發布時間：2021-04-26所屬分類：醫學職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要背景：傳統鎖定螺釘存在剛度過高、鋼板近側應力較集中等問題，為克服上述不足而設計的對側皮質鎖定螺釘已逐步應用于臨床，但其在骨質疏松骨折治療中應用的生物力學特性尚不明確。目的：通過有限元分析的方法，探討在骨質疏松股骨骨折中應用傳統鎖定螺釘
摘要背景：傳統鎖定螺釘存在剛度過高、鋼板近側應力較集中等問題，為克服上述不足而設計的對側皮質鎖定螺釘已逐步應用于臨床，但其在骨質疏松骨折治療中應用的生物力學特性尚不明確。目的：通過有限元分析的方法，探討在骨質疏松股骨骨折中應用傳統鎖定螺釘及對側皮質鎖定螺釘的生物力學差異，為對側皮質鎖定螺釘的臨床應用提供參考。方法：選擇1例老年男性骨質疏松志愿者的股骨二維CT數據，通過Mimics和Geomagic軟件構建骨質疏松股骨骨折模型，并利用UG軟件建立股骨骨折內固定模型;根據使用螺釘類型分為傳統鎖定螺釘組(股骨骨折兩端使用傳統鎖定螺釘內固定)和對側皮質鎖定螺釘組(股骨骨折近端使用對側皮質鎖定螺釘內固定，遠端使用傳統鎖定螺釘內固定);在Abaqus軟件中，采用三維有限元分析方法分析模擬軸向加載，扭轉加載，前后4點彎曲加載3種模式下模型的生物力學特性。結果與結論：①對側皮質鎖定螺釘組股骨承受較小應力，降低了骨干再骨折的風險;②對側皮質鎖定螺釘組鋼板應力較傳統鎖定螺釘組鋼板應力較小且分散，對側皮質鎖定螺釘組螺釘的應力均勻分布在所有對側皮質鎖定螺釘上，并且對側皮質鎖定螺釘的應力均勻地分布在整個螺桿，從而避免因鋼板、螺釘局部承受較大應力發生斷裂;③對側皮質鎖定螺釘組骨折斷端間微動接近于平行微動，為骨折Ⅱ期愈合提供更有利條件;④上述結果表明，應用對側皮質鎖定螺釘較傳統鎖定螺釘治療骨質疏松股骨骨折能減少股骨干的應力，且能分散內固定物上應力，降低因再骨折或內固定斷裂導致再次手術的風險;對側皮質鎖定螺釘能夠提供骨質疏松股骨骨折間平行微動，促進骨痂對稱性生長。
關鍵詞：骨;股骨;骨質疏松;內固定;螺釘;骨不連;有限元分析;生物力學
0引言Introduction
內固定治療骨折距今已有近百余年歷史，骨折治療理論已由內固定協會(associationofosteosynthesis，AO)的機械力學固定發展到生物學固定(biologicalosteosynthesis，BO)。鎖定螺釘是骨折內固定技術的又一重大突破，其擴大骨質疏松骨折和關節周圍骨折內固定手術的適應證，是一種有效的骨折治療措施[1-2]。隨著鎖定螺釘的廣泛臨床應用，研究者發現傳統鎖定螺釘系統存在剛度過高、鋼板近側應力較集中等問題，進而一定程度導致骨折延遲愈合及骨不連的發生[1，3-7]。為解決上述問題，近年來出現了一種新型固定技術，即對側皮質鎖定技術，其結構在保留鎖定螺釘固定強度的同時，降低了84%的固定剛度，提供了骨折斷端的平行微動，為對稱性骨痂生成提供有利條件[4，8]。.
