应力松驰接骨板对固定段骨结构及力学性能影响的实验研究
作者：张先龙 戴克戎 汤亭亭
单位：张先龙(现工作单位：上海市第六人民医院骨科)；戴克戎(200011 上海市 上海第二医科大学附属第九人民医院)；汤亭亭(200011 上海市 上海第二医科大学附属第九人民医院)
关键词：接骨板；内固定；力学强度；应力遮挡
中国临床解剖学杂志000329 【摘 要】 目的：了解应力松驰接骨板固定对固定段骨形态结构及力学性能的影响。方法：分别将应力松驰接骨板(实验组)和坚硬接骨板(对照组)固定于兔胫骨干中段，采用CT扫描及CT值测定和力学测试，观察固定段骨结构及力学性能的变化。结果：固定后8～12周，两组板下皮质骨厚度均逐渐变薄，伴CT值和固定骨段力学强度下降，以对照组为明显。24～36周，实验组板上皮质骨厚度、CT值和固定骨段力学强度逐渐恢复，接近正常；而对照组呈现松质骨化，36周时最大三点弯曲强度仅为正值53.9%。结论：应力松驰接骨板减轻了板下骨骨质疏松的发生，在不去除接骨板的情况下，可使疏松板下骨形态结构及力学性能逐渐恢复。
An experimental study of the effects of stress-relaxation plate on the structure and mechanical property of fixed bone
Zhang Xianlong,Dai Kerong,Tang Tingting.
Department of Orthopaedics,The Ninth People's Hospital of Shanghai Second Medical University,Shanghai 200011
Objective:To investigate the effects of stress-relaxation plate (SRP)on the structure and mechanical property of plated bone.Methods:Both SPR and 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 weeks 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 group 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 words Bone plate Internal fixation Mechanical strength Stress shileding
坚硬接骨板加压内固定为骨折提供了稳定的力学环境。然而，其强大的应力遮挡作用可诱发严重的局部骨质疏松，它是负重开始后或接骨板取出后固定骨段再骨折的潜在原因。我们采用粘弹性材料制成的聚乙烯垫圈置于螺钉与螺孔之间，构成应力松驰接骨板系统。研究证实，该系统固定刚度随着垫圈的蠕变和破坏而逐渐下降，使骨固定段承受的应力刺激逐渐增加[1，2]，现将本研究中固定段骨结构变化及力学测试观察结果报道如下。
1 材料和方法
1.1 接骨板与垫圈
以316L不锈钢制成四孔接骨板和螺丝钉。接骨板长40 mm，宽7 mm，厚2 mm，螺孔直径为2.2 mm。螺丝钉外径2 mm，长12 mm。另以超高分子量聚乙烯制成空心垫圈，外径2.2 mm，内径2.0 mm，高1.5 mm。
1.2 动物实验及观察指标
选用健康的成年新西兰兔40只，体重2.5～3.0 kg。2.5%戊巴比妥钠自耳缘静脉麻醉后，手术显露双侧胫骨中段，左侧以坚硬接骨板内固定作为对照组，右侧在4个螺孔内加放垫圈后固定， 即应力松驰接骨板固定。螺丝钉使用统一扭矩拧紧，术后动物分笼饲养，自由活动。所有动物分为5组，每组8只，分别术后4、8、12、24及36周处死，剖取两侧完整胫骨，取出接骨板及螺丝钉，作如下观察。
1.2.1 CT扫描及CT值测定 将同一只动物双侧胫骨并排放置，以内侧两螺孔中间的部分为中心，在Somaton ART CT扫描机(德国西门子公司)作横断面断层扫描，层厚为5 mm，扫描条件相同。成像后在板下皮质骨区域内随机划取4个小圆圈，计算机自动测得每个小圆面积内皮质骨平均CT值，以此求得每组板下骨总平均CT值及标准差。同时测得正常胫骨CT值，将每组CT值换算成正常值的百分比，以消除个体差异。然后，以团体t检验对各组结果进行比较分析，规定P<0.05为差异显著。
