李智勇　张奇　桑健　张英泽　田帅　王娟　刘跃驹　许斌

空心钉及股骨头减压植骨固定股骨颈骨折的生物力学研究

李智勇张奇桑健张英泽田帅王娟刘跃驹许斌

【摘要】目的探讨AO空心加压螺钉、游离髂骨块固定股骨颈骨折的生物力学特点，为临床应用提供生物力学依据。方法选用10对成人防腐股骨标本，随机分入植骨组和对照组。所有标本均制成股骨颈骨折模型，解剖复位后，对照组采用3枚AO空心加压螺钉固定，植骨组采用3枚AO空心加压螺钉及游离髂骨块固定，空心钉呈正等腰三角型分布，髂骨块从大转子向股骨头前下方置入，与空心钉成30°角。所有标本均应用Electroforce 3520-AT生物力学实验机进行抗扭转、抗压、循环载荷及极限载荷实验。结果抗扭转实验中使股骨头扭转3°和5°时，植骨组的扭矩值均大于对照组(P＜0.05)。抗压实验中在700 N和1 000 N的垂直载荷下，植骨组位移值与对照组比较差异均无统计学意义(P均＜0.05) ;所有标本均成功完成了循环实验，无疲劳骨折、内固定失败出现。在最大载荷方面，植骨组的最大载荷平均为(2 583±354) N，对照组平均为(2 475±253) N，2组比较差异无统计学意义(P＞0.05)。结论

成角度植入髂骨块后，三枚空心加压螺钉固定股骨颈骨折的抗旋转能力增强，抗压能力无改变，生物力学稳定性没有降低。从生物力学的角度，此手术方法可用于临床股骨颈骨折的治疗。

【关键词】股骨颈骨折;骨折固定术;植骨;生物力学

项目来源:河北省科学技术研究与发展支撑计划项目(编号: 122777169)

作者单位: 050051石家庄市，河北医科大学第三医院(李智勇、张奇、张英泽、田帅、王娟、刘跃驹、许斌) ;武警江苏总队卫生队(桑健)

E-mail: liyong99423@163.com

股骨颈骨折是临床常见的创伤，多发生于老年人，尤其是老年女性。随着世界人口老龄化的加剧，其发生率逐年上升［1］。尽管近年来手术方法及内固定器械不断改进，然而骨折不愈合及股骨头坏死依然是股骨颈骨折内固定术后的主要并发症，其发生率分别为10%～33%和24%［2］。游离骨块植骨是减少术后并发症的一种有效方法［3－6］，目前临床上常用的植骨方法有些需要切开关节囊在股骨颈前外侧开槽［3］，创伤比较大，有些因为生物力学稳定性差术后需要石膏等外固定［5，6］，影响患者术后髋关节的功能锻炼。为了解决以上问题，本研究设计了股骨头减压植骨、空心钉固定股骨颈骨折的方法，并测试其生物力学稳定性，为临床应用提供理论依据，报道如下。

1　材料与方法

1.1标本的制备及保存10具经甲醛防腐处理的成年尸体标本，均为男性，年龄57～78岁，平均年龄62岁。通过肉眼观察，正、侧位X-射线检查，证实全部标本无风湿、结核、肿瘤等病变及解剖学变异。采用双能X-射线全身骨密度测量仪检测10对股骨近端标本的骨密度。将股骨及同侧髂前上棘处包括内外板的骨块从每具尸体标本取下，剥离附着于骨的软组织。将取好备用的标本置于0.9%氯化钠溶液中浸湿，双层密封袋包裹以防止标本脱水，－20℃冷冻保存，实验开始前6 h室温下消融。

1.2骨折模型的制备及固定将每对股骨及同侧的髂前上棘骨块随机分入植骨组和对照组。所有股骨标本近端均保留25 cm，用摆锯于股骨颈中部并垂直于股骨颈轴线锯断，造成骨折模型。所有标本的固定均由同一术者在C型臂X线透视仪下完成。

1.2.1对照组:骨折解剖复位后应用3枚直径7.3 mm空心加压螺钉固定，三枚空心钉呈正等腰三角型分布。见图1。

1.2.2植骨组，解剖复位后，平行打入3根导针，呈正等腰三角型分布。由大转子处向股骨头前下方打入第4根导针，与其余导针约成30°角。测深、攻丝后，首先拧入远端2枚空心钉。用直径2.0 mm克氏针由股骨近端外侧向股骨头方向钻孔3个，分别位于股骨头上、中、下1/3处，至股骨头软骨下0.5 cm。然后用直径8.5 mm空心钻沿第四根导针做一骨性隧道，过骨折线约1.5 cm。根据隧道的大小及深度修剪髂骨块，保留外侧及上方皮质，然后将骨块打入骨性隧道，最后拧入近端空心钉。