目前，對側皮質鎖定技術逐步應用于臨床，并取得較好的臨床預期，但國內外尚未報道對側皮質鎖定技術在骨質疏松骨折的應用，試驗通過有限元分析，探究對側皮質鎖定技術與傳統鎖定螺釘在治療骨質疏松股骨骨折的生物力學差異，為臨床應用提供數據支持。
1對象和方法Subjectsandmethods
1.1設計三維有限元分析。
1.2時間及地點于2020年4月至5月在重慶市第九人民醫院完成有限元分析。
1.3對象選擇重慶市第九人民醫院1例志愿者，根據原發性骨質疏松標準診斷為原發性骨質疏松癥[9]。入院后測定股骨頸T值為-2.8，診斷為嚴重骨質疏松，年齡65歲，男，身高176cm，體質量75kg，雙能X射線吸收法檢測顯示，雙下肢無外傷、腫瘤及其他畸形及病變。該志愿者對試驗方案知情同意且已簽署知情同意書，試驗已經重慶市第九人民醫院倫理委員會審批通過，審批號：2020(倫審)023，批準時間：2020-03-27。
1.4方法
1.4.1資料獲取及處理將志愿者股骨CT掃描Dicom數據導入Mimics16.0軟件(Materialise公司，比利時)，分別定義矢狀面、冠狀面以及橫斷面。重建股骨模型;而后再通過使用軟件的動態區域增長的方法，選擇人體骨骼閾值，建立股骨模型;依據POLIKEIT等[10]報道的方式，通過改變骨組織的彈性模量構建骨質疏松股骨模型;最后保存為二進制STL格式文件。
1.4.2三維模型構建與分組將前述STL文件導入Geomagic12.0軟件(Geomagic公司，美國)進行曲面構建，適當地處理毛刺和空洞，隨后對表面三角面片進行編修、降噪處理，實現模型的光順化。以STL格式導出。在上述股骨幾何模型的基礎上按照AO/OTA分型標準創建股骨干骨折A1型骨折模型。在solidworks(solidworks公司，美國)中按照股骨干鎖定鋼板、鎖定螺釘(DePuySynthes公司，美國)及對側皮質鎖定螺釘(Zimmer公司，美國)建立鋼板、螺釘模型。內植物均已應用于臨床，生物相容性好，可長期保存于體內。生物力學研究表明，每個骨折端利用三四枚鎖定螺釘，就可以達到骨折牢固的固定[11-14]。因此，試驗中患者的每個骨折端予以4枚螺釘固定;根據內固定方式不同分為2組：傳統鎖定螺釘組：骨折近端及遠端各4枚傳統鎖定螺釘骨折;對側皮質鎖定螺釘組：骨折近端采用4枚對側皮質鎖定螺釘，遠端采用4枚傳統鎖定螺釘;兩組鋼板均為加壓鎖定鋼板;在UG8.5軟件中，創建股骨骨折內固定模型。并實現內固定模型與股骨模型的裝配，見圖1。
1.4.3有限元網格劃分、材料屬性及邊界條件利用HyperMesh12.0軟件劃分網格，定義并賦予材質等操作，見表1。
材料屬性及邊界條件：利用Abaqus11.0軟件(SIMULIA公司，美國)作為計算工具軟件，設置邊界條件：螺紋和骨頭設為綁定;螺釘與鋼板之間設為綁定;骨塊之間摩擦為0.4。鋼板材質為不銹鋼材質，螺釘材質為鈦合金。內固定和骨材料參數見表2。
