儿童骨折内固定术后应力遮挡致骨吸收治疗研究*

张龙华,凡则能,甘 泉,刘 炜,蒋 俊,曾德妙△

(1.云南省滇南中心医院/红河州第一人民医院骨科诊疗中心,云南 蒙自 661100;2.武警云南省总队机动第二支队卫生队,云南 迪庆 674499)

应力遮挡效应(Stress shielding)即当二个或二个以上具有不同弹性模量的成分组成一个机械系统时,将会发生载荷、应力和应变重新分配现象。具有较高弹性模量的成分承担较多的载荷,较低者少承担或不承担载荷,应变也相应减少。骨科内/外固定材料大多和骨骼是不同质地的材料,骨折内/外固定术后,骨折愈合初期内/外固定装置能承担应力,保证良好的力学环境,利于骨折愈合。但在骨折愈合后期,应力遮挡效应则导致正常的生理应力刺激被屏蔽,如这种作用的长期存在,将导致骨质疏松和骨强度下降、甚至骨质吸收等不利变化[1],因此需要采取相应的措施。本文纳入2015年1月-2020年8月期间,在云南省滇南中心医院医院骨科诊疗中心收治的5例儿童骨折内固定术后骨质吸收、骨骼变细的临床病例,现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2015年1月-2020年8月本科室收治的儿童骨折内固定术后骨质吸收患者5例,男2例、女3例,年龄为3～8岁。5例患者均在本科室行手术治疗,并予以外固定、对症及定期复查等处理,见表1。纳入标准:(1)儿童患者;(2)切开复位内固定患者;(3)无神经血管损伤者。排除标准:(1)成年患者;(2)合并术后感染、慢性骨髓炎患者;(3)肢体神经血管损伤患者;(4)存在骨代谢异常患者:如成骨不全、甲状腺功能不全等;(5)不能配合治疗或不能获得规范随访者。

表1 5例骨折术后局部骨质吸收患儿临床资料

1.2 临床表现及治疗

5例患者均为儿童,骨折内固定术后定期复查,术后1月时骨折作为骨痂生长明显,3～5月时逐渐出现骨质吸收情况,予以取出内固定物并石膏保护下适当功能锻炼,术后继续定期回院复查,所有患儿术后定期复查时均见骨质吸收情况以及逆转,骨量及骨骼形态基本恢复正常。

典型病例(病例1):患儿女性,5岁零5月,2016年03月27日因“左尺桡骨骨折术后7月余”以“左尺桡骨骨折术后,骨性愈合”收住院治疗。患儿于2015年8月摔伤左前臂疼痛,畸形,活动受限13 d后到于本院住院并行左尺桡骨骨折切开复位钢板内固定术见图1,术后复查X线见骨折复位良好,内固定物位置良好,术口恢复可,出院后定期复查X线,3月23日复查DR示骨折已愈合见图2,予收住院。患儿病程中精神可,饮食,大小便正常,体重无明显改变。专科检查:左前臂内外侧分别见纵行陈旧性手术瘢痕,左肘及左腕屈伸活动正常,左前臂旋转活动正常,左上肢远端皮肤感觉良好,肢端循环良好。术前生化及血常规等抽血检查未见异常。无明显手术禁忌症后行内固定物物取出,术中见尺骨明显吸收、变薄、变细,内固定物取出术后予石膏固定并复查X线见图3A、3B。术后6月复查X线见尺骨形态基本恢复正常见图3C、3D。

图1 术前及术后X线(A、B术前X线;C、D术后X线)

图2 术后复查X线(A、B 术后2月时X线;C、D术后5月时X线)

图3 内固定物取出后复查X线(A、B 术后;C、D术后6月时X线)

2 讨论

骨折多见于儿童及老年人,部分需行手术治疗[3],主要有闭合复位固定或传统切开复位固定、微创及镜下复位固定等术式,固定材料更为丰富,如何选择一种合适的手术方式和合理的固定材料已经成为手术的重要内容,术后的锻炼和康复也影响了肢体功能的恢复程度。儿童骨折作为骨折中的特殊情况,不合适的术式和固定材料的选择可能导致最终的治疗失败。

