應(yīng)力松馳接骨板對固定段骨結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響的實驗研究

1、應(yīng)力松馳接骨板對固定段骨結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響的實驗研究應(yīng)力松馳接骨板對固定段骨結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能影響的實驗研究中國臨床解剖學(xué)雜志 2000年第3期第18卷 臨床生物力學(xué)作者：張先龍戴克戎湯亭亭單位：張先龍(現(xiàn)工作單位：上海市第六人民醫(yī)院骨科)；戴克戎(200011上海市上海第二醫(yī)科大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院)；湯亭亭(200011上海市上海第二醫(yī)科大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院)關(guān)鍵詞：接骨板；內(nèi)固定；力學(xué)強度；應(yīng)力遮擋【摘要】目的：了解應(yīng)力松馳接骨板固定對固定段骨形態(tài)結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。方法：分別將應(yīng)力松馳接骨板(實驗組)和堅硬接骨板(對照組)固定于兔脛骨干中段，采用CT掃描及CT值測定和力學(xué)測試，觀察固定段骨

2、結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的變化。結(jié)果：固定后812周，兩組板下皮質(zhì)骨厚度均逐漸變薄，伴CT值和固定骨段力學(xué)強度下降，以對照組為明顯。2436周，實驗組板上皮質(zhì)骨厚度、CT值和固定骨段力學(xué)強度逐漸恢復(fù)，接近正常；而對照組呈現(xiàn)松質(zhì)骨化，36周時最大三點彎曲強度僅為正值53.9%。結(jié)論：應(yīng)力松馳接骨板減輕了板下骨骨質(zhì)疏松的發(fā)生，在不去除接骨板的情況下，可使疏松板下骨形態(tài)結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能逐漸恢復(fù)。An experimental study of the effects of stress-relaxation plate on the structure and mechanical property of fi

3、xed boneZhang Xianlong,Dai Kerong,Tang Tingting.Department of Orthopaedics,The Ninth Peoples Hospital of Shanghai Second Medical University,Shanghai200011Objective:To investigate the effects of stress-relaxation plate (SRP)on the structure and mechanical property of plated bone.Methods:Both SPR and

4、Rigid Plate (RP) were fixed on the middle part of New Zealand rabbits tibia.The structure and mechanical property of the fixed bone were observed and studied by CT scan,CT value assay and biomechanical test.Results:The thickness of cortical bone under plate became thinner gradually after 8 to 12 wee

5、ks fixation in both of SRP and RP groups,accompanied with lowering of CT value and mechanical strength.The thickness of cortical bone,bone density (CT value) and bending strength restored to normal gradually in SRP group,but got much worse in RP group.The three-bending strength of the tibia in RP gr

6、oup was only 53.89% of normal ones.Conclusion:The SRP abated the osteoporosis of the cortical bone under the plate,furthermore,it could restore the structure and mechanical property of the osteoporotic bone to normal with the plate at the place.Key wordsBone plateInternal fixationMechanical strength

7、Stress shileding堅硬接骨板加壓內(nèi)固定為骨折提供了穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境。然而，其強大的應(yīng)力遮擋作用可誘發(fā)嚴(yán)重的局部骨質(zhì)疏松，它是負(fù)重開始后或接骨板取出后固定骨段再骨折的潛在原因。我們采用粘彈性材料制成的聚乙烯墊圈置于螺釘與螺孔之間，構(gòu)成應(yīng)力松馳接骨板系統(tǒng)。研究證實，該系統(tǒng)固定剛度隨著墊圈的蠕變和破壞而逐漸下降，使骨固定段承受的應(yīng)力刺激逐漸增加1，2，現(xiàn)將本研究中固定段骨結(jié)構(gòu)變化及力學(xué)測試觀察結(jié)果報道如下。1材料和方法1.1接骨板與墊圈以316L不銹鋼制成四孔接骨板和螺絲釘。接骨板長40 mm，寬7 mm，厚2 mm，螺孔直徑為2.2 mm。螺絲釘外徑2 mm，長12 mm。另以超高分子

8、量聚乙烯制成空心墊圈，外徑2.2 mm，內(nèi)徑2.0 mm，高1.5 mm。1.2動物實驗及觀察指標(biāo)選用健康的成年新西蘭兔40只，體重2.53.0 kg。2.5%戊巴比妥鈉自耳緣靜脈麻醉后，手術(shù)顯露雙側(cè)脛骨中段，左側(cè)以堅硬接骨板內(nèi)固定作為對照組，右側(cè)在4個螺孔內(nèi)加放墊圈后固定， 即應(yīng)力松馳接骨板固定。螺絲釘使用統(tǒng)一扭矩擰緊，術(shù)后動物分籠飼養(yǎng)，自由活動。所有動物分為5組，每組8只，分別術(shù)后4、8、12、24及36周處死，剖取兩側(cè)完整脛骨，取出接骨板及螺絲釘，作如下觀察。1.3力學(xué)測試上述脛骨標(biāo)本完成CT掃描后，在島津AG-20KNA萬能材料試驗機上作三點彎曲試驗。加載點位于鋼板對側(cè)中間兩螺孔間中點

