下胫腓锁定钛缆与螺钉的生物力学比较

姚树智，刘松春，左 浩，刘 磊，白 洋，苗旭漫

(解放军208医院骨科中心，吉林 长春130062)



下胫腓锁定钛缆与螺钉的生物力学比较

姚树智，刘松春，左 浩，刘 磊，白 洋，苗旭漫*

(解放军208医院骨科中心，吉林 长春130062)

在临床上，较严重的踝关节骨折经常合并下胫腓联合的损伤。为达到早期功能锻炼的目的，手术治疗仍是这类病人的有效治疗手段。固定下胫腓联合目前最常用的是全螺纹螺钉固定，属于坚强固定，无法保证下胫腓联合在各方向的微动，在负重前还需要手术取出固定下胫腓联合的螺钉，增加一次手术的风险，又加重患者经济负担。在充分分析各种固定方法的优缺点的基础上，笔者设计出下胫腓锁定钛缆固定装置(专利号ZL201220440579.X)，更符合下胫腓联合的生理状态，可以作为治疗下胫腓联合损伤的有效手段。本实验拟观察下胫腓锁定钛缆固定装置的生物力学性能，从分离位移及抗分离载荷两方面评价其抗失效性能，并与拉力螺钉内固定进行比较。

1 材料与方法

1.1 下胫腓锁定钛缆固定装置的结构 下胫腓锁定钛缆固定装置的核心是靠钛缆固定下胫腓联合，借助外侧卡块及内侧锁块将钛缆固定，可配合腓骨接骨板使用，也可单独应用于下胫腓联合损伤。该装置符合下胫腓关节的生理特性，既有足够的横向强度，又有旋转及前后、上下方向的微动，符合踝部生物力学特点，跨四皮质固定可以保证固定强度，能够克服拉力螺钉各方向坚强固定带来的断钉等并发症(见图1)。经前期生物力学测试，该装置可避免坚强固定的应力遮挡，固定后即可提供足够坚强的横向抗分离作用。待损伤愈合后与接骨板一同取出，免除提前取钉的手术，即使固定几个月后钛缆断裂，下胫腓韧带已经牢固愈合，并且由于内外侧跨四皮质固定，取出内固定也非常简单。

图1 下胫腓锁定钛缆固定装置

1.2 标本制作和分组 取12个成人尸体小腿标本，左侧6个，右侧6个，经大体观察及X线透视均证实无骨质破坏和结构异常。标本均从胫骨结节处水平截断，胫腓骨近侧断端包覆牙托粉使其平整并与小腿长轴垂直，剥离踝部软组织，保留踝关节周围韧带，切断内踝三角韧带深层，在距外踝尖8 cm处截断腓骨，并向远端切开骨间膜及下胫腓联合韧带，制做旋前-外展型Ⅲ度踝关节骨折模型，腓骨骨折处用接骨板固定，在距胫关节面上方3 cm处由腓骨向胫骨水平钻孔，且与冠状面成30度夹角。钛缆组用自行研制的下胫腓锁定钛缆固定，螺钉组拧全螺纹螺钉固定。每组标本再随机分为A、B组，各3个，B组分别进行10 000次充分屈伸活动模拟疲劳失效。所有标本制作均由同一临床骨科医生完成。生物力学测试均在吉林大学机械科学与工程学院力学实验中心SCC-44100电子万能试验机上完成。踝关节取背伸10°体位，制作专门足垫，对所有标本进行压力-分离试验，每个标本加载3次，结果取均值。最后对所有标本行抗分离载荷试验。分析比较2种方案的抗失效生物力学性能。所有标本制作后保存在零下20℃低温冰箱，实验开始前5小时取出室温下缓慢复温。

1.3 压力-分离实验 本实验主要检测固定装置的横向稳定性(见图2)。在下胫腓联合处的胫骨及腓骨上安装竖直金属卡块，以百分表顶住卡块，上下滑动标本并调整卡块使其互相平行，将标本安装于SCC-44100电子万能试验机上，足底垫足垫保持背伸10°体位，在实验开始前，每具标本预先加载5次以消除韧带蠕变。基础加载压力100N，保证标本固定，安装百分表，记录基础读数，然后垂直加载200N、400N、600N、800N。各组均采取同样的实验方法实验条件和加载负荷，加载后用百分表测量不同载荷下的分离位移值，每个标本加载三次，记录每次分离值并与基础读数求差值，做为该次测量的值，三次测量的平均值做为该标本的实验值。每组标本测量后将资料计入统计数据，得出均值及标准差，并做方差齐性分析。

1.4 最大分离载荷实验 在各标本下胫腓联合处安装分离钩，在SCC-44100电子万能试验机上逐渐加载分离拉力，直至固定失效下胫腓联合处完全分离(见图3)，记录最大分离载荷值。每个标本测量后，进行统计学分析。

图2 压力-分离实验

图3 最大分离载荷试验

2 结果

2.1 各组压力-分离实验的结果 各组标本在背伸10°体位下进行压力-分离加载，测得分离值，经方差齐性分析，各组间方差的差别无统计意义，说明总体方差相等，可以进一步应用。

表1 各组压力-分离变化值(与基础压力100N时比)

注：与钛缆A组相比，钛缆B组数值无统计意义差异；与螺钉A组相比，螺钉B组(1)P<0.05.

