引用本文： 刘宗超, 田泽高, 蒋燕, 王振龙, 刘勇, 鲁晓波. 三维外固定支架应用于骨质疏松骨折的生物力学研究. 中国修复重建外科杂志, 2015, 29(2): 145-148. doi: 10.7507/1002-1892.20150031 复制
目前，我国已快速进入老龄化社会，人口老龄化使骨质疏松症（osteoporosis，OP）发病率越来越高，骨质疏松骨折发病率及费用也逐年升高[1]。骨质疏松骨折患者往往高龄并伴多种内科疾病，治疗困难，所以亟需寻找一种快速、有效、创伤小的治疗策略[2]。随着三维外固定支架材质及构架的改良，其力学稳定性越来越好，加之微创特点，其有望成为骨质疏松骨折的固定方式。本实验通过制备骨质疏松骨折模型，测试比较三维外固定支架、钢板以及髓内钉固定的生物力学特点，为三维外固定支架治疗骨质疏松骨折提供生物力学理论依据。报告如下。
1 材料与方法
1.1 实验材料及主要仪器
45具新鲜成人冰冻胫骨标本，均经X线片排除病理性骨折，由泸州医学院解剖教研室提供。三维外固定支架（ORthofix公司，意大利）；钢板螺钉（苏州海欧斯医疗器械有限公司）。
WDW-100D 型微机控制电子万能试验机及其测控系统1.6软件（实验力准确度±0.5%，位移测量准确度0.001 mm；济南试金集团有限公司）；NJ-50B型扭转试验机（精度0.1°，扭矩0.01 N·m；宁夏青山试验机有限公司）；C臂X线机（通用公司，美国）；三点弯曲试验机（泸州医学院中心实验室提供）；定量 CT、QCT-3000 Bone Densitometry Report 软件（GE 公司，美国）。
1.2 实验方法
1.2.1 快速制备胫骨骨质疏松体外模型
按照文献[3]方法快速制备胫骨骨质疏松体外模型。取45具新鲜成人冰冻胫骨标本，经18%EDTA脱钙处理6～15 d，制备QCT试模[4]，设定QCT扫描参数，测定胫骨平台 CT 值，将数据输入QCT-3000 Bone Densitometry Report 软件并计算骨矿物质密度，使其符合中国人群原发性 OP 诊断标准[5]，未达到标准者继续脱钙处理直至达到OP 诊断标准。
1.2.2 胫骨中段短斜形骨折模型制备
取胫骨中下1/3前侧为起始点，用线锯沿起始点向后上成30°角锯断，制作胫骨中段短斜形不稳定骨折模型[6]。将45具骨折模型随机分为3组（n=15），分别采用三维外固定支架、髓内钉以及钢板螺钉固定骨折。
1.2.3 生物力学测试
① 抗轴向压缩力学测试：各组随机取5具固定标本，根据压缩机的压缩面制备模具。将牙托粉放置于模型中，调制牙托粉，将胫骨两端放置牙托粉中，浇铸后检查是否松动；若牢靠，依次固定于电子万能试验机上，轴向压缩负荷从0 N逐渐增加至800 N，获得负荷-位移数据，比较轴向压缩负荷为250、500、750 N时各组位移大小。
② 抗弯曲力学测试：各组随机取5具固定标本，根据三点弯曲试验机底座制备模具。将牙托粉放置于模型中，调制牙托粉，将胫骨两端放置牙托粉中，浇铸后检查是否松动；若牢靠，依次固定于电子万能试验机上，弯曲力从0 N·m 逐渐增加至8 N·m，获得弯曲力-挠度数据，比较弯曲力为2、4、6 N·m时各组挠度大小。
③ 抗扭转力学测试：各组随机取5具固定标本，根据扭转试验机的咬口制备模具。将牙托粉放置于模型中，调制牙托粉，将胫骨两端放置牙托粉中，浇铸后检查是否松动；若牢靠，依次固定于扭转试验机上，扭矩从0 N·m逐渐增加至6 N·m，获得扭矩-扭角数据，比较扭矩为1、3、5 N·m时各组扭角大小。
1.3 统计学方法
采用SPSS13.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，组间比较采用方差分析，两两比较采用SNK检验；检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 抗轴向压缩力学测试
轴向压缩负荷为250、500、750 N时，三维外固定支架组及髓内钉组位移显著低于钢板螺钉组，差异有统计学意义（P＜0.05）；三维外固定支架组及髓内钉组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。见表 1。
表1
各组抗轴向压缩力学测试结果（n=5，mm，x±s）
Table1.