1.3生物力学实验标本与夹具的固定:将股骨标本远端固定于自制固定架中，使股骨与垂直面成25°夹角，前倾5°～10°，以模拟正常人单足站立时的负重情况［7］，采用自制股骨头扭转固定架及股骨头受力夹具进行扭转实验及垂直压缩实验。见图1、2。

图2　抗压实验

图1　抗扭转实验

1.3.1抗扭转实验:将固定架固定于生物力学实验机上，给予股骨头垂直加载应力至10 N后，以0.5°/s的速度将股骨头顺时针扭转5°，记录其扭转3°，5°时的扭矩。

1.3.2抗垂直压缩实验:将标本恢复至初始位置，更换股骨头固定夹具。首先给予股骨头垂直加载100 N应力，以消除股骨松弛，蠕变等时间效应的影响。然后以20 N/s的速度垂直向下给予股骨头加载应力至1 000 N，记录700 N，1 000 N时生物力学机显示的位移数值。

1.3.3循环实验:将标本恢复至初始位置。以频率2 Hz，给予股骨头加载700 N的交变压应力，加载方式为正弦波加载，做1 000个循环。完成后对标本再次进行扭转和垂直压缩实验，方法同上。

1.3.4最大垂直载荷实验:最后以20 N/s的速度对标本进行垂直加载应力，直至内固定失败。失败的标准为:标本出现骨折，股骨颈、股骨头破裂，力位移曲线维持平直或下降，记录内固定失败时的应力。

1.4观察指标左、右侧股骨标本近端的骨密度值，垂直应力为700 N及1 000 N时的位移值，股骨头扭转3°、5°时扭矩值及最大垂直载荷实验中内固定失败时的应力值。

2　结果

2.12组骨密度比较经双能骨密度仪检测，左侧股骨近端标本的骨密度为(0.87±0.16) g/cm2，右侧为(0.89±0.13) g/cm2，左、右侧标本的骨密度差异无统计学意义(P＞0.05)。

2.22组最大载荷比较植骨组的最大载荷平均为(2 583±354) N，对照组平均为(2 475±253) N，2组比较差异无统计学意义(P＞0.05)。

2.32组不同垂直载荷下位移植比较2组循环实验前后700、1 000 N下位移植比较，差异无统计学意义(P＞0.05)。见表1。

表1　2组不同垂直载荷下的位移值　mm，±s

表1　2组不同垂直载荷下的位移值　mm，±s

载荷　植骨组　对照组　t值　P值循环实验前(N) 700　0.32±0.02　0.31±0.01　1.44　0.18 1 000　0.42±0.01　0.41±0.02　0.85　0.42循环实验后(N) 700　0.26±0.02　0.27±0.02　1.20　0.26 1 000　0.36±0.02　0.37±0.02　0.93　0.38

2.42组不同扭转角度下扭矩值比较2组循环实验前后3°、5°下的扭矩值比较，差异有统计学意义(P＜0.05)。见表2。

表2　2组不同扭转角度下的扭矩值　N·m，珋±s

表2　2组不同扭转角度下的扭矩值　N·m，珋±s

扭转角度　植骨组　对照组　t值　P值循环实验前3°　10.440±1.529　9.548±1.457　5.27　0.001 5°　14.720±1.422　14.115±1.384　2.94　0.017循环实验后3°　10.562±1.622　10.018±1.355　3.02　0.014 5°　14.468±1.430　13.941±1.186　2.84　0.020

3　讨论

骨折不愈合及股骨头坏死是股骨颈骨折的两大并发症，至今尚未解决，因此股骨颈骨折有“不可能解决的骨折”之称。植骨是降低股骨颈骨折术后并发症的一种方法，包括带肌蒂的骨块移植、带血管蒂的骨块移植及游离骨块移植等多种方法。Meyers等［8］和Baksi［9］较早采用了带肌蒂的骨块移植治疗股骨颈骨折，但是这种方法创伤大，肌蒂提供的血供效果不确切，骨折不愈合率较高。带血管蒂的骨块移植治疗股骨颈骨折临床效果较好［10］，但是创伤也比较大，而且需要临床医师具有丰富的微创血管吻合技术，因此临床应用受到限制。相比之下，游离骨块移植治疗股骨颈骨折创伤小，能够促进骨折愈合、降低股骨头坏死率，目前在临床上取得了良好效果［3－6］，然而这些方法有些需要切开关节囊，于股骨颈前外侧开槽植骨，有些为了防止骨折二次移位，患者术后需采用髋关节石膏外固定或者持续牵引［5，6］，这必然会影响患者髋关节的功能活动。为了解决以上植骨方法存在的弊端，本研究设计了一种新型植骨方法，并测试其生物力学稳定性，以便正确有效地指导患者术后进行功能锻炼。