1.2.2 皮质骨灰度曲线观察 将上述CT图像置低倍放大装置(德国KAISER公司)上，由日本JVC公司产CCD摄像机(高度40 cm)，摄取输入原图，每组输入CT片原图片8帧，分辩率560线，输入画面768×512像素。原图经VIDAS图像分析系统(德国ZEISS公司)处理成为彩色示意图，垂直接骨板面中央，选定起点和终点，间距为四线宽，由板对侧皮质骨开始经髓腔向接骨板侧皮质骨横向扫描，得到皮质骨灰度分布曲线图，对其进行分析比较。
1.3 力学测试
上述胫骨标本完成CT扫描后，在岛津AG-20KNA万能材料试验机上作三点弯曲试验。加载点位于钢板对侧中间两螺孔间中点，支点位于钢板侧，支点间距离为50 mm，加载速度3 mm/ min，测试记录愈合骨最大三点弯曲强度。另外8根正常完整胫骨作相同力学测试，作为对照，将固定两组胫骨最大弯曲强度换算成正常对照的百分比，然后以团体t检验，对两组结果作比较发达分析，规定P<0.05为差异显著。
2 结果
2.1 固定骨段CT扫描及CT值测定
CT扫描显示：4周时两组板下骨厚度无明显改变。8周时两组板下皮质骨均变薄，以坚硬接骨板(Rigid Plate RP)组为明显(图1)。12周时应力松驰接骨板(Stress Relaxation Plate，SRP)组板下骨变薄，仍见皮质骨结构；RP组板下皮质骨逐渐变薄、CT扫描成像模糊不清，见不到正常皮质骨结构。24～36周，SRP组板下皮质骨逐渐恢复密度和厚度，但仍不及钢板对侧皮质厚度；RP组板下骨菲薄，皮质骨结构消失(图2)。
左：SRP 右：RP
图1 固定后8周，两组接骨区CT扫描
左：SRP 右：RP
图2 固定后36周，两组接骨区CT扫描
CT值测定：正常兔胫骨中段皮质骨CT值为1951.2±157.5。由表1可以看出，固定后12周前，两组板下骨CT值均逐渐下降(表1)，SRP组下降较慢，8周时，SRP组CT值明显高于RP组(P<0.05)。此后，SRP组CT值开始逐渐恢复，36周时达正常值85.2%，而RP组CT值进行性下降，24周起，局部开始呈负值，36周时降至正常14.2%，两组差异非常显著(P<0.001)。
表1 两种接骨板固定板下皮质骨CT值测定结果(
±s，%) 固定时间(周)SRP
RP
P
4
86.8±4.2
76.6±5.1
>0.05
8
61.9±3.5
50.3±2.9
<0.05
12
51.7±6.3
37.1±1.9
<0.05
24
75.0±1.8
30.2±3.9
<0.01
36
85.2±4.5
14.2±5.1
<0.001
2.2 固定段骨皮质灰度分布曲线变化
图3所示正常兔胫骨中段皮质骨灰度分布曲线。由图可知：正常皮质骨灰度峰值均在250左右，峰宽代表皮质骨厚度，均为1.5 mm左右。由图4至6可以看出，随着固定时间延长，12周时，两组的板下骨灰度及峰宽均明显下降，SRP组下降幅度小于RP组。24周时，SRP组板下骨开始恢复，至36周时与板下对侧皮质骨相同，约为225左右，但峰宽仍未达到正常，提示板下皮质骨厚度未完全恢复。而RP组上述下降趋势一直延续到36周，无恢复迹象。
图3 正常兔胫骨中段皮质骨灰度分布曲线
图4 固定后8周两组板下骨灰度分布曲线
图5 固定后12周两组板下骨灰度分布曲线
图6 固定后36周两组板下骨灰度分布曲线
2.3 力学测试结果
两组骨力学强度测试结果见表2。
表2 两种接骨板固定后骨最大弯曲强度测试结果(
±s，%) 固定时间(周)SRP
RP
P值
4
98.3±4.4
97.6±2.4
>0.05
8
82.3±3.5
76.8±4.5
>0.05
12
78.9±2.5
60.2±1.9
<0.05
24
87.4±4.3
56.4±2.6
<0.01
36
93.6±5.1
53.9±1.7
<0.001
3 讨论3.1 应力松驰接骨板对固定段骨形态和结构的影响
