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编号:10219171
矩形髓内钉治疗胫腓骨骨折的生物力学研究
http://www.100md.com 《骨与关节损伤杂志》 1999年第6期
     作者:王新伟 吴岳嵩 赵杰 李君实 孙春方

    单位:王新伟 深圳南方医疗研究中心三九医院 518026;吴岳嵩 赵杰 上海长海医院骨科;李君实 孙春方 上海同济大学实验室

    关键词:胫腓骨骨折;生物力学;矩形髓内钉;Ender钉

    骨与关节990609

    摘要 为进一步探讨矩形髓内钉良好疗效的生物力学机制,设计本实验研究。12对24根人体胫骨标本分为两组,以同一人体左右侧作自身对照。实验组行矩形髓内钉固定,对照组行Ender钉固定。其中6对标本行扭转试验,测量扭转变形位移及扭角值,描绘扭矩—扭角曲线,并计算扭转刚度,结果进行统计学处理(t检验)。其余6对标本按内→外、外→内、前→后、后→前四个方向,行三点弯曲试验,测量弯曲负载、角位移值,数据处理同前。结果显示实验组的扭转负载及前、后弯曲负载均大于对照组(Ender钉)(P<0.01),而侧方弯曲负载与对照组无显著性差异(P>0.05)。实验组内旋扭转刚度为对照组的3.3倍;外旋扭转刚度为对照组4.6倍;前→后弯曲刚度为对照组的4.1倍;后→前弯曲刚度为对照组1.7倍。认为矩形髓内钉在抗旋转及前后抗弯等生物力学性能方面优于Ender钉。
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    Biomechanical Study of Tibiofibular Fracture Treated with Rectangle-shaped Intramedullary Nails

    Wang Xinwei,Wu Yuesong,Zhao Jie,et al.

    Orthopaedics Department of 999 Hospital of the South Medical Care Center,Shenzhen,518026.

    Abstract Following experiment was done to evaluate the biomechanical mechanism of Rectangle-shaped intramedullary nails(RIN),which was designed by Prof.Wu Yuesong in 1977.Twelve healthy adult cadavers were used,24 tibias were fractured and fixed with RIN and three point bending tests were examined in two groups,the torsion moment-torsion angle curve,bending loads-defletion curve and their stiffness were drawn and compaired statistically.Results:The anti-torsional ability of RIN is better than the Ender's nailing group(P<0.01),while in bending test,the lateral bending stiffness of tow groups were the same(P>0.05),and the antero-posterior bending stiffness of RIN was greater than Ender’s nailing(P<0.01).Authors consider that the anti-torsion and anti-bending ability in antero-posterior position of RIN were better than the Ender nail,while the lateral bending ability of two groups were the same.
, 百拇医药
    Key words Tibiofibular fracture;Biomechanics;Rectangle-shaped intramedullary nails;Ender's nails

    矩形髓内钉(Rectangle-shaped intramedullary nails简称RIN钉),自1977年发明后,国内应用已二十余年,应用医院数百家,总优良率达90.29%[1、2],有关其临床研究的论文20余篇。然而,其生物力学的研究却甚少。本文旨在通过生物力学研究揭示RIN钉临床疗效的机制。

    1 材料和方法

    健康成年人新鲜胫骨标本12对24根,其中男性8对,女性4对,平均年龄36.8±3.9岁,平均身高1.69±0.17m,胫骨长度28.3~36.7cm,平均31.8±2.8cm。标本分批获得,-40℃冰箱冷冻保存(不超过40d)。实验前24 h将标本置于4℃冷藏箱中解冻,实验前12h暴露于室温。实验前1h行X线摄片以排除损伤及骨髓腔异常,并挑选合适大小的髓内钉。标本分成两组,按同一人体左右侧行自身对照,制成胫骨中段标准横行骨折,右侧(实验组)以RIN钉固定,左侧(对照组)行Ender钉固定,为使实验具有可比性,内固定均用两根。实验分两部分:
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    1.1 扭转试验 固定后标本各6根,两端以聚乙烯树脂浇铸,自制夹具夹持。应变仪调零后,置K—50型力学扭转试验机,分别按胫骨的内旋与外旋两个方向匀速加载,每1°记录一个变形数据,共测15°。同一方向测量三次,取平均值,作为该方向的扭转变形值,再将变形值换算为扭矩值(本实验中1NM=400变形值)。测试过程中保持骨折处试件的完整,钉尾开槽处骨质劈裂者予以记录。数据行配对资料的t检查分析,扭转负载与扭角值之比即为扭转刚度。