1.4.4加載模式分別模擬軸向加載，扭轉加載，前后4點彎曲加載的模式。軸向加載在股骨頭頂端加載2100N的作用力，用以模擬患者完全負重過程。受力方向為冠狀面上內收10°角，在矢狀面上后傾9°角。股骨遠端設為綁定。扭轉加載以股骨干縱軸為旋轉軸，旋轉載荷為0.5弧度(對股骨施加扭矩進行旋轉，導致轉動0.5弧度;1弧度為57.3°)。股骨遠端設為綁定。前后4點彎曲，在股骨干前側和后側設置圓柱形剛體結構，設置接觸屬性。后側的剛體設置為綁定，前側的剛體設置為等位移加載，見圖2。運用Abaqus11.0軟件有限元顯示進行運算，通過有限元積分法求得結果。
1.5主要觀察指標①兩組模型在3種加載模式下股骨最大等效應力差異;②兩組模型在3種加載模式下鋼板、螺釘最大等效應力及應力分布情況;③兩組模型在軸向加載模式下骨折斷端間微動情況。
2結果Results
2.1不同加載模式下股骨最大等效應力在軸向加載、扭轉加載以及前后4點彎曲3種加載模式下傳統鎖定螺釘組股骨最大等效應力分別為93.28，295.60和3491MPa;對側皮質鎖定螺釘組股骨最大等效應力分別為67.38，278.10和3318MPa，見圖3，應力云圖顯示顏色接近藍色表示應力越小，顏色越接近紅色表示應力越大;該結果提示，傳統鎖定螺釘組股骨較對側皮質鎖定螺釘組股骨承受更大的應力。
2.2不同加載模式下螺釘應力分布在上述3種不同加載模式下所得螺釘應力云圖可以看出，傳統鎖定螺釘組近端螺釘應力主要集中于靠近骨折斷端的螺釘上，并且最大應力多集中于近鋼板側皮質與鋼板螺紋孔之間，而對側皮質鎖定螺釘組近端螺釘應力更加均勻地分布于近端四枚螺釘，并且最大應力分布更加分散地分布在螺桿上，各對側皮質鎖定螺釘的螺桿均產生相同程度的“S”樣形變，見圖4;此結果與BOTTLANG等[4，8]的研究一致;表明對側皮質鎖定螺釘組在螺釘應力分布方面表現更優異，避免應力集中。
2.3不同加載方式下鋼板應力分布不同加載模式下鋼板應力云圖可以得到，軸向加載、扭轉加載以及前后4點彎曲3種加載模式下傳統鎖定螺釘組鋼板最大等效應力分別為41.08，95.70和75.21MPa;對側皮質鎖定螺釘組鋼板最大等效應力分別為40.76，81.22和68.52MPa，見圖5;對側皮質鎖定螺釘組鋼板較傳統鎖定螺釘組鋼板承受更小的應力;并且通過云圖可見對側皮質鎖定螺釘組鋼板應力分布更為分散，避免了因應力集中于鋼板固定位置而導致的內固定斷裂。
2.4骨折斷端的微動在軸向加載模式下得到骨縫鋼板側與鋼板對側位移，見表3;對側皮質鎖定螺釘組鋼板側位移大于傳統鎖定螺釘組相對應的位移;對側皮質鎖定螺釘組鋼板側位移與鋼板對側位移之差明顯小于傳統鎖定螺釘組對應的位移之差;結果表明，對側皮質鎖定螺釘組骨折斷端的微動更接近于平行微動，降低骨折斷端的鋼板側應力遮擋。
3討論Discussion
AO理論強調骨折部位良好復位和堅強內固定，鎖定鋼板和螺釘系統通過鎖定螺釘的螺紋與鋼板的螺紋孔形成鎖定連接，使整體裝置成為一個穩定的框架結構，此類結構不需要鋼板與骨面的緊密接觸，鋼板與骨面之間可有一定間隙，其最大優點是減少對局部血供的破壞[15-17];通過鎖定鋼板可達到堅強的內固定有利于骨折愈合[18-19];但有研究表明鎖定鋼板因剛度過高，而不利于骨折的愈合[5-6，20]。為了降低鎖定鋼板系統的剛度，許多學者做了大量的研究，如BO理論的出現，標志著骨折部位血供受到重視，與AO理論不同，其主要采用橋接技術[21-23]。