9、，支點位于鋼板側(cè)，支點間距離為50 mm，加載速度3 mm/ min，測試記錄愈合骨最大三點彎曲強度。另外8根正常完整脛骨作相同力學(xué)測試，作為對照，將固定兩組脛骨最大彎曲強度換算成正常對照的百分比，然后以團體t檢驗，對兩組結(jié)果作比較發(fā)達分析，規(guī)定P0.05為差異顯著。2結(jié)果2.1固定骨段CT掃描及CT值測定CT掃描顯示：4周時兩組板下骨厚度無明顯改變。8周時兩組板下皮質(zhì)骨均變薄，以堅硬接骨板(Rigid Plate RP)組為明顯(圖1)。12周時應(yīng)力松馳接骨板(Stress Relaxation Plate，SRP)組板下骨變薄，仍見皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)；RP組板下皮質(zhì)骨逐漸變薄、CT掃描成像模糊不清

10、，見不到正常皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)。2436周，SRP組板下皮質(zhì)骨逐漸恢復(fù)密度和厚度，但仍不及鋼板對側(cè)皮質(zhì)厚度；RP組板下骨菲薄，皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)消失(圖2)。左：SRP右：RP1固定后8周，兩組接骨區(qū)CT掃描左：SRP右：RP圖2固定后36周，兩組接骨區(qū)CT掃描CT值測定：正常兔脛骨中段皮質(zhì)骨CT值為1951.2157.5。由表1可以看出，固定后12周前，兩組板下骨CT值均逐漸下降(表1)，SRP組下降較慢，8周時，SRP組CT值明顯高于RP組(P0.05)。此后，SRP組CT值開始逐漸恢復(fù)，36周時達正常值85.2%，而RP組CT值進行性下降，24周起，局部開始呈負(fù)值，36周時降至正常14.2%，兩組差異非

11、常顯著(P0.001)。表1兩種接骨板固定板下皮質(zhì)骨CT值測定結(jié)果(s，%)固定時間(周)SRPRPP486.84.276.65.10.05861.93.550.32.90.051251.76.337.11.90.052475.01.830.23.90.013685.24.514.25.10.0012.2固定段骨皮質(zhì)灰度分布曲線變化圖3所示正常兔脛骨中段皮質(zhì)骨灰度分布曲線。由圖可知：正常皮質(zhì)骨灰度峰值均在250左右，峰寬代表皮質(zhì)骨厚度，均為1.5 mm左右。由圖4至6可以看出，隨著固定時間延長，12周時，兩組的板下骨灰度及峰寬均明顯下降，SRP組下降幅度小于RP組。24周時，SRP組板下骨開始

12、恢復(fù)，至36周時與板下對側(cè)皮質(zhì)骨相同，約為225左右，但峰寬仍未達到正常，提示板下皮質(zhì)骨厚度未完全恢復(fù)。而RP組上述下降趨勢一直延續(xù)到36周，無恢復(fù)跡象。圖3正常兔脛骨中段皮質(zhì)骨灰度分布曲線圖4固定后8周兩組板下骨灰度分布曲線圖5固定后12周兩組板下骨灰度分布曲線圖6固定后36周兩組板下骨灰度分布曲線2.3力學(xué)測試結(jié)果兩組骨力學(xué)強度測試結(jié)果見表2。表2兩種接骨板固定后骨最大彎曲強度測試結(jié)果(s，%)固定時間(周)SRPRPP值498.34.497.62.40.05882.33.576.84.50.051278.92.560.21.90.052487.44.356.42.60.013693.65

13、.153.91.70.0013討論3.1應(yīng)力松馳接骨板對固定段骨形態(tài)和結(jié)構(gòu)的影響堅硬接骨板的應(yīng)力遮擋作用是造成固定段骨質(zhì)疏松，即骨量喪失和骨結(jié)構(gòu)紊亂的主要原因3。接骨板剛度越高，所造成骨量喪失和骨結(jié)構(gòu)紊亂就愈快、愈嚴(yán)重，力學(xué)性能下降越明顯4。為此，我們設(shè)計了應(yīng)力松弛接骨板系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要特點是其固定剛度可隨時間延長，而逐漸下降。因而，對骨的應(yīng)力遮擋作用逐漸減弱。我們過去的研究證實，墊圈形態(tài)的變化是應(yīng)力遮擋率下降的主要原因1。從材料學(xué)角度看，粘彈性材料的主要特征是在載荷不變的情況下，其變形量可隨時間的延長而增加(稱蠕變)。已知載荷從骨組織轉(zhuǎn)移到接骨板，必須經(jīng)螺孔部位才能使接骨板承受載荷，位于螺