The axial compression test results of each group（n=5，mm，x±s）
2.2 抗弯曲力学测试
弯曲力为2、4、6 N·m时，三维外固定支架组及髓内钉组挠度显著低于钢板螺钉组，差异有统计学意义（P＜0.05）；三维外固定支架组及髓内钉组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。见表 2。
表2
各组抗弯曲力学测试结果（n=5，mm，x±s）
Table2.
The three-point bending test results of each group（n=5，mm，x±s）
2.3 抗扭转力学测试
扭矩为1、3、5 N·m时，三维外固定支架组及髓内钉组扭角显著低于钢板螺钉组，差异有统计学意义（P＜0.05）；三维外固定支架组及髓内钉组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。见表 3。
表3
各组抗扭转力学测试结果（n=5，°，x±s）
Table3.
The torsion test results of each group（n=5，°，x±s）
3 讨论
3.1 骨质疏松骨折的治疗特点
OP是指由于骨量减少和骨架微结构破坏，骨脆性增加，导致骨折风险增加[7]。骨质疏松骨折保守治疗长期制动易导致继发性骨质疏松，骨丢失愈发严重。采用钢板、螺钉及髓内钉对骨折进行内固定，虽可获坚强固定，但对固定段骨质造成应力遮挡，同时接骨板下皮质骨血供受损，局部骨密度下降，形成局限性骨质疏松。内固定越坚强，对骨折稳定性越好，但同时应力遮挡效应也越大，由此造成的局限性骨质疏松可能导致内固定物去除后再骨折[8]。赵晓刚等[9]认为骨质疏松骨皮质变薄，螺钉咬合力降低，骨质疏松骨干骨折应采取相对稳定的固定方式。
随着AO、BO理论的探索与更新，中国接骨学（Chinese osteosynthesis，CO）即中西医结合治疗骨折，已形成独立的理论体系，其指导思想是“动静结合、筋骨并重、内外兼治、医患合作”[10]。CO强调复位的最终目的不是功能代替，而是利用器械创造一种发挥人体内部一切积极因素，实现自我修复的最优条件，即强调弹性固定、有限与微创，骨折的Ⅱ期愈合，而三维外固定支架系统可满足该条件。
3.2 三维外固定支架的特点
三维外固定支架治疗骨折不仅可减少创伤、减少骨折端不必要血供破坏、节省手术时间，同时更为早期功能锻炼、骨折愈合和康复提供了保证[11]。三维外固定支架对骨折实行三维固定，每个与骨干平行的面均为三角形，是典型力学稳定结构，支架无需与骨面接触，安置时无需剥离骨膜，安置到位后又不会对骨膜施压，避免了对骨膜血供的破坏，达到保护骨骼血供的目的。
骨端区域的自攻半针位置与角度可根据骨折和肢体的神经血管进行调整，可对骨折实行加压和延长，半针旋紧后与支架融为一体，组成一个三维固定支架，增加了外固定结构的稳定性。
该支架每组的2枚半针实行交叉进针，2枚针在两个不同平面，在骨内交叉固定，增强了针的把持力，使骨折处有足够固定强度，能够满足老年患者早期功能锻炼，减少因长期卧床引起的各种并发症，打破了“骨质疏松-骨折-固定-更加疏松-再骨折”的恶性循环模式。
3.3 三维外固定支架生物力学分析