    1.2 三点弯曲实验 其余6对标本,放于自制的凹形支架上,置Instron-1343型万能试验机上行三点弯曲试验(跨距为20cm)。每一标本按内→外,外→内,前→后,后→前四个方向测试四组数据,每组测三次。测试过程中保持试件不被破坏,最大弯曲变形达13cm时即停止试验。三次平均值即为该方向上的弯曲负载—桡位移关系的数据,将其换算为负载—角位移值,数据处理同前。
, 百拇医药
    2 结 果

    2.1 扭转试验

    结果如表1所示

    实验组(RIN钉)的同向扭转负载(外旋/内旋)较对照组(Ender钉)大,二组差异显著(P<0.01)。实验组与对照组各自的内旋扭转负载与外旋扭转负载均无显著性差异(P>0.05)。

    实验组(RIN钉)外旋转扭转刚度为0.23N.m/度,为对照组的4倍,内旋扭转刚度为0.2N*m/度,为对照组的3倍。

    在扭转加载末期,RIN钉固定组窗口劈裂3处,Ender钉1处。

    2.2 三点弯曲试验

    三点弯曲试验结果见表2
, 百拇医药
    实验组(RIN钉)的侧方弯曲(内→外或外→内)负载与对照组(Ender钉)无显著性差异(P>0.05),实验组的前→后、后→前弯曲负载均较对照组大,二者相比有显著性差异(P<0.01)。

    实验组和对照组的内→外弯曲负载均较其外→内弯曲负载大,差异有显著性(P<0.05)。

    实验组(RIN钉)的前→后弯曲刚度为205.4N.m/度,为对照组(50.4N.m/度)的4倍,后→前弯曲刚度77.6N.m/度,而对照组为45.3N.m/度,为对照组的1.7倍。

    表1 RIN钉与Ender钉扭矩—扭角值 扭角(°)

    内旋扭矩(NM)

    外旋扭矩(NM)
, 百拇医药
    RIN钉

    Ender钉

    RIN钉

    Ender钉

    1

    0.236

    0.385

    0.131

    0.203

    2

    0.456

    0.553

    0.391
, 百拇医药
    0.441

    3

    0.553

    0.661

    0.640

    0.606

    4

    0.848

    0.742

    0.702

    0.693

    5

    1.049
, 百拇医药
    0.782

    0.959

    0.788

    6

    1.140

    0.884

    1.248

    0.842

    7

    1.480

    0.974

    1.438

    0.908
, http://www.100md.com
    8

    1.715

    1.060

    1.606

    1.018

    9

    1.850

    1.256

    2.027

    1.137

    10

    2.275

    1.357
, 百拇医药
    2.118

    1.290

    11

    2.542

    1.238

    2.405

    1.408

    12

    2.759

    1.312

    2.660

    1.320

    13
, 百拇医药
    2.970

    1.039

    2.864

    1.367

    14

    3.150

    1.120

    3.065

    1.101

    15

    3.263

    1.179

    3.203
, 百拇医药
    1.155

    表2 RIN钉与Ender钉的三点弯曲负载—位移值表 角位移(°)

    桡位移

    (mm)

    负载(NM)

    内→外

    外→内

    前→后

    后→前

    RIN

    Ender

    RIN
, 百拇医药
    Ender

    RIN

    Ender

    RIN

    Ender

    0.5

    0.87

    84

    56

    33

    33

    90

    52
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    96

    35

    1

    1.75

    115

    96

    66

    58

    165

    70

    160

    60

    1.5

    2.62
, 百拇医药
    134

    138

    102

    78

    210

    92

    222

    82

    2

    3.49

    160

    170

    136

, 百拇医药     108

    298

    108

    278

    100

    2.5

    4.37

    190

    200

    162

    140

    410

    140

, 百拇医药     315

    125

    3

    5.24

    216

    224

    180

    177

    574

    158

    370

    140

    3.5

, http://www.100md.com     6.12

    240

    244

    194

    205

    690

    180

    412

    162

    4

    6.99

    260

    272

, 百拇医药     204

    236

    770

    200

    448

    190

    4.5

    7.87

    288

    292

    208

    266

    858

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    482

    215

    5

    8.75

    306

    320

    220

    292

    940

    260

    510

    240

, 百拇医药     5.5

    9.63

    322

    342

    230

    320

    1050

    292

    542

    262

    6

    10.51

    334

, 百拇医药     374

    236

    344

    1200

    320

    570

    284

    6.5

    11.39

    338

    392

    246

    366
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    1280

    340

    592

    308

    7

    12.48

    340

    500

    254

    386

    382

    608

    328
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    3 讨 论

    普通单根髓内钉对骨折的固定作用,是靠髓内钉所提供的向四周骨皮质的嵌压力来维持的,因此,只有对发生于骨髓腔狭部附近且不严重粉碎的骨折,髓内钉固定才是最有效的[3~5]。胫骨的髓腔狭部相对较短,用单钉固定的适应证较窄,常需借助多根髓内钉的弹性固定或锁式髓内钉固定[6]。矩形弹性髓内钉在国内数百家医院二十余年的临床应用表明,该钉治疗胫腓骨骨折疗效要优于Ender钉[1、2、7]。我们认为,RIN钉的生物力学特点是其优良临床疗效的一个最重要因素。