橋接固定達到了降低鎖定鋼板固定的剛度和增加固定間微動的目的，有利于骨折愈合[11，24-25]。橋接固定使骨折端有一定的微動，既往研究表明，骨折二期愈合最佳骨折斷端間微動為0.2-1.0mm[26-27]。鎖定螺釘固定治療骨折的愈合方式屬于典型的二期愈合，骨痂的生長常常預示骨折的良好愈合。KLUG等[15]研究發現在橋接固定鎖定鋼板同側面骨痂生長很少，而鎖定鋼板固定的對側，固定的剛度相對較低，產生微動刺激了骨痂生長，導致骨痂生長較多，從而導致骨痂的不對稱性生長。如果骨折斷端骨痂形成為非對稱性骨痂，同樣會影響骨折愈合[12，28-29]。另外近期多項研究表明，橋接固定骨折斷端處的水平剪切移動增加是軸向活動增加的3倍，水平剪切移動同樣不利于骨折的愈合[11，30-33]。
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傳統鎖定鋼板系統剛度過高不利于骨痂形成和骨折愈合，為了解決傳統鋼板剛度高的問題，大量學者研究發現彈性固定才有利于骨痂形成和骨折愈合[34-35]。剛度過高的鎖定固定同樣可以導致螺釘在釘板交界處發生斷裂，并且在骨折尚未愈合時存在發生螺釘整體拔出的情況[5，36]。據報道，利用傳統鎖定螺釘裝置治療股骨髁上骨折的延遲愈合或不愈合、鋼板撥出和內固定斷裂等需要再次手術治療的并發癥發生率高達20%-37%[1-2，37-38]。因此，傳統鎖定鋼板、螺釘結構具有以下不足：①結構剛度過高，導致骨折斷端微動較小，不易骨痂生長;②鋼板應力遮擋致使骨折斷端不對稱微動，從而導致骨痂生長不對稱，鋼板對側骨痂較鋼板同側骨痂形成多，影響骨折愈合;③鋼板承受更多應力，并且應力更集中，長此以往導致內固定斷裂發生再次骨折。
BOTTLANG團隊[4，39]在2005年美國矯形研究協會年會上初次提出了對側皮質鎖定觀點，并按照此理念設計出首款對側皮質鎖定螺釘，此類螺釘的螺紋設計于螺桿遠端和釘尾，而接近釘尾的螺桿近端設計為無螺紋結構，因此可依靠螺紋分別與鋼板對側皮質和鋼板進行鎖定，螺桿與鋼板近側皮質孔四周存在空隙，而且螺桿具有彈性，受力后螺釘可以彎曲，因此在鋼板對側及鋼板側可以產生對稱的微動。有研究通過相關的生物力學實驗和動物實驗表明，對側皮質鎖定螺釘和傳統鎖定螺釘相比，在保持同樣內固定強度的同時，對側皮質鎖定系統能夠降低84%的系統剛度[26]，并且動物實驗表明對側皮質鎖定系統骨痂生成較多且分布均勻對稱等特點。由于對側皮質鎖定系統螺釘可靠近骨折斷端固定，因此減少橋接固定引起的骨折斷端水平剪切活動。BOTTLANG等[40]的臨床研究表明，在臨床使用對側皮質鎖定技術治療33例股骨遠端骨折時，隨訪至少1年時間，均獲得良好的臨床療效。
目前多項研究表明，對側皮質鎖定具有以下生物力學特點：①彈性固定、平行微動：對側皮質鎖定系統螺釘的螺桿具備一定的彈性，在承受應力時會發生“S”樣形變，產生骨折斷端間微動。骨折斷端在鋼板側及鋼板對側的微動接近一致，近似于平行位移，該結構將彈性固定與平行微動相結合，有利于骨痂生長和骨折二期愈合;②剛度二相性：在系統載荷較低的條件下，對側皮質鎖定螺釘系統剛度較小;隨著載荷增加，達到螺釘形變后，螺桿與鋼板側皮質相接觸，鋼板側皮質骨可提供額外的支撐，進而提高對側皮質鎖定螺釘系統的整體剛度，即為剛度二相性;③對側皮質鎖定系統螺釘應力均勻分布：對側皮質鎖定系統應力均勻分布于每一枚對側皮質鎖定螺釘上，并且螺釘的應力則均勻地分布在整個螺桿。