0.14±0.06*0.58±0.12 0.24±0.09*1.07±0.20 0.39±0.11*1.62±0.31 0.56±0.15*1.84±0.26 0.61±0.17*2.16±0.38 0.75±0.21*

表3　三点弯试验各级弯矩作用下钢板板侧至对侧加载时两组挠度比较（mm，±s）

表3　三点弯试验各级弯矩作用下钢板板侧至对侧加载时两组挠度比较（mm，±s）

注：与重建钢板组比较，*P＜0.05

组别4 N·m 8 N·m 12 N·m 16 N·m 20 N·m重建钢板组（n=9）锁定钢板组（n=9）0.69±0.14 0.23±0.09*1.28±0.29 0.54±0.16*2.13±0.46 0.81±0.39*2.87±0.59 1.15±0.64*3.95±1.08 1.38±0.71*

表4　三点弯试验各级弯矩作用下钢板对侧至板侧加载时两组挠度比较（mm，±s）

表4　三点弯试验各级弯矩作用下钢板对侧至板侧加载时两组挠度比较（mm，±s）

注：与重建钢板组比较，*P＜0.05

组别4 N·m 8 N·m 12 N·m 16 N·m 20 N·m重建钢板组（n=9）锁定钢板组（n=9）0.78±0.13 0.31±0.12*1.44±0.35 0.59±0.18*2.38±0.41 0.92±0.41*3.01±0.69 1.30±0.58*3.87±0.83 1.45±0.64*

表5　扭转试验各级扭矩作用下两组扭转角度比较（±s）

表5　扭转试验各级扭矩作用下两组扭转角度比较（±s）

注：与重建钢板组比较，*P＜0.05

组别1 N·m 2 N·m 3 N·m 4 N·m 5 N·m重建钢板组（n=9）锁定钢板组（n=9）0.34±0.07 0.09±0.02*0.78±0.15 0.23±0.09*1.51±0.38 0.45±0.17*2.13±0.75 0.71±0.23*2.98±1.07 0.90±0.31*

横行骨折的纵向压应力有利于骨折愈合，但是钢板的使用会造成应力遮挡效应。应力遮挡率是指当不同弹性模量的物体并联承担载荷时，弹性模量的高低与承担的载荷呈正比，在骨折内固定领域，应力遮挡率主要指器械对骨骼生理压应力分流现象，高应力遮挡率会诱发板源性的骨质疏松，严重者会导致内固定取出后再骨折的严重并发症［15-18］。本研究中在600 N载荷作用下，锁定钢板组应力遮挡率显著小于重建钢板组（P＜0.05），提示相较于重建钢板，锁定钢板可以增加骨折端的应力刺激而促进骨折愈合，载荷越大差异越明显，考虑是由于其弹性模量较小有关。值得一提的是，本研究存在以下不足：①文献报道，为了方便骨折模型的制备，常常使用福尔马林对骨进行处理，但是防腐标本的制备过程中会出现钙磷丢失情况，降低骨密度，进而改变其生物学特性［19］。本研究中采用的尸体标本均为防腐处理标本，对生物力学特性测试结果可能存在一定程度的影响，同时本研究中为离体研究锁定钢板固定锁骨中段骨折的生物性能，不能完全反映活体的受力情况。②本研究仅选择了9具尸体进行分析，样本量较小，临床上还需要扩大样本量，期望多中心、大样本的实验能够更好评价两种钢板的生物学特性。③文献报道，上置、前置、三维等不同放置方法会对钢板的生物学特性存在影响［20］。本研究中均为上置（塑形后固定于锁骨上侧），具有一定的局限性。④本研究中均为锁骨中段骨折，不能完全反映所有锁骨骨折的类型，是否对其他类型的锁骨骨折有效，是否与其他内置物有差别，应进行深入研究。

综上所述，锁定钢板固定锁骨中段骨折在抗短缩、抗弯、抗扭刚度方面优于重建钢板，且应力遮挡率低，对于锁骨骨折内固定患者，锁定钢板生物力学特性优于重建钢板。

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Biomechanical testing of locking p late fixation for clavicle fracture

DOU Qingyin YANG Mingli
Department of Orthopedics，Songgang People＇s Hospital of Shenzhen City，Guangdong Province，Shenzhen 518105，China

Ob jective To compare the biomechanical characteristics of the locking plate and the reconstruction plate. M ethods 9 fresh adult cadavers（9 pairs of clavicle specimens）acquired from the civil affairs department，hospital，orphanage，body donation and other ways from January 2009 to March 2015 were randomly divided into the reconstruction plate group and the locking plate group，with 9 clavicle specimens in each group.The biological characteristics of the two groups were compared by the axial compression experiment，three-point bending test and torsion experiment. Resu lts At all levels of load point，the strain and displacement values in the locking plate group were less than those in the reconstruction plate group，the differenceswere statistically significant（P＜0.05），and the difference increased with the load significantly.In the 600 N of loading，the axial stiffness value，stress shielding rate in the locking plate group were significantly better than those in the reconstruction plate group（P＜0.05）.At all levels of the load point，the deflection values in the locking plate group were less than those in the reconstruction plate group，the differenceswere statistically significant（P＜0.05），and the difference increased with the load significantly.Under the load of 20 N·m，the load bending stiffness of the plate side and opposite side in the locking plate group were significantly greater than those in the reconstruction plate group（P＜0.05）.Under the action of all levels of torque，the torsion angle values in the locking plate group were less than those in the reconstruction plate group，the differences were statistically significant（P＜0.05），and the difference increased with the torque significantly.Under the action of 5 N·m torque，the torsional stiffness in the locking plate group was significantly larger than that in the reconstruction plate group（P＜0.05）.Conclusion The biomechanical properties of locking plate is better than reconstruction plate for patientswith clavicle fracture fixation.

Clavicle fracture；Locking plate；Reconstruction plate；Biomechanics

R318.01

A

1673-7210（2016）06（c）-0089-04

广东省深圳市宝安区科技计划项目（2009486）。

窦庆寅（1963.2-），硕士，主任医师；研究方向：骨科。

（2016-03-22本文编辑：程铭）