人胫骨四种内固定器的生物力学评价
作者：史群伟 吴波以 陈志峰 朱青安 卢海俊
单位：史群伟(510260 广州市 广州医学院第二附属医院骨科)；吴波以(510260 广州市 广州医学院第二附属医院骨科)；陈志峰(510260 广州市 广州医学院第二附属医院骨科)；朱青安(第一军医大学解放军医学生物力学实验室)；卢海俊(第一军医大学解放军医学生物力学实验室)
关键词：胫骨；骨折；内固定；生物力学
中国临床解剖学杂志000233 【摘 要】目的：比较四种内固定器在人胫骨骨折时的生物力学特性。方法：将经防腐固定成人胫骨9根，制成中段横断骨折，依次安放双Ender钉，双矩形钉，梅花钉和四孔钢板，并进行前内侧和前外侧三点弯曲实验及轴向扭转实验。结果：Ender钉、四孔钢板、梅花钉和矩形钉内固定器的三点弯曲刚度分别为：前外侧13.0、25.4、41.8、23.3N/mm；前内侧25.5、16.2、41.4、20.2N/mm；轴向扭转15°时的力矩分别为：1.43、4.67、0.86、0.86Nm。梅花钉抗弯曲较其它内固定器强(P<0.01～0.05)，余者间无显著性差别；四孔钢板抗轴向扭转较其它内固定器强(P<0.01)，Ender钉次之。结论：4种内固定器中四孔钢板抗轴向扭转性能最好，梅花钉的三点弯曲刚度最强，对于胫骨骨折，Ender钉和矩形钉可以提供较好的稳定作用。
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Biomechanical evaluation of four internal fixation instruments in human tibia fracture
Shi Qunwei,Wu Boyi,Chen Zhifeng,et al.
(Department of Orthopaedics,The Second Affiliated Hospital of Guangzhou Medical College,Guangzhou 510260)
Abstract Objective:To compare the biomechanical properties of four internal fixation instruments in tibia fracture.Methods:The transverse fracture was produced at the middle of tibia on 9 embedded adult cadaveric tibia.The three-bending test and axial torsion test were conducted on each specimens after the fracture been fixed by Ender nail,rectangle shaped nail,quincunx shaped nail and four-hole plate separately.Results:The anti-bending character of quincunx shaped nail fixed tibia is significantly higher than those of other instruments (P<0.01 or 0.05).The anti-torsion character of four-hole plate fixed tibia is much higher than those of other instruments (P<0.01).Conclusion:Four-hole plate provides the strongest torsion fixation and quincunx shaped nail provides the strongest bending fixation.
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Key words Tibia Fracture Internal fixation Biomechanics