14、孔內(nèi)的墊圈在這種載荷轉(zhuǎn)移作用下，逐漸發(fā)生蠕變，導(dǎo)致螺絲釘逐漸發(fā)生不同程度的松動，而螺絲釘?shù)乃蓜又苯佑绊懥私庸前逑到y(tǒng)對骨的應(yīng)力遮擋作用。Carter等研究表明，以12 N*m的扭矩將接骨板擰緊后，只要旋松半圈，即可使接骨板完全喪失對骨的應(yīng)力遮擋作用。對墊圈的掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)長期壓縮和往復(fù)加載(肢體活動時)不僅使墊圈出現(xiàn)蠕變，而且出現(xiàn)典型的疲勞損害，與之相應(yīng)的是接骨板對骨的應(yīng)力遮擋率逐漸下降，8周時與對照組間差異有顯著性，隨著時間的延長，其變形和撕裂損害變化和體外應(yīng)力遮擋率下降基本一致，這就是應(yīng)力松馳接骨板應(yīng)力松馳的機理。本文未能對體內(nèi)墊圈形態(tài)的變化及其與骨形態(tài)結(jié)構(gòu)變化關(guān)系作進一步研究。本研究板下

15、骨CT值測定(骨密度)及板下骨灰度分布曲線(骨密度及皮質(zhì)骨厚度)均提示術(shù)后812周，SRP板下皮質(zhì)疏松輕于RP組。這一結(jié)果與我們先前的觀察結(jié)果基本一致1。我們認(rèn)為接骨板螺釘系統(tǒng)剛度的逐步下降所形成的漸變力學(xué)環(huán)境，使固定骨段承受應(yīng)力刺激逐漸增加，因而減輕了應(yīng)力遮擋所致的骨質(zhì)疏松的發(fā)生和發(fā)展。隨著固定時間的延長，這種逐漸增加的應(yīng)力刺激，促進了SRP組板上疏松骨結(jié)構(gòu)的改建和修復(fù)，至36周，板下皮質(zhì)骨厚度、骨密度(灰度曲線分析及CT值測定)及截骨段力學(xué)性能逐步得到恢復(fù)。而RP組，由于固定段骨得不到足夠應(yīng)力刺激，骨密度下降，持續(xù)性加重加劇，CT掃描示板下骨皮質(zhì)菲薄，CT值下降呈負(fù)值。36周時，最大彎曲強

16、度僅為正常53.9%。這些結(jié)果表明：SRP所建立的漸變力學(xué)環(huán)境，減輕了板下骨質(zhì)疏松的發(fā)生，在不去除接骨板情況下，使皮質(zhì)骨結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能逐步得到恢復(fù)。需要說明的是，本實驗結(jié)果只是初步反映了體內(nèi)狀態(tài)下，SRP對固定段骨皮質(zhì)形態(tài)結(jié)構(gòu)及骨密度變化的影響，文中CT值及灰度曲線的獲取受較多因素的影響，如測定部位的選定，圖像處理過程中信號的丟失，掃描方向及掃描起點和終點的選擇等。例如采用QCT測定，則結(jié)果可能更加標(biāo)準(zhǔn)、精確。3.2板下骨結(jié)構(gòu)的改變對截骨段力學(xué)性能影響結(jié)果表明：骨礦物質(zhì)的含量與骨力學(xué)性能有顯著相關(guān)性，骨質(zhì)疏松、骨孔隙率增加、骨密度下降等是影響骨力學(xué)性能的重要因素5。除此之外，骨幾何形態(tài)、皮質(zhì)骨

17、厚薄以及內(nèi)結(jié)構(gòu)(如膠原羥基磷灰石排列等)也對骨力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響6。本文的實驗結(jié)果證明，接骨板固定后皮質(zhì)骨疏松以及骨密度的降低影響骨的材料性能，而皮質(zhì)骨的變薄則影響了骨的結(jié)構(gòu)性能，兩者共同引起骨的力學(xué)性能下降。與RP組相比，SRP對固定骨段材料及結(jié)構(gòu)性能影響較輕，且由于固定系統(tǒng)剛度的下降，截骨段承受應(yīng)力刺激逐步增加，使骨改建漸趨完善，板下骨骨量、皮質(zhì)骨厚度及骨力學(xué)性能逐漸恢復(fù)。但由于SRP組板下皮質(zhì)厚度未能恢復(fù)，因而，可能影響了固定段骨力學(xué)強度的徹底恢復(fù)，但36周時已接近正常(93.6%)，即使取出接骨板，亦不至于發(fā)生再骨折。國家自然科學(xué)基金資助項目(No.39470698)參考文獻醫(yī)學(xué)雜志，1995，75(7)：4143，Uthoff HK,Foux A,Mcauley YJ,et al.Two processes of bone remodeling inplated intact femora:an experimental study in dogs.J Orthop Res,1993,11:784，Clase L.The mechaincal and morphological properties of bone beneath internal fixation plates of different rigidity.J Orthop Res,198