3.1股骨头减压植骨设计的原理及优点

3.1.1绞汗原理: AO空心加压钉能够对骨折端加压，其在股骨颈内呈三角型分布使骨折端获得良好的稳定性，而且可以经皮打入，创伤小，因此在国内外已经成为治疗股骨颈骨折的首选方法。因此本研究设计的植骨方法采用了3枚空心钉及成角度植入的游离髂骨块。虽然三枚空心钉呈“倒三角型”分布生物力学稳定性优于“正三角型”分布［11］，但是由于大转子区域没有足够的空间同时容纳2枚空心钉及髂骨块，因此本研究中三枚空心钉布局呈“正三角型”分布。股骨头的上后1/4是植入内固定的危险区域，拧入螺钉或钻孔会导致股骨头内的血运遭到严重破坏而出现股骨头坏死［12］，因此骨块由大转子向股骨头的前下方向置入，而且股骨头的前下方属非负重区，植入骨块术后不会出现股骨头塌陷。

3.1.2优点:①空心钉及骨块均可经皮微创打入;②髂骨块同时包含皮质骨及松质骨，因此可促进骨折愈合及股骨头的再血管化，预防股骨头坏死;③股骨颈骨折后由于骨折端出血，关节囊内压增高，股骨头静脉回流瘀滞，骨内压增高［13］，而对股骨头减压可起到降低骨内压、预防股骨头坏死的作用。

3.2实验结果分析循环实验前，在700 N及1 000 N的垂直应力下，植骨组的位移大于对照组，而循环实验后，植骨组的位移小于对照组，但差异无统计学意义(P＞0.05)。这种改变的原因可能是由于在进行循环实验时，髂骨块与股骨颈的松质骨被压实，因此循环实验完成后，植骨组的位移反而小于对照组。然而2组比较所有数据差异均无统计学意义，说明在植入骨块后，在700 N及1 000 N的静态压力下空心钉固定股骨颈骨折的生物力学稳定性没有改变。

实验结果显示循环实验前、后，使股骨头扭转3° 及5°时，植骨组所需扭矩均大于对照组，2组比较差异均有统计学意义(P＜0.05)，说明股骨颈骨折采用空心钉固定后，成角度植入游离髂骨块，其抗扭转能力有了一定程度的增强。

所有标本均成功完成了循环实验，无疲劳骨折或者内固定失败出现，说明成角度植入游离髂骨块后，患者部分负重(700 N)下进行功能锻炼，空心钉固定股骨颈骨折的稳定性不会降低。

植骨组承受的最大垂直应力大于对照组，虽然差异无统计学意义，但是还是说明植骨块对骨折端有一定的支撑作用。内固定失败时植骨组承受的垂直应力为(2 583±354) N，约为正常人体重(70 kg)的3～4倍，足以承受术后患者部分负重下进行功能锻炼。

总之，成角度植入游离骨块后，三枚空心钉固定股骨颈骨折的抗旋转能力增强，而抗压能力及极限载荷无改变。造成这种改变的原因是由于髂骨块两面带有皮质，并与三枚空心钉呈一定角度，可以起到“生物钉”的作用，具有一定的支撑及防旋转能力。

3.3本实验设计的优缺点为减少个体差异的影响，本研究采用配对研究。通过双能X-线骨密度仪对所有股骨近端标本进行检测，证实左右侧标本骨密度值差异无统计学意义(P＞0.05)，这样就排除了骨密度对实验的影响。所有骨折均制作成颈中垂直于股骨颈模型［14］，骨折面均较光滑，避免了粗糙的、不规则的骨折面对固定的影响，并且所有骨折均达解剖复位，这样就把骨折端对实验的影响降到最低。本实验股骨标本与垂直方向成25°，模拟正常人站立时股骨股骨头的受力方向［15］。所有的手术操作均由临床经验丰富的同一名骨科医师完成，髂骨块及空心钉均在X线透视仪下置入，最大限度的降低了系统误差。本实验的缺点包括: (1)标本数量少，虽然本实验采用配对研究，使每对标本标准化具有可比性，但是小样本的标本仍然可能对实验结果造成误差; (2)使用防腐标本; (3)没有模拟髋部肌肉的如内收肌、外展肌等的作用。

成角度植入髂骨块后，三枚空心加压螺钉固定股骨颈骨折的抗旋转能力增强，抗压能力无改变，生物力学稳定性没有降低。从生物力学的角度，此手术方法可用于临床股骨颈骨折的治疗。

参考文献

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(收稿日期:2014－11－12)

通讯作者:张奇，050051石家庄市，河北医科大学第三医院;

doi:10.3969/j.issn.1002－7386.2015.10.016

【文章编号】1002－7386(2015) 10－1492－04

【文献标识码】A

【中图分类号】R 683.421