目前，依據對側皮質鎖定理念設計出來的螺釘有Zimmer公司的MotionLoc螺釘、DePuy-Synthes公司的動態鎖定螺釘(dynamiclockingscrew，DLS)和國產愛湃斯(Aplus)的動態雙螺紋鎖定螺釘(DynamicDoubleThreadLockingscrew，DDTL)，均已上市。對側皮質鎖定螺釘應用成為預防骨不連方向的熱點;對側皮質鎖定螺釘逐步應用于臨床，并取得較好的臨床預期，但對側皮質鎖定螺釘在骨質疏松骨折中應用是否同樣具有以上特點，此類研究鮮有報道。
試驗通過有限元分析的方法，首先構建骨質疏松股骨骨折模型，分別應用傳統鎖定螺釘及對側皮質鎖定螺釘固定骨折;結果表明，在軸向加載、扭轉加載以及前后4點彎曲三種加載模式下對側皮質鎖定螺釘組股骨承受較小應力，可能原因為對側皮質鎖定螺釘的螺桿在受應力時發生“S”樣形變，緩沖了整體結構的部分應力，減少股骨所承受的應力，降低骨干再骨折的風險。螺釘及鋼板應力云圖表明，在不同加載方式下傳統鎖定螺釘裝置的應力集中在螺釘與鋼板螺紋孔的釘板交界處，導致此部位更易發生內固定斷裂;而對側皮質鎖定系統的應力均勻分布在所有對側皮質鎖定螺釘上，并且對側皮質鎖定螺釘的應力均勻地分布在整個螺桿，減少了應力集中，避免因螺釘局部承受較大應力發生斷裂;對側皮質鎖定螺釘組鋼板應力較傳統鎖定螺釘組鋼板應力較小且分散，同樣可能因對側皮質鎖定螺釘發生“S”形變，且所有對側皮質鎖定螺釘形變程度一致，在緩沖了應力的同時將應力均勻分布在螺桿上，從而降低因螺釘、鋼板斷裂而導致內固定失效風險。此項結果進一步說明對側皮質鎖定螺釘在骨質疏松骨折應用中仍能保持其生物力學特性。軸向加載下，對側皮質鎖定螺釘組鋼板側與鋼板對側骨折均發生微動，且微動差值小于傳統鎖定螺釘組，表明對側皮質鎖定螺釘可提供骨折斷端間接近平行的微動，在堅強內固定的同時降低應力遮擋，促進骨折近鋼板側及鋼板對側骨痂對稱生長，達到骨折Ⅱ期愈合。
綜上所述，對側皮質鎖定螺釘較傳統鎖定螺釘治療骨質疏松股骨骨折，可減少股骨及鋼板承受的應力，應力均勻分布于所有對側皮質鎖定螺釘，每枚對側皮質鎖定螺桿上分布更加均勻;減少股骨再次骨折、內固定失效發生率，降低再次手術風險。對側皮質鎖定螺釘可提供骨質疏松股骨斷端的平行微動，為骨痂對稱性生長提供條件，很大程度避免骨不連發生。文章為對側皮質鎖定臨床應用于骨質疏松患者提供較好的數據及理論支持。
試驗尚存在一些不足之處，有限元分析過程中使用骨質疏松股骨骨折簡化模型，忽略周圍肌肉、韌帶的影響，有限元結果提供在3種加載模式下結果，并且不同個體股骨解剖存在一定差異，故而分析結果與真實情況存在一定差異，需與大樣本臨床結果相結合，并且試驗僅設計一種對側皮質鎖定螺釘應用于骨質疏松股骨骨折，目前已上市3種類型對側皮質鎖定螺釘臨床應用過程中是否存在差異尚需更進一步研究探討。——論文作者：朱云，陳渝，邱皓，劉盾，靳國榮，陳詩謀，翁政
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