在轴向压缩方面，从生物力学观点来看，固定物与骨组成整体结构共同负重，弹性模量大的部分将承受大部分载荷，导致另一部分产生应力遮挡效应。理想固定材料应是弹性模量接近于骨的弹性模量，同时具有一定刚度。本试验结果显示，三维外固定支架轴向压缩刚度和髓内钉相近，应变分布均匀，既具有坚强的固定功能，又符合弹性固定原理，保证了患者术后可早期下床活动。而抗弯曲力学测试和抗扭转力学测试显示，三维外固定支架在抗弯曲、抗扭转性能方面与髓内钉相似，并优于钢板螺钉（P＜0.05）。
3.4 本实验不足之处
① 骨质疏松骨折好发于四肢长骨骨端，如桡骨、股骨颈、股骨转子间等，而本试验选择胫骨干制备骨质疏松骨折模型，临床类似患者相对较少。但本试验目的基于比较3种固定物的力学性能，即满足在相同条件下进行比较，故如此设计。② 对于骨质疏松模型是否复制成功，需要客观指标来判断[12-13]。本实验采用快速制备骨质疏松体外模型符合其评价结果，但与传统去势法建立的骨质疏松体外模型的脱钙机制不同[14]，哪种方法更适合并更接近人体骨质疏松，尚有待进一步实验证实。③ 试验标本均为浸泡脱钙的胫骨，其骨质抗弯曲、扭转强度可能降低或增高，与人体胫骨实体生物力学性能有一定差距。④ 本试验仅研究了三维外固定支架自身的各种力学数据以及局部分析，分析手段上略显单一，模拟人体生理状况不够充分。⑤ 试验样本有限。
综上述，三维外固定支架抗轴向压缩明显优于钢板螺钉，略低于髓内钉，抗弯曲、抗扭转性能与髓内钉相似并优于钢板螺钉，对骨质疏松骨折进行多平面立体三维固定后，固定牢靠，生物力学方面能够满足骨折疏松骨折内固定需要。
目前，我国已快速进入老龄化社会，人口老龄化使骨质疏松症（osteoporosis，OP）发病率越来越高，骨质疏松骨折发病率及费用也逐年升高[1]。骨质疏松骨折患者往往高龄并伴多种内科疾病，治疗困难，所以亟需寻找一种快速、有效、创伤小的治疗策略[2]。随着三维外固定支架材质及构架的改良，其力学稳定性越来越好，加之微创特点，其有望成为骨质疏松骨折的固定方式。本实验通过制备骨质疏松骨折模型，测试比较三维外固定支架、钢板以及髓内钉固定的生物力学特点，为三维外固定支架治疗骨质疏松骨折提供生物力学理论依据。报告如下。
1 材料与方法
1.1 实验材料及主要仪器
45具新鲜成人冰冻胫骨标本，均经X线片排除病理性骨折，由泸州医学院解剖教研室提供。三维外固定支架（ORthofix公司，意大利）；钢板螺钉（苏州海欧斯医疗器械有限公司）。
WDW-100D 型微机控制电子万能试验机及其测控系统1.6软件（实验力准确度±0.5%，位移测量准确度0.001 mm；济南试金集团有限公司）；NJ-50B型扭转试验机（精度0.1°，扭矩0.01 N·m；宁夏青山试验机有限公司）；C臂X线机（通用公司，美国）；三点弯曲试验机（泸州医学院中心实验室提供）；定量 CT、QCT-3000 Bone Densitometry Report 软件（GE 公司，美国）。
1.2 实验方法
1.2.1 快速制备胫骨骨质疏松体外模型
按照文献[3]方法快速制备胫骨骨质疏松体外模型。取45具新鲜成人冰冻胫骨标本，经18%EDTA脱钙处理6～15 d，制备QCT试模[4]，设定QCT扫描参数，测定胫骨平台 CT 值，将数据输入QCT-3000 Bone Densitometry Report 软件并计算骨矿物质密度，使其符合中国人群原发性 OP 诊断标准[5]，未达到标准者继续脱钙处理直至达到OP 诊断标准。