众所周知胫骨体的上2/3呈三棱柱状，下1/3近圆柱状，两段交接处较细，滋养孔位于上、中1/3交界处[1]，由于解剖的特殊性，中、下段骨折常发生各种并发症，如：复位不良、骨不连、胫前皮肤坏死和针道感染等，同时，胫骨的张力侧可在运动中变化[2]，胫骨内固定器种类较多，选用何种内固定器固定骨折，值得探讨。因此，作者选用临床上常用的4种胫骨内固定器进行比较和评价它们在生物力学中的特性，供临床实践参考。
1 材料方法
1.1 模型制备
防腐固定成人胫骨9根，不分侧别，性别。将胫骨两端用聚甲基丙烯酸甲脂包埋。在胫骨中段制成横断性骨折，每例胫骨分别依次安放双Ender钉，双矩形钉，梅花钉和四孔钢板内固定器。Ender钉，矩形钉自胫骨结节两侧旁开2 cm插入。插入前将Ender钉预弯成弧型、矩形钉前端2 cm向骨皮质侧弯曲约30°。这样打入的钉呈“X”型，有利于控制侧方移位及旋转。梅花钉自胫骨结节上方插入。钉的长短、大小依髓腔大小和胫骨长短而定。钢板安放于前内侧。
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1.2 力学测试
(1)三点弯曲实验 将安放了内固定器的胫骨试件放置于SWD-10型材料试验机上，于骨折端处，分别进行前内侧和前外侧方向的三点弯曲试验，加载速度5 mm/min，用函数记录仪记录试件的载荷—变形曲线，以曲线的斜率，即刚度值作为评价内固定器的指标。
(2)扭转实验 将试件安放在NJ-50B扭转试验机上，扭转速度180°/min，通过表盘读出试件在扭转5°、10°和15°时的扭转力矩，以力矩大小评价内固定器的指标。
(3)对三点弯曲和轴向扭转刚度在四种内固定器之间进行配伍组方差分析。
2 结果
2.1 三点弯曲实验结果
在前内侧三点弯曲实验时，梅花钉的刚度均较其余3种内固定器有显著差异，(P<0.01～0.05)，而其余3种内固定器之间的刚度无差异。前外侧三点弯曲实验时，梅花钉与Ender钉(P<0.001)、矩形钉(P=0.041)，矩形钉与Ender钉(P=0.007)之间有差异，其余内固定器之间无差异。
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表1 人胫骨三点弯曲刚度值 (
±s)N/mm 内固定器
前内侧
前外侧
钢 板
16.2±13.0
25.4±24.8
Ender钉
25.5±14.4
13.0±4.50
矩形钉
20.2±18.5
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23.3±11.1
梅花钉
41.4±17.8
41.8±26.0
2.2 扭转实验结果
在各轴向扭转角度，钢板扭转力矩均显著高于其余3种内固定器(P<0.01～0.05)，Ender钉较矩形钉强(P<0.05)。矩形钉与梅花钉二者无差异。表2 人胫骨各角度承受扭转力矩±s(Nm) 内固定器
5°
10°
15°
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钢 板
1.94±0.67
3.67±1.34
4.67±1.81
Ender钉
0.84±0.38
1.20±0.60
1.43±0.71
矩形钉
0.43±0.27
0.64±0.37
0.86±0.56
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梅花钉
0.41±0.18
0.67±0.28
0.86±0.40
3 讨论
单根Ender钉或矩形钉，其弹性模量比钢板要低得多。但将2根Ender钉或矩形钉呈交叉置于胫骨髓腔内，无论是在胫骨前内侧还是前外侧三点弯曲实验中，与四孔钢板比较均无显著性差别，而且在轴向扭转实验中，Ender钉的抗扭转力仅次于钢板，与矩形钉和梅花钉比较，均表现出Ender钉的显著性优势。如我们所知，在骨折钢板内固定治疗中，由于作用于骨骼上的各种应力通过内固定器传导，始终如一的坚强内固定将导致骨的应力遮挡反应[3～5]。诱发严重的局部骨质疏松，导致固定段力学性能下降。接骨板取出后固定段力学性能恢复较缓慢[3]。江建明等[6]在兔股骨中上段造成横断骨折，然后用髓内针固定，术后第四天即用电刺激使骨折端产生细微的运动，结果不仅比对照组骨折愈合的时间缩短，而且骨折愈合的质量也比对照组好。张建国等[7]亦有相似报道。Ender钉和矩形钉均为髓内固定器，属弹性内固定，既不影响长骨干轴向应力的传导，又允许骨折端产生一定的细微运动。手术时不用剥离骨膜和扩髓，有效保护了骨折端的血供[8]。我们在临床上也发现，当胫骨中段横行骨折时采用Ender钉或矩形钉内固定时，骨折端相当稳定，而且骨折愈合快，这与曾明[9]比较矩形钉和加压钢板治疗胫骨中下段骨折的结果一致。又因为是弹性内固定，骨折端发生移位可通过石膏矫形[10]。而且，只要适应症掌握得当，Ender钉和矩形钉不失为较理想的内固定器。