弹性模量是物质的特性之一,不同材料具有不同的弹性模量,不同的弹性模量即导致了应力遮挡,生物材料与金属材料之间的弹性模量相差明显,坚硬的内固定材料如钢板对于骨折段所造成的应力遮挡可致使局部骨质疏松、甚至再骨折[4]。骨折固定材质的强度越高,这种应力遮挡表现的越明显,有动物实验表明坚硬接骨板下可出现骨萎缩、骨质吸收,甚至再骨折。其原因是接骨板下骨量的丢失导致局部失应力性骨质疏松、骨折段的强度减低[5]。

经在1975年至2021年PubMed、Sciencedirect、中国知网等文献检索发现,1例患儿尺骨干部分吸收并多次手术及植骨治疗仍未能治愈骨折[6],部分患者内固定物取出后出现再骨折[7],见表2。近年来,应力遮挡所致再骨折等不良事件已较为罕见,大多对应力遮挡的研究集中在机制研究和新材料的研发上[8]。也有患者因为应力遮挡致骨折不愈合,钢板应力集中最终导致钢板断裂[9]。目前,学者们普遍认为应力遮挡在骨折固定初期是必须的,早期可避免骨折处受到过大的应力,有效保证骨折区良好的力学环境、利于骨折的愈合,但固定后期,骨折愈合后,固定装置的应力遮挡效应会导致局部骨组织的失用性改变[10]。

表2 文献病例汇总

也有学者认为,骨折后固定装置下的骨质疏松、骨质吸收原因复杂,除应力遮挡之外,血管影响、术肢活动量减少、神经损伤、骨折复位不良等也是因素之一。同时,这些因素还会影响肢体康复和最终疗效。对此,AO系统提出了骨折手术的四大原则:(1)骨折解剖复位;(2)绝对可靠的符合生物力学的坚强固定;(3)保护骨折局部的血供;(4)早期活动骨折邻近的关节,防止骨折病的发生[11]。随着医学材料的发展,各固定装置的弹性模量进一步接近人体骨骼弹性模量,3D打印技术则设计了更为个性化外观和质地的固定装置[12];可吸收内固定装置在骨折愈合后则逐渐被机体吸收而消除局部应力遮挡并避免了二次手术所导致的局部血供和组织损伤[13];而髓内钉、llizarov外固定装置、桥接钢板、解剖钢板、锁定钢板、以及其他特殊钢板或螺钉等内固定装置的出现为骨折手术提供了更多更合适患者个体的选择[14-16]。同时,手术方式在很大程度上有了飞速的发展,关节镜及微创经皮钢板内固定(Minimally invasive percutaneous plate osteosynthesis,MIPPO)技术、闭合复位髓内钉或外固定架等微创术式的出现,在很大程度上保护了局部血供,减少了再骨折风险。近年来,因为术后应力遮挡而导致的再骨折已经鲜有报道。而儿童骨折,因为其骨质构造的特殊性和快速生长的特性,在治疗措施和术后处理上存在一定的特殊性,有研究提示,应力遮挡问题的关键在于固定材料究竟分担了多少骨骼的应力,因为固定材料对骨骼的力学分流还与固定材料的空间构型、横截面积、肢体的功能状态等相关[17],固定材料过于坚强甚至剥夺骨骼的剪切应力时,不仅会导致愈合障碍,甚至会影响骨骼的增粗机制,导致长骨萎缩变细[18],而大多数儿童骨骼直径相对内固定钢板较小,且骨质柔韧,强度不足,导致其弹性模量与内固定材料相差更大,应力遮挡效应更为明显,本报道中5例患儿虽出现了局部应力遮挡效应所致骨质吸收,尤其是上述典型病例,尺桡骨干明显吸收、变细,吸收方向与钢板放置方向一致,与既往研究结果相符。但因为及时辅以石膏固定和适当功能锻炼等干预,并未出现内固定取出术后再骨折,随访6月后发现骨质已恢复正常。既往也有研究提示,通过对骨折后骨质吸收的未成年患者更换骨折固定方式和适当锻炼,可以改变应力遮挡效应、尽快恢复骨质正常结构[19,20],与该研究基本符合。

总之,应力遮挡效应是普遍存在于各类骨折固定术后,尤其是儿童骨折,正确的固定装置选取、恰当的手术方式和合理的功能锻炼、术后定期复查是预防和降低应力遮挡效应的有效措施[21],如一旦发现局部骨质吸收和再骨折等情况则须予以积极的治疗。