1.2.2 胫骨中段短斜形骨折模型制备
取胫骨中下1/3前侧为起始点，用线锯沿起始点向后上成30°角锯断，制作胫骨中段短斜形不稳定骨折模型[6]。将45具骨折模型随机分为3组（n=15），分别采用三维外固定支架、髓内钉以及钢板螺钉固定骨折。
1.2.3 生物力学测试
① 抗轴向压缩力学测试：各组随机取5具固定标本，根据压缩机的压缩面制备模具。将牙托粉放置于模型中，调制牙托粉，将胫骨两端放置牙托粉中，浇铸后检查是否松动；若牢靠，依次固定于电子万能试验机上，轴向压缩负荷从0 N逐渐增加至800 N，获得负荷-位移数据，比较轴向压缩负荷为250、500、750 N时各组位移大小。
② 抗弯曲力学测试：各组随机取5具固定标本，根据三点弯曲试验机底座制备模具。将牙托粉放置于模型中，调制牙托粉，将胫骨两端放置牙托粉中，浇铸后检查是否松动；若牢靠，依次固定于电子万能试验机上，弯曲力从0 N·m 逐渐增加至8 N·m，获得弯曲力-挠度数据，比较弯曲力为2、4、6 N·m时各组挠度大小。
③ 抗扭转力学测试：各组随机取5具固定标本，根据扭转试验机的咬口制备模具。将牙托粉放置于模型中，调制牙托粉，将胫骨两端放置牙托粉中，浇铸后检查是否松动；若牢靠，依次固定于扭转试验机上，扭矩从0 N·m逐渐增加至6 N·m，获得扭矩-扭角数据，比较扭矩为1、3、5 N·m时各组扭角大小。
1.3 统计学方法
采用SPSS13.0统计软件进行分析。数据以均数±标准差表示，组间比较采用方差分析，两两比较采用SNK检验；检验水准α=0.05。
2 结果
2.1 抗轴向压缩力学测试
轴向压缩负荷为250、500、750 N时，三维外固定支架组及髓内钉组位移显著低于钢板螺钉组，差异有统计学意义（P＜0.05）；三维外固定支架组及髓内钉组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。见表 1。
表1
各组抗轴向压缩力学测试结果（n=5，mm，x±s）
Table1.
The axial compression test results of each group（n=5，mm，x±s）
2.2 抗弯曲力学测试
弯曲力为2、4、6 N·m时，三维外固定支架组及髓内钉组挠度显著低于钢板螺钉组，差异有统计学意义（P＜0.05）；三维外固定支架组及髓内钉组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。见表 2。
表2
各组抗弯曲力学测试结果（n=5，mm，x±s）
Table2.
The three-point bending test results of each group（n=5，mm，x±s）
2.3 抗扭转力学测试
扭矩为1、3、5 N·m时，三维外固定支架组及髓内钉组扭角显著低于钢板螺钉组，差异有统计学意义（P＜0.05）；三维外固定支架组及髓内钉组间比较差异无统计学意义（P＞0.05）。见表 3。
表3
各组抗扭转力学测试结果（n=5，°，x±s）
Table3.