坚硬接骨板的应力遮挡作用是造成固定段骨质疏松，即骨量丧失和骨结构紊乱的主要原因[3]。接骨板刚度越高，所造成骨量丧失和骨结构紊乱就愈快、愈严重，力学性能下降越明显[4]。为此，我们设计了应力松弛接骨板系统，该系统的主要特点是其固定刚度可随时间延长，而逐渐下降。因而，对骨的应力遮挡作用逐渐减弱。我们过去的研究证实，垫圈形态的变化是应力遮挡率下降的主要原因[1]。从材料学角度看，粘弹性材料的主要特征是在载荷不变的情况下，其变形量可随时间的延长而增加(称蠕变)。已知载荷从骨组织转移到接骨板，必须经螺孔部位才能使接骨板承受载荷，位于螺孔内的垫圈在这种载荷转移作用下，逐渐发生蠕变，导致螺丝钉逐渐发生不同程度的松动，而螺丝钉的松动直接影响了接骨板系统对骨的应力遮挡作用。Carter等研究表明，以12 N*m的扭矩将接骨板拧紧后，只要旋松半圈，即可使接骨板完全丧失对骨的应力遮挡作用。对垫圈的扫描电镜观察发现长期压缩和往复加载(肢体活动时)不仅使垫圈出现蠕变，而且出现典型的疲劳损害，与之相应的是接骨板对骨的应力遮挡率逐渐下降，8周时与对照组间差异有显著性，随着时间的延长，其变形和撕裂损害变化和体外应力遮挡率下降基本一致，这就是应力松驰接骨板应力松驰的机理。本文未能对体内垫圈形态的变化及其与骨形态结构变化关系作进一步研究。本研究板下骨CT值测定(骨密度)及板下骨灰度分布曲线(骨密度及皮质骨厚度)均提示术后8～12周，SRP板下皮质疏松轻于RP组。这一结果与我们先前的观察结果基本一致[1]。我们认为接骨板螺钉系统刚度的逐步下降所形成的渐变力学环境，使固定骨段承受应力刺激逐渐增加，因而减轻了应力遮挡所致的骨质疏松的发生和发展。随着固定时间的延长，这种逐渐增加的应力刺激，促进了SRP组板上疏松骨结构的改建和修复，至36周，板下皮质骨厚度、骨密度(灰度曲线分析及CT值测定)及截骨段力学性能逐步得到恢复。而RP组，由于固定段骨得不到足够应力刺激，骨密度下降，持续性加重加剧，CT扫描示板下骨皮质菲薄，CT值下降呈负值。36周时，最大弯曲强度仅为正常53.9%。这些结果表明：SRP所建立的渐变力学环境，减轻了板下骨质疏松的发生，在不去除接骨板情况下，使皮质骨结构及力学性能逐步得到恢复。需要说明的是，本实验结果只是初步反映了体内状态下，SRP对固定段骨皮质形态结构及骨密度变化的影响，文中CT值及灰度曲线的获取受较多因素的影响，如测定部位的选定，图像处理过程中信号的丢失，扫描方向及扫描起点和终点的选择等。例如采用QCT测定，则结果可能更加标准、精确。
3.2 板下骨结构的改变对截骨段力学性能影响
结果表明：骨矿物质的含量与骨力学性能有显著相关性，骨质疏松、骨孔隙率增加、骨密度下降等是影响骨力学性能的重要因素[5]。除此之外，骨几何形态、皮质骨厚薄以及内结构(如胶原羟基磷灰石排列等)也对骨力学性能产生很大影响[6]。本文的实验结果证明，接骨板固定后皮质骨疏松以及骨密度的降低影响骨的材料性能，而皮质骨的变薄则影响了骨的结构性能，两者共同引起骨的力学性能下降。与RP组相比，SRP对固定骨段材料及结构性能影响较轻，且由于固定系统刚度的下降，截骨段承受应力刺激逐步增加，使骨改建渐趋完善，板下骨骨量、皮质骨厚度及骨力学性能逐渐恢复。但由于SRP组板下皮质厚度未能恢复，因而，可能影响了固定段骨力学强度的彻底恢复，但36周时已接近正常(93.6%)，即使取出接骨板，亦不至于发生再骨折。
国家自然科学基金资助项目(No.39470698)
参考文献
1，戴克戎，戴 闽，王开友，等.应力松弛接骨板对骨几何形态和力学性能影响的实验研究.中华医学杂志，1995，75(7)：414
2，汤亭亭，戴克戎，薛文东.可变刚度接骨板系统对循环压缩载荷的力学反应.医用生物力学，1996，11(1)：42
3，Uthoff HK,Foux A,Mcauley YJ,et al.Two processes of bone remodeling inplated intact femora:an experimental study in dogs.J Orthop Res,1993,11:78
4，Clase L.The mechaincal and morphological properties of bone beneath internal fixation plates of different rigidity.J Orthop Res,1989,7:170
5，Stromsoe K,Hoiseth A,Kok WL,et al.Bending of Strength of the femur in relation to bone mineral.Acta Orthop Scand，1992,63(Suppple 248):80
6，Smith EL,Gilligan C.Dose response relationship between physical loading and mechanical competence of bone.Bone,1996,18:45
(收稿：1999-06-01)