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在扭转实验中，钢板较其它3种内固定器表现出明显的抗扭转能力，但是，在三点弯曲实验中却显示出其弱点。与之相反的是梅花钉，其抗弯曲能力显著，而抗扭转能力较弱。同时，由于四孔钢板剥离骨膜的范围较大，梅花钉常常需要扩大髓腔而影响胫骨的髓外和髓内的血循环。造成骨折不愈合，贾正中[11]等报道460例骨折骨不愈合中，胫骨占116例。因此，这两种内固定器在临床上和力学性能上不够理想。但在临床工作中均有其应用指证，只要掌握得当，仍有应用价值。
Ender钉抗轴向扭转虽强于矩形钉，但后者较理想地占据了胫骨髓腔壁层空间，其弧形的顶端相对，抵消了弧形顶端的压力，使矩形钉的钉头和钉尾获得比较平均的应力分布，同时也不会在断端或其附近产生对髓腔壁的压应力，从而有利于复位，尤其是粉碎性碟型骨折，不易出现成角和前后移位。Ender钉占据胫骨髓腔壁的空间的所不同，在胫骨的中段出现双交叉现象，Ender钉固定后承受外力分散到双交叉前后段和弧形段，而矩形钉在髓腔内形成单交叉，呈“X”形分布，其生物力学性能相以减弱。但Ender钉的弧形顶端挤压对侧的髓腔壁，若弧形顶端压在骨折片附近，两针的顶端张力出现不平衡，易造成断端的成角畸形和侧方移位。因此，估计Ender钉弧形顶端在粉碎性骨折部时，选用矩形钉为好。文中生物力学实验结果与吴岳嵩[12]的理论计算有异。临床资料显示治疗效果矩形钉优于Ender钉组[13]。同时本组病例矩形钉的打入方法中，将钉头2 cm预弯30°穿钉，与C形穿钉有异，避免了穿钉时的“卡壳”现象，缩短了手术操作时间。
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参考文献
1，王启华，孙 博，主编.临床解剖学丛书—四肢分册.北京：人民卫生出版社，1991.231
2，陈履平，韩祖斌，李承球，等.人体胫腓骨承重实验研究，中华骨科杂志，1989，9(6)：429
3，朱振安，戴克戎，裘世静，等.坚硬接骨板固定及取出对骨力学性能的影响.中华创伤杂志，1997，13(1)：21
4，郑 涛，陆宸照，栾晨光，等.低弹性模量接骨板对骨改建的影响.上海第二医科大学学报，1996，16(6)：432
5，Rosson JW,Petley GW,Shearer JR.Bone structure after removal of internal fixation plates.J Bone Joint Surg[Br],1991,73B:65
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6，江建明，狄勋元，张跃旋.骨折段细微运动对长骨干骨折愈合的影响：系列研究(1)形态学观察.中华骨科杂志，1996，16(4)：249
7，张建国，夏家骝，李华滢，等.震动载荷对骨折愈合的生物力学研究.中国临床解剖学杂志，1994，12(3)：228
8，Hupel-TM,Aksenov-SA,Schemitsch-EH.Effect of limited and standard rea-ming on cortical bone blood flow and early strength of union following segmental fracture.J-Orthop Trauma，1998,Aug 12(6):400
9，曾 明，林庆光.矩形髓内钉与加压钢板治疗结果中下段比较.广东医学，1998，19(7)：511
, 百拇医药
10，俞思勤，吴汉饮，林洪义，等.Ender弹性髓内固定治疗胫骨干骨折.中华骨科杂志，1989，9(3)：192
11，贾正中，刘 沂，丁占云，等.胫骨不愈合及其治疗.中华骨科杂志，1989，9(3)：189
12，吴岳嵩，张福保，王依睛.矩形髓内钉的设计及其生物力学分析.骨与关节损伤杂志，1991，6(4)：213
13，蔡拉加. Ender弹性髓内钉与矩形髓内钉治疗胫骨干骨折比较.广东医学，1997，18(7)：443