The torsion test results of each group（n=5，°，x±s）
3 讨论
3.1 骨质疏松骨折的治疗特点
OP是指由于骨量减少和骨架微结构破坏，骨脆性增加，导致骨折风险增加[7]。骨质疏松骨折保守治疗长期制动易导致继发性骨质疏松，骨丢失愈发严重。采用钢板、螺钉及髓内钉对骨折进行内固定，虽可获坚强固定，但对固定段骨质造成应力遮挡，同时接骨板下皮质骨血供受损，局部骨密度下降，形成局限性骨质疏松。内固定越坚强，对骨折稳定性越好，但同时应力遮挡效应也越大，由此造成的局限性骨质疏松可能导致内固定物去除后再骨折[8]。赵晓刚等[9]认为骨质疏松骨皮质变薄，螺钉咬合力降低，骨质疏松骨干骨折应采取相对稳定的固定方式。
随着AO、BO理论的探索与更新，中国接骨学（Chinese osteosynthesis，CO）即中西医结合治疗骨折，已形成独立的理论体系，其指导思想是“动静结合、筋骨并重、内外兼治、医患合作”[10]。CO强调复位的最终目的不是功能代替，而是利用器械创造一种发挥人体内部一切积极因素，实现自我修复的最优条件，即强调弹性固定、有限与微创，骨折的Ⅱ期愈合，而三维外固定支架系统可满足该条件。
3.2 三维外固定支架的特点
三维外固定支架治疗骨折不仅可减少创伤、减少骨折端不必要血供破坏、节省手术时间，同时更为早期功能锻炼、骨折愈合和康复提供了保证[11]。三维外固定支架对骨折实行三维固定，每个与骨干平行的面均为三角形，是典型力学稳定结构，支架无需与骨面接触，安置时无需剥离骨膜，安置到位后又不会对骨膜施压，避免了对骨膜血供的破坏，达到保护骨骼血供的目的。
骨端区域的自攻半针位置与角度可根据骨折和肢体的神经血管进行调整，可对骨折实行加压和延长，半针旋紧后与支架融为一体，组成一个三维固定支架，增加了外固定结构的稳定性。
该支架每组的2枚半针实行交叉进针，2枚针在两个不同平面，在骨内交叉固定，增强了针的把持力，使骨折处有足够固定强度，能够满足老年患者早期功能锻炼，减少因长期卧床引起的各种并发症，打破了“骨质疏松-骨折-固定-更加疏松-再骨折”的恶性循环模式。
3.3 三维外固定支架生物力学分析
在轴向压缩方面，从生物力学观点来看，固定物与骨组成整体结构共同负重，弹性模量大的部分将承受大部分载荷，导致另一部分产生应力遮挡效应。理想固定材料应是弹性模量接近于骨的弹性模量，同时具有一定刚度。本试验结果显示，三维外固定支架轴向压缩刚度和髓内钉相近，应变分布均匀，既具有坚强的固定功能，又符合弹性固定原理，保证了患者术后可早期下床活动。而抗弯曲力学测试和抗扭转力学测试显示，三维外固定支架在抗弯曲、抗扭转性能方面与髓内钉相似，并优于钢板螺钉（P＜0.05）。
3.4 本实验不足之处
① 骨质疏松骨折好发于四肢长骨骨端，如桡骨、股骨颈、股骨转子间等，而本试验选择胫骨干制备骨质疏松骨折模型，临床类似患者相对较少。但本试验目的基于比较3种固定物的力学性能，即满足在相同条件下进行比较，故如此设计。② 对于骨质疏松模型是否复制成功，需要客观指标来判断[12-13]。本实验采用快速制备骨质疏松体外模型符合其评价结果，但与传统去势法建立的骨质疏松体外模型的脱钙机制不同[14]，哪种方法更适合并更接近人体骨质疏松，尚有待进一步实验证实。③ 试验标本均为浸泡脱钙的胫骨，其骨质抗弯曲、扭转强度可能降低或增高，与人体胫骨实体生物力学性能有一定差距。④ 本试验仅研究了三维外固定支架自身的各种力学数据以及局部分析，分析手段上略显单一，模拟人体生理状况不够充分。⑤ 试验样本有限。
综上述，三维外固定支架抗轴向压缩明显优于钢板螺钉，略低于髓内钉，抗弯曲、抗扭转性能与髓内钉相似并优于钢板螺钉，对骨质疏松骨折进行多平面立体三维固定后，固定牢靠，生物力学方面能够满足骨折疏松骨折内固定需要。
