三种不同内固定治疗胫骨平台后内侧骨折的生物力学研究

李勇1 蔡林2 李彬彬1 李治锋1 边竞1 魏杰1 龚泰芳1*

三种不同内固定治疗胫骨平台后内侧骨折的生物力学研究

李勇1 蔡林2 李彬彬1 李治锋1 边竞1 魏杰1 龚泰芳1*

目的设计一种与胫骨平台后内髁解剖形态匹配的钢板，比较其与5孔L型有限接触动力加压钢板（LCDCP）和7孔直型重建接骨板治疗胫骨平台后内侧骨折的稳定性。方法将18具胫骨平台后内侧骨折的标本随机分为3组，每组6具。其中，A组标本模型采用前内侧5孔L型LC-DCP固定，B组标本模型采用后内侧7孔直型重建接骨板固定，C组标本模型采用新设计的胫骨平台后内侧锁定钢板固定。分别测量各组标本在轴向载荷为500、1000、1500 N下的垂直位移及失效载荷。结果 A组标本分别在500、1000、1500 N下的垂直位移是（1.035±0.140）mm、（1.721±0.149）mm、（2.263±0.134）mm，B 组标本分别在 500、1000、1500 N 下的垂直位移是（0.268±0.702）mm、（0.788±0.507）mm、（1.518±0.111）mm，C 组标本分别在 500、1000、1500N 下的垂直位移是（0.180±0.049）mm、（0.578±0.103）mm、（0.760±0.055）mm。在同一载荷下，三组标本骨折块垂直位移组间比较差异均有统计学意义（P＜0.05）。A组标本失效载荷为（1234.3±56.009）N，B组标本失效载荷为（2065.8±102.098）N，C组标本失效载荷为（2544.2±92.982）N，三组间比较差异均有统计学意义（P＜0.05）。结论新设计的胫骨平台后内侧锁定钢板在治疗胫骨平台后内侧骨折上，较5孔L型LC-DCP和7孔直型重建接骨板具有更好的生物力学优势。

胫骨平台骨折；后内侧；骨板；生物力学

随着计算机断层扫描的不断改进，伴随着后内侧大块骨折的胫骨平台骨折越来越受关注 [1,2]。此类骨折骨折块偏后，不仅手术暴露和内固定比较困难，而且很难达到理想的治疗效果 [3]。目前临床使用的内固定方式大多是应用重建钢板、桡骨远端"T"形、"L"形钢板或剪去尖端的“三叶草”形钢板等，将其置于胫骨平台后内侧，达到固定骨折块并维持胫骨平台平整，但上述钢板均不是胫骨平台后内侧专用钢板，术中均需要根据胫骨平台后髁形状进行预弯、裁剪，操作复杂，且不能完全贴服后髁形状。近年来，临床上 [4,5]采用后侧手术入路能够实现对胫骨平台后柱骨折块显露、复位及固定。我们设计了一种与胫骨平台后内髁形态匹配的钢板(中国专利号：201220122223.1)，并与5孔L型有限接触动力加压钢板 (L-limited contact dynamic compression plate，LC-DCP)和 7孔直型重建接骨板进行生物力学性能比较，以证明其固定胫骨平台后内髁骨折的稳定性及合理性。

1 材料与方法

1.1 材料

设计胫骨平台后内侧锁定钢板的技术方案：一种胫骨平台后内侧锁定钢板，包括横段和纵段，横段端部与纵段的端部固联成一体；横段呈外拱形，与胫骨平台后内侧贴合，横段上设有锁定孔，纵段上设有锁定孔。纵段由前段、中段和后段组成，前段与横段垂直；中段与横段呈锐角，优选40-60°；后段与横段呈钝角，优选100-120°。所述纵段上设有螺钉孔，所述纵段上的螺钉孔优选为3-5个。锁定系统选用直径3.5mm螺钉。(见图1)

图1 本实用新型-胫骨平台后内侧锁定钢板正面结构示意图，左侧位结构示意图，俯视结构示意图

1.2 标本的选取及制作过程

标本的选取：我们在湖北医药学院解剖教研室选取了18具膝关节标本，其中，男10具，女8具；最大年龄48岁，最小年龄26岁，平均35.5岁。所有标本均无骨肿瘤、骨结核、风湿性关节炎、骨质疏松等骨关节疾病，采用Osteocore 3-EXA型骨密度仪测量标本的骨密度，通过比较无统计学差异。