(收稿：1999-05-25), 百拇医药
单位：史群伟(510260 广州市 广州医学院第二附属医院骨科)；吴波以(510260 广州市 广州医学院第二附属医院骨科)；陈志峰(510260 广州市 广州医学院第二附属医院骨科)；朱青安(第一军医大学解放军医学生物力学实验室)；卢海俊(第一军医大学解放军医学生物力学实验室)
关键词：胫骨；骨折；内固定；生物力学
中国临床解剖学杂志000233 【摘 要】目的：比较四种内固定器在人胫骨骨折时的生物力学特性。方法：将经防腐固定成人胫骨9根，制成中段横断骨折，依次安放双Ender钉，双矩形钉，梅花钉和四孔钢板，并进行前内侧和前外侧三点弯曲实验及轴向扭转实验。结果：Ender钉、四孔钢板、梅花钉和矩形钉内固定器的三点弯曲刚度分别为：前外侧13.0、25.4、41.8、23.3N/mm；前内侧25.5、16.2、41.4、20.2N/mm；轴向扭转15°时的力矩分别为：1.43、4.67、0.86、0.86Nm。梅花钉抗弯曲较其它内固定器强(P<0.01～0.05)，余者间无显著性差别；四孔钢板抗轴向扭转较其它内固定器强(P<0.01)，Ender钉次之。结论：4种内固定器中四孔钢板抗轴向扭转性能最好，梅花钉的三点弯曲刚度最强，对于胫骨骨折，Ender钉和矩形钉可以提供较好的稳定作用。
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Biomechanical evaluation of four internal fixation instruments in human tibia fracture
Shi Qunwei,Wu Boyi,Chen Zhifeng,et al.
(Department of Orthopaedics,The Second Affiliated Hospital of Guangzhou Medical College,Guangzhou 510260)
Abstract Objective:To compare the biomechanical properties of four internal fixation instruments in tibia fracture.Methods:The transverse fracture was produced at the middle of tibia on 9 embedded adult cadaveric tibia.The three-bending test and axial torsion test were conducted on each specimens after the fracture been fixed by Ender nail,rectangle shaped nail,quincunx shaped nail and four-hole plate separately.Results:The anti-bending character of quincunx shaped nail fixed tibia is significantly higher than those of other instruments (P<0.01 or 0.05).The anti-torsion character of four-hole plate fixed tibia is much higher than those of other instruments (P<0.01).Conclusion:Four-hole plate provides the strongest torsion fixation and quincunx shaped nail provides the strongest bending fixation.
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Key words Tibia Fracture Internal fixation Biomechanics
众所周知胫骨体的上2/3呈三棱柱状，下1/3近圆柱状，两段交接处较细，滋养孔位于上、中1/3交界处[1]，由于解剖的特殊性，中、下段骨折常发生各种并发症，如：复位不良、骨不连、胫前皮肤坏死和针道感染等，同时，胫骨的张力侧可在运动中变化[2]，胫骨内固定器种类较多，选用何种内固定器固定骨折，值得探讨。因此，作者选用临床上常用的4种胫骨内固定器进行比较和评价它们在生物力学中的特性，供临床实践参考。