    3.1 抗弯性能 本实验显示,RIN钉的侧方弯曲刚度与对照组(Ender钉)相当,而前后弯曲刚度为对照组的4倍。临床资料表明,Ender钉治疗胫腓骨骨折易产生成角畸形尤其是前后成角畸形[7]。RIN钉在预防固定后成角移位方面更优。

    3.2 抗旋转性能 一般认为,普通髓内钉的抗旋转性能较差,因而其应用受到限制,锁式髓内钉和可屈性髓内钉的出现,相对扩大了其适应证。RIN钉与Ender钉在髓腔内均呈弹性固定,借助于钉骨接触面上的点压力增大了其抗旋转性能,但二者在髓腔内的空间分布上尚有差异。
, 百拇医药
    3.2.1 空间分布 RIN钉在髓腔内呈“)(”状分布,而Ender钉呈“X”状分布,也就是说,矩钉的最大弓背处,二钉相遇,合而为一,成为一个稳定的整体;而Ender钉二钉在髓腔内互相交叉、各自独立,易绕胫骨的中性轴旋转,导致其抗旋转性能不足[7]

    图1 RIN钉与Ender钉髓腔分布示意图

    3.2.2 插钉窗口的生物力学 RIN钉与胫骨上端骨窗口处亦形成一个四点相嵌的小矩形,其长宽不等的截面,在扭转负载下形成一对力偶,因而能承担一部分施加于整个标本上的负载,这一点有点类似锁式髓内钉中锁定螺钉的作用;而Ender钉呈圆形,易旋转,因而窗口处所承担的扭转负载较小,削弱了其对扭转负载的吸收。本实验中发现,在扭转试验中,RIN钉的窗口处劈裂者要较Ender钉多,表明其所分担的扭转负载较Ender钉大。
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    图2 RIN钉与Ender钉插窗口示意图

    3.2.3 横截面上的生物力学 RIN钉在髓腔狭部横截面上呈三角形,具有几何学上的稳定性,同时材料分布远离胫骨中性轴,因而极惯性矩J较大,抗旋转性能较强;Ender钉固定后横截面呈扁圆形,且二钉材料分布近中性轴,不能最大限度的发挥弹性固定的抗旋转功能。

    图3 RIN钉固定截面为三角形,Ender钉呈扁长形

    3.3 骨骼本身的应力分布 众所周知,胫骨并非一个力学性能均匀一致的圆管状,其前后、左右力学性能均不对称,后部为压力侧,前部为张力侧,外侧为压力侧,内侧为张力侧。本实验显示,不管是RIN钉还是Ender钉,其各自的前后弯曲负载均显著大于后→前弯曲负载,内→外弯曲负载显著大于外→内弯曲负载,也即其压力侧抗弯性能小于张力侧。因而我们设想,设计压力侧抗弯强度大于张力侧的非对称性髓内钉,是否更符合生物力学原理。
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    由于设计上及空间分布上的特点,RIN钉在胫骨髓腔内通过几何学及生物力学等多种因素形成一个“整体稳定的框架结构”[2],治疗胫腓骨骨折时,在控制固定后的前后成角及旋转成角方面,更优于Ender钉。

    参考文献

    1 吴岳嵩,徐伯诚.矩形髓内钉的设计及其临床应用.中华骨科杂志,1991,11(6):405.

    2 吴岳嵩,王新伟,陈建武 等.矩形髓内钉治疗胫腓骨骨折4682例十年临床统计及分析.全国第八届骨折内固定学术会议论文汇编,上海:1997,10.

    3 罗先正,邱贵兴.髓内钉外科学.人民卫生出版社,1997,1.

    4 Richard R.Tarr M S,et al.The Mechanics and biology of intramedullary fracture fixation.Clin Orthop,1978,212:10.

    5 Aallen W C,Piotrowski G,Burstein A H.Iomechanical principles of intramedullary fixation.Clin Orthop,1968,60:13.

    6 韩一生,殷奇,刘建 等.非扩髓型胫骨内锁髓内钉临床应用初步报告.骨与关节损伤杂志,1996,11(1):15.

    7 张雪非,丁玉林 等.应用Ender钉治疗胫骨干骨折的失败经验.中华骨科杂志,1992,12(1):250.

    收稿:1999—09—15, 百拇医药