标本的选取及制作过程：首先除去皮肤、脂肪、肌肉、神经、血管及肌腱，保留髌韧带、胫侧副韧带和腓侧副韧带。自胫腓关节处切除腓骨，清除股骨和胫骨表面的骨膜，清除胫侧副韧带和腓侧副韧带表面及其周围的脂肪和深筋膜。将髌韧带向下翻转，打开膝关节囊，暴露关节腔，清除腔内脂肪，充分暴露内外侧半月板和后交叉韧带。自膝关节后面切除关节囊，清除脂肪，显示后交叉韧带。将18具膝关节标本进行解剖后，股骨留取15厘米，胫骨留取25厘米。

1.3 模型的建立

统一按照Higgins[6]所描述的骨折形态制作伴随着后内侧大块骨折的胫骨平台骨折模型。(见图2)。胫骨平台后内髁骨折模型示意图 (见图3，彩图见插页)。

图2 骨折模型的制备方法

图3 胫骨平台后内髁骨折模型示意图

1.4 方法

所有的钢板、螺钉及操作工具由武汉德骼拜尔外科植入物有限公司提供。本实验中骨折块位移及失效载荷等数据的采集通过Zwick Z100型电子万能材料实验机（德国）及百分表完成。本实验在武汉理工大学生物力学中心完成(见图4)。

图4 本实验的图片

将18具制作好的标本模型随机分为3组，每组6具。其中，A组标本模型采用前内侧5孔L型LC-DCP固定骨折块（见图5 A组）。B组标本模型采用后内侧7孔直型重建接骨板固定骨折块（见图5 B组）。C组标本模型采用新设计的胫骨平台后内侧锁定钢板固定骨折块。将新设计的锁定钢板置于胫骨平台后内侧，使钢板的横段保持水平位时，横段外缘位于膝关节后侧韧带止点内缘约0.5 cm处，纵段与胫骨上端后内侧服帖。（见图5C组）。所有标本模型的操作均由同一位骨科专家完成。

图5 三组内固定物置入后示意图（彩图见插页）

1.5 生物力学测试

将准备测试的标本模型置于生物力学测试机上，作为起加载作用的股骨端固定于测试机的上方，将待测的胫骨端固定在下方的测试机的底座上。将标本固定在生物力学测试机上时，要保持股骨轴线和胫骨轴线之间夹角约7°，内侧髁长轴与矢状平面之间夹角约22°，模拟膝关节生理轴线，使结果更加接近人体真实情况。与同一胫骨匹配的股骨远端作为加载装置，直接作用于相应的胫骨平台。（见图4）安装百分表测量骨折块的垂直位移。在实验开始时，先给予纵向加载0～400N，以消除标本蠕变以及时间效应的不良影响，然后采用连续性加载直至固定失效。我们在实验测试过程中设定当骨折块的位移超过2mm时，此时的载荷为失效载荷。通过专用的计算机软件直接得出，并记录在500、1000、1500 N和最后达到失效载荷时的数据（包括载荷数据、骨折块位移数据）。

1.6 统计学处理

2 结果

在生物力学测试过程中，18具标本模型均未出现钢板、螺钉的断裂。

A、B、C三组标本模型失效载荷方面的比较，差异均有统计学意义（＜0.05）。

A、B、C三组骨折标本模型在500N、1000N、1500N载荷下骨折块的相对位移的比较，差异均有统计学意义（＜0.05）（见表 1）。

表1 三种不同内固定方法的失效载荷及载荷下的垂直位移 (±s)

3 讨论

胫骨平台骨折的治疗目的是：恢复关节面的平整，维持膝关节正常力线，牢固的固定以及早期行膝关节康复锻炼，恢复膝关节正常活动 [7]。随着螺旋 CT、三维重建的发展以及对胫骨平台后内侧髁的解剖形态学认识，伴后内侧骨折的胫骨平台骨折渐渐受到重视。后内侧骨折若不能牢固地固定，可能会导致膝关节半脱位，膝关节不稳，使膝关节早期发生退行性变 [8]。当膝关节位于屈曲位时，来自轴向的暴力或使膝部内翻的外力常引起胫骨平台后内侧髁骨折，通常发生后内髁在冠状面上的劈裂或塌陷骨折[9,10]。胫骨平台骨折的分型方法很多，目前，胫骨平台后侧骨折最常用AO/OTA[11]分型方法来指导临床治疗。对于胫骨平台后内侧骨折的内固定方式仍存在争议。我们根据后内髁解剖学形态设计了一种与之匹配的钢板，通过生物力学对比，证明其稳定性及合理性。