1 材料方法
1.1 模型制备
防腐固定成人胫骨9根，不分侧别，性别。将胫骨两端用聚甲基丙烯酸甲脂包埋。在胫骨中段制成横断性骨折，每例胫骨分别依次安放双Ender钉，双矩形钉，梅花钉和四孔钢板内固定器。Ender钉，矩形钉自胫骨结节两侧旁开2 cm插入。插入前将Ender钉预弯成弧型、矩形钉前端2 cm向骨皮质侧弯曲约30°。这样打入的钉呈“X”型，有利于控制侧方移位及旋转。梅花钉自胫骨结节上方插入。钉的长短、大小依髓腔大小和胫骨长短而定。钢板安放于前内侧。
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1.2 力学测试
(1)三点弯曲实验 将安放了内固定器的胫骨试件放置于SWD-10型材料试验机上，于骨折端处，分别进行前内侧和前外侧方向的三点弯曲试验，加载速度5 mm/min，用函数记录仪记录试件的载荷—变形曲线，以曲线的斜率，即刚度值作为评价内固定器的指标。
(2)扭转实验 将试件安放在NJ-50B扭转试验机上，扭转速度180°/min，通过表盘读出试件在扭转5°、10°和15°时的扭转力矩，以力矩大小评价内固定器的指标。
(3)对三点弯曲和轴向扭转刚度在四种内固定器之间进行配伍组方差分析。
2 结果
2.1 三点弯曲实验结果
在前内侧三点弯曲实验时，梅花钉的刚度均较其余3种内固定器有显著差异，(P<0.01～0.05)，而其余3种内固定器之间的刚度无差异。前外侧三点弯曲实验时，梅花钉与Ender钉(P<0.001)、矩形钉(P=0.041)，矩形钉与Ender钉(P=0.007)之间有差异，其余内固定器之间无差异。
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表1 人胫骨三点弯曲刚度值 (
±s)N/mm 内固定器前内侧
前外侧
钢 板
16.2±13.0
25.4±24.8
Ender钉
25.5±14.4
13.0±4.50
矩形钉
20.2±18.5
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23.3±11.1
梅花钉
41.4±17.8
41.8±26.0
2.2 扭转实验结果
在各轴向扭转角度，钢板扭转力矩均显著高于其余3种内固定器(P<0.01～0.05)，Ender钉较矩形钉强(P<0.05)。矩形钉与梅花钉二者无差异。表2 人胫骨各角度承受扭转力矩
±s(Nm) 内固定器5°
10°
15°
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钢 板
1.94±0.67
3.67±1.34
4.67±1.81
Ender钉
0.84±0.38
1.20±0.60
1.43±0.71
矩形钉
0.43±0.27
0.64±0.37
0.86±0.56
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梅花钉
0.41±0.18
0.67±0.28
0.86±0.40
3 讨论
单根Ender钉或矩形钉，其弹性模量比钢板要低得多。但将2根Ender钉或矩形钉呈交叉置于胫骨髓腔内，无论是在胫骨前内侧还是前外侧三点弯曲实验中，与四孔钢板比较均无显著性差别，而且在轴向扭转实验中，Ender钉的抗扭转力仅次于钢板，与矩形钉和梅花钉比较，均表现出Ender钉的显著性优势。如我们所知，在骨折钢板内固定治疗中，由于作用于骨骼上的各种应力通过内固定器传导，始终如一的坚强内固定将导致骨的应力遮挡反应[3～5]。诱发严重的局部骨质疏松，导致固定段力学性能下降。接骨板取出后固定段力学性能恢复较缓慢[3]。江建明等[6]在兔股骨中上段造成横断骨折，然后用髓内针固定，术后第四天即用电刺激使骨折端产生细微的运动，结果不仅比对照组骨折愈合的时间缩短，而且骨折愈合的质量也比对照组好。张建国等[7]亦有相似报道。Ender钉和矩形钉均为髓内固定器，属弹性内固定，既不影响长骨干轴向应力的传导，又允许骨折端产生一定的细微运动。手术时不用剥离骨膜和扩髓，有效保护了骨折端的血供[8]。我们在临床上也发现，当胫骨中段横行骨折时采用Ender钉或矩形钉内固定时，骨折端相当稳定，而且骨折愈合快，这与曾明[9]比较矩形钉和加压钢板治疗胫骨中下段骨折的结果一致。又因为是弹性内固定，骨折端发生移位可通过石膏矫形[10]。而且，只要适应症掌握得当，Ender钉和矩形钉不失为较理想的内固定器。