通过比较表1中数值，可以发现，不同压力下钛缆A组及钛缆B组的压力-分离值无统计意义的差异；而螺钉组除200N压力外，螺钉B组的压力-分离值均比螺钉A组增大且有统计学差异(P<0.05)，也就是说经模拟疲劳失效试验后，下胫腓锁定钛缆的压力-分离值并没有明显变化，而螺钉组则明显增大，说明在抗疲劳分离特性方面，下胫腓锁定钛缆要优于传统下胫腓拉力螺钉。

2.2 最大分离载荷实验的结果 见表2。将记录的分离载荷值首先经方差齐性分析，各组方差的差别无统计意义，说明总体之差相等，可以进一步应用。

表2 最大分离载荷值

注：纵向，与钛缆A组相比，螺钉A组(1)P<0.05，与钛缆B组相比，螺钉B组(2)P<0.01；横向，钛缆A组与钛缆B组相比无统计意义差异(P>0.05)，与螺钉A组相比，螺钉B组(3)P<0.05

经模拟疲劳失效试验后，钛缆B组与钛缆A组相比，最大分离载荷值无统计意义差异，而螺钉B组则较螺钉A组明显下降(P<0.05)，说明钛缆固定下胫腓联合比拉力螺钉固定具有更好的抗疲劳性能。实验中钛缆结合接骨板固定后，给予最大拉应力时是钛缆最终断裂导致固定失效的，而拉力螺钉固定是螺钉与胫骨之间的松脱导致失效，这也是钛缆组的最大分离载荷均大于螺钉组的原因。可以看出，下胫腓钛缆固定比传统螺钉固定具有更大的横向抗分离性能，且抗疲劳性能也优于螺钉固定。

3 讨论

踝关节损伤约占全身骨关节损伤的四分之一，其中下胫腓联合损伤发生率最高可达10%以上，多与骨折脱位合并损伤，也可单独发生。胫骨、腓骨下端的内外踝及距骨是构成踝关节的骨性结构，下胫腓联合韧带则是维持踝关节稳定的重要结构之一。如果下胫腓联合有分离，踝穴的宽度增加，使距骨在踝穴内活动度增加，即可造成踝关节不稳定。临床上常见的下胫腓联合分离伴腓骨下端骨折会导致踝关节严重失稳，这时必须将腓骨下端骨折及下胫腓关节正确复位、牢固固定，以充分满足踝关节的稳定性与负重要求；另一方面，正常下胫腓联合是一个微动关节，在踝关节从跖屈到背伸，踝穴宽度可增加1.5 mm，并可有5°-6°的旋转[1]，而在踝关节正常活动时，腓骨还有相对胫骨向远端的位移，这种解剖特点决定了其固定方式的特殊性。陈大伟等研究也证实，下胫腓联合为微动关节，远端腓骨相对运动与踝关节体位及受力方式有关，临床治疗下胫腓联合损伤需考虑其生理微动性[2]。

临床上应用最广泛的下胫腓拉力螺钉，属于坚强固定，在固定早期可提供足够的抗分离拉力；但其缺点也是坚强固定，固定后无法保证胫腓骨间各方向的微动，随着康复过程中踝关节的活动，其钉-骨界面会逐渐出现松动，其抗分离性能也随之降低，数月后出现断钉的情况亦不少见，因此要求临床医生在下胫腓韧带愈合后、病人完全负重前要手术取出下胫腓拉力螺钉，这就增加了一次手术痛苦及手术风险。在临床上，下胫腓联合损伤的治疗方法还有可吸收螺钉、拉环、绊钮扣钢板等，但在一定程度上存在早期折断、拉力不足、安装不便及应用局限等不足。临床上治疗下胫腓联合损伤时应重视下胫腓联合解剖特点，兼顾牢固固定和局部微动的方法将是更合理、更有利于功能恢复的治疗手段。我们创造性地将医用钛缆应用于下胫腓联合的固定中，设计了下胫腓锁定钛缆固定装置，充分发挥钛缆柔韧、坚固的特性，既能保证横向的固定强度，又允许下胫腓间有纵向及旋转微动。有文献表明，钛缆与传统钢丝相比，其拉力强度、抗疲劳能力及抗磨损程度均明显增强，分别是同直径钢丝的3-6倍和9-48倍[3]。

本实验采用钛缆固定下胫腓联合损伤，并与传统螺钉固定进行对比测试，观察模拟疲劳失效试验对不同固定方法的影响。分析实验数据可以发现，下胫腓钛缆固定比传统螺钉固定具有更大的横向抗分离性能，同时局部微动的非刚性固定特点使其抗疲劳失效性能亦优于传统下胫腓拉力螺钉，具有良好的应用前景。

[1]毛宾尧．踝足外科学[M]．第2版．北京：科学出版社，2007：399．

[2]陈大伟，李春光，李 兵，等．下胫腓联合相对运动生物力学研究[J]．国际骨科学杂志，2015，36 (1)：57．

[3]叶添文，李 阳，欧阳跃平，等．医用钛缆在髌骨粉碎性骨折治疗中的应用[J]．中国矫形外科杂志，2009，17(4)：268．

吉林省卫生计生委课题(2014ZC048)

1007-4287(2016)11-1920-03

姚树智，医学博士，副主任医师，主要从事创伤骨科的基础与临床研究。

2016-02-14)

*通讯作者