3.1 胫骨平台后内侧锁定钢板特点及使用方法

本实验新型的钢板针对胫骨平台后内侧设计，符合胫骨平台后内髁解剖，包括横段和纵段，横段端部与纵段的端部固联成一体；横段呈与胫骨平台贴合的外拱形，横段上设有横段多轴锁定孔，纵段上设有纵段多轴锁定孔。将新设计的锁定钢板置于胫骨平台后内侧，使横段保持水平位时，横段外缘位于膝关节后侧韧带止点内缘约0.5 cm处，纵段与胫骨上端后内侧贴服，螺钉逐一固定。钢板符合人体解剖学，能实现对胫骨平台后内侧骨折块的坚强固定，有利于患者早期行功能锻炼，有利于膝关节功能恢复，从而达到减少术后并发症的效果。

3.2 生物力学测试

骨折的生物力学测试通常测量标本模型的失效载荷以及骨折块的位移。失效载荷是指给予标本模型加载时，当骨折块的位移达到某个临界值或者整个标本模型系统出现故障导致无法测出骨折块的位移，此时的载荷即为失效载荷。在相同的加载速度下，同一类型骨折标本模型的失效载荷越小表明系统越不稳定，骨折固定越不牢固。同一类型的骨折标本模型，给予相同的加载力及加载速度，骨折块位移越大表明系统越不稳定，骨折固定的强度相对较差。有学者 [12]经过研究认为，当波及关节面的骨折移位超过3 mm，就能使关节面的应力分布异常，从而导致关节的退行性改变。临床上，对于移位大于2mm的关节面骨折，通常采取手术治疗，恢复关节面的平整。因此，在进行生物力学测试时，本实验将骨折块的位移达到2mm时的载荷为失效载荷。也有学者[13]在进行骨折标本生物力学测试时以骨折块的位移达到2 mm为标准。因为Morrison等 [14]经过测试认为膝关节活动时，膝关节的应力达到人自身重量的1～3倍，约1000 N。所以我们选取了1000N前后的载荷给予加载，也就是在生物力学测试时，加载到膝关节胫骨平台的载荷。实际上，我们在测试时，记录了500N、800N、1000N、1200N、1500N…直至固定装置失效。从中选取了500、1000、1500N时标本的数据。

3.3 三种不同方法的生物力学比较

前内侧入路有限接触动力加压钢板固定是胫骨平台内侧骨折最常用的方法，但是对于后内侧的骨折块，此入路不能充分显露骨折块。因为此入路钢板的螺钉不与骨折线垂直，很难牢固地固定后内侧骨块，而且后内侧骨折块未得到有效的支撑，所以很难对后内侧骨折块提供足够的固定稳定性。后内侧入路支撑钢板固定不仅提供了对后内侧骨折块的支撑，阻挡了骨折块向后移位，而且钢板的螺钉与骨折线垂直，可以牢固地把持住后内侧的骨折块，给予牢固地固定。临床上，也有学者 [15,16]经过研究，认为后侧入路支撑钢板固定可牢固地固定后内侧骨折块。我们的生物力学测试也表明了后侧支撑钢板固定较前内侧入路有限接触动力加压钢板能更牢固地固定胫骨平台后内侧骨折。可是，胫骨平台后内侧有重要血管、神经，可能对后内侧骨折块显露及螺钉固定造成影响。而我们设计的胫骨平台后内侧锁定钢板横段、纵段上均设有多轴锁定孔，中段与横段呈锐角，优选40～60°；后段与横段呈钝角，优选100～120°。设置中段与横段，后段与横段角度不同，是便于根据不同的患者进行调整，可以避免对血管、神经的损伤。钢板与患者的具体解剖结构相匹配，术中可减少钢板的折弯时间和手术时间，从而减少患者的痛苦；而且该钢板的横段增加了内固定的受力面积，能实现对胫骨平台后内侧骨折块的坚强固定，有利于患者早期行功能锻炼和膝关节功能恢复，从而达到减少术后并发症的目的。