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在扭转实验中，钢板较其它3种内固定器表现出明显的抗扭转能力，但是，在三点弯曲实验中却显示出其弱点。与之相反的是梅花钉，其抗弯曲能力显著，而抗扭转能力较弱。同时，由于四孔钢板剥离骨膜的范围较大，梅花钉常常需要扩大髓腔而影响胫骨的髓外和髓内的血循环。造成骨折不愈合，贾正中[11]等报道460例骨折骨不愈合中，胫骨占116例。因此，这两种内固定器在临床上和力学性能上不够理想。但在临床工作中均有其应用指证，只要掌握得当，仍有应用价值。
Ender钉抗轴向扭转虽强于矩形钉，但后者较理想地占据了胫骨髓腔壁层空间，其弧形的顶端相对，抵消了弧形顶端的压力，使矩形钉的钉头和钉尾获得比较平均的应力分布，同时也不会在断端或其附近产生对髓腔壁的压应力，从而有利于复位，尤其是粉碎性碟型骨折，不易出现成角和前后移位。Ender钉占据胫骨髓腔壁的空间的所不同，在胫骨的中段出现双交叉现象，Ender钉固定后承受外力分散到双交叉前后段和弧形段，而矩形钉在髓腔内形成单交叉，呈“X”形分布，其生物力学性能相以减弱。但Ender钉的弧形顶端挤压对侧的髓腔壁，若弧形顶端压在骨折片附近，两针的顶端张力出现不平衡，易造成断端的成角畸形和侧方移位。因此，估计Ender钉弧形顶端在粉碎性骨折部时，选用矩形钉为好。文中生物力学实验结果与吴岳嵩[12]的理论计算有异。临床资料显示治疗效果矩形钉优于Ender钉组[13]。同时本组病例矩形钉的打入方法中，将钉头2 cm预弯30°穿钉，与C形穿钉有异，避免了穿钉时的“卡壳”现象，缩短了手术操作时间。
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参考文献
1，王启华，孙 博，主编.临床解剖学丛书—四肢分册.北京：人民卫生出版社，1991.231
2，陈履平，韩祖斌，李承球，等.人体胫腓骨承重实验研究，中华骨科杂志，1989，9(6)：429
3，朱振安，戴克戎，裘世静，等.坚硬接骨板固定及取出对骨力学性能的影响.中华创伤杂志，1997，13(1)：21
4，郑 涛，陆宸照，栾晨光，等.低弹性模量接骨板对骨改建的影响.上海第二医科大学学报，1996，16(6)：432
5，Rosson JW,Petley GW,Shearer JR.Bone structure after removal of internal fixation plates.J Bone Joint Surg[Br],1991,73B:65
, http://www.100md.com
6，江建明，狄勋元，张跃旋.骨折段细微运动对长骨干骨折愈合的影响：系列研究(1)形态学观察.中华骨科杂志，1996，16(4)：249
7，张建国，夏家骝，李华滢，等.震动载荷对骨折愈合的生物力学研究.中国临床解剖学杂志，1994，12(3)：228
8，Hupel-TM,Aksenov-SA,Schemitsch-EH.Effect of limited and standard rea-ming on cortical bone blood flow and early strength of union following segmental fracture.J-Orthop Trauma，1998,Aug 12(6):400
9，曾 明，林庆光.矩形髓内钉与加压钢板治疗结果中下段比较.广东医学，1998，19(7)：511
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10，俞思勤，吴汉饮，林洪义，等.Ender弹性髓内固定治疗胫骨干骨折.中华骨科杂志，1989，9(3)：192
11，贾正中，刘 沂，丁占云，等.胫骨不愈合及其治疗.中华骨科杂志，1989，9(3)：189
12，吴岳嵩，张福保，王依睛.矩形髓内钉的设计及其生物力学分析.骨与关节损伤杂志，1991，6(4)：213
13，蔡拉加. Ender弹性髓内钉与矩形髓内钉治疗胫骨干骨折比较.广东医学，1997，18(7)：443
(收稿：1999-05-25), 百拇医药