本实验通过生物力学测试，表明对于伴随着后内侧大块骨折的胫骨平台骨折，新设计的胫骨平台后内侧锁定钢板较L型LC-DCP和直型重建接骨板具有更好的生物力学优势。本实验的不足是在进行膝关节生物力学测试时，加载的股骨远端与承载的胫骨平台处于伸直位接触，而没有更好地模拟胫骨平台后内髁受伤机制，使二者之间呈屈曲位接触。临床上，胫骨平台后内髁骨折的骨折类型较多，通常伴随着干骺端、关节面以及韧带，关节囊等其它部位的损伤，而本实验中伴后内侧大块骨折的胫骨平台骨折只是其中的一种，并未考虑伴随着后内侧小块骨折的胫骨平台骨折及伴随其它部位的损伤，可能使本实验有一定局限性。新设计的胫骨平台后内侧锁定钢板较其他钢板有一定优势，当然确切的结论还需要更近一步的实践证明。

[1] Barakat El-Alfy,Ayman M.Ali.Abdelrahman El-Ganiney Bicondylar tibial plateau fractures involving the posteromedial fragment:morphology based fixation[J].Acta Orthop Belg.2016,82(2):298-304.

[2] Barei DP,O′Mara TJ,Taitsman LA,et al.Frequency and fracture morphology of the posteromedial fragment in bicondylar tibial plateau fracture patterns[J].J Orthop Trauma,2008,22(3):176-182.

[3] Zhu Y,Meili S,Dong MJ,et al.Pathoanatomy and incidence of the posterolateral fractures in bicondylar tibial plateau fractures:a clinical computed tomography-based measurement and the associated biomechanical model simulation[J].Arch Orthop Trauma Surg.2014,134(10):1369-1380.

[4]Wang SQ,Gao YS,Wang JQ,et a1.Surgical approach for high-energy posterior tibial plateau fractures[J].Indian J Orthop.2011,45(2):125-131.

Biomechanical analysis of three fixations for the posteromedial tibial plateau fracture

Li Yong1,Cai Lin 2,Li Binbin1,et al.1 Department of Orthopedic,Shiyan Taihe Hospital,Hubei University of Medicine,Shiyan Hubei 442000;2 Department of Orthopaedic,Zhongnan Hospital,Wuhan University,Wuhan Hubei,430071,China

Objective Designed a new type of posteromedial plate that matching the morphology of the posteromedial condyle of tibial plateau,and compared its biomechanical properties with 5 holes L-limited contact dynamic compression plate and 7 holes straight reconstruction plate for the posteromedial tibial plateau fracture.Methods 18 patients with posteromedial tibial plateau fractures were randomly divided into 3 groups,each group with 6 cases.Among them,the group A was treated with the 5 holes L-limited contact dynamic compression plate,group B was treated with the 7 holes straight reconstruction plate,group C was treated with the new design of the posteromedial tibial plateau locking plate.The vertical displacements of the posteromedial fragments and failure loads of each specimen in the three group were measured respectively under axial loads of 500,1000 and 1500 N.Results The vertical displacements of group A under axial loads of500,1000and1500N was(1.035±0.140)mm, (1.721±0.149)mm, (2.263±0.134)mm,the vertical displacements of group B under axial loads of 500,1000 and 1500 N was(0.268±0.702)mm, (0.788±0.507)mm,(1.518±0.111)mm,the vertical displacements of group C under axial loads of500,1000and1500 N was(0.180±0.049)mm, (0.578±0.103)mm, (0.760±0.055)mm.Under the same load,comparing the vertical displacements,there were significant differences between the three groups(P＜0.05).The failure load of group A was(1234.3+56.009)N,the failure load of group B was(2065.8±102.098)N,The failure load of group C was(2544.2±92.982)N,comparing the failure load,there were significant differences between the three groups(P＜0.05).Conclusion Comparing with the 5 holes L-limited contact dynamic compression plate and 7 holes straight reconstruction plate,the new design of the posteromedial tibial plateau locking plate has better biomechanical advantages in the treatment of posteromedial tibial plateau fracture.

Tibial plateau fracture;Posteromedial;Bone plates;Biomechanics

10.3969/j.issn.1672-5972.2017.05.003

swgk2017-04-00087

R681.8

A

1湖北省十堰市太和医院（湖北医药学院附属医院）骨关节科，湖北十堰442000；2武汉大学中南医院骨科，湖北武汉430071