股骨颈骨折愈合后钉道植骨的生物力学意义--发表于《中国骨与关节损伤杂志》

发表者：唐洪涛人已读

股骨颈骨折愈合后钉道植骨的生物力学意义

唐洪涛¹仝允辉¹杨茹萍² 朱太永¹ 张美超³ 赵卫东³

^{1 洛阳正骨医院髋关节一科 2河南科技大学生物力学实验室3 南方医科大学生物力学实验室（原第一军医大学）}

【摘要】 目的探讨空心加压螺钉治疗股骨颈骨折愈合后，取出空心加压螺钉遗留钉道不植骨、植骨及正常的股骨头颈部的生物力学特性，为临床提供实验依据。方法收集9对防腐成人尸体股骨标本进行力学实验，测量不同载荷下三组股骨头颈的位移变化，对其结果进行统计学分析。并对股骨头颈三维有限元模型进行测试，得出股骨头颈部的力学特性。结果不植骨组与正常组、植骨组的股骨头颈部载荷－位移均值，统计学上存在明显性差异（P＜0.05)；而植骨组与正常组无明显差异（P＞0.05）。有限元模型测量显示不植骨模型的最大应力集中在股骨头负重区远大于植骨模型股骨颈下方的内后侧处最大应力集中区，结论空心加压螺钉治疗股骨颈骨折愈合取出内固定后，应在股骨头颈部钉道内植骨，这有利于提高股骨头颈部的生物力学性能，预防因股骨头部应力过于集中，导致股骨头坏死塌陷等并发症的发生。

关键词 股骨颈骨折骨折内固定术钉道植骨股骨头塌陷生物力学有限元分析

[ABSTRACT] Objective: To study biomechanical performance of femoral head and neck of ungrafting-bone group、grafting-bone group、normal group。 Channel of ungrafting-bone group and grafting-bone group are left over hollow compression alloy screws were taken out After femoral neck fracture-healing，and to provide theoretical basis for the treatment of necrosis of the femoral head by bone grafting in the channel of screws .Methods: nine femurs fixed and preserved by formalin were used in this test. They are randomly divided into three groups: normal group、ungrafting-bone group、grafting-bone group. according to inversed-triangle, At the range of physiological load, it tested the defixed bias-value of three groups’ femoral head at different load. Collected and analyzed the data. Calculated the three-dimension finite element model of the femoral head and neck, Nodal solution of stress value and max-offset were calculated at area of femoral head and neck, then compared and analyzed the data. Results: compared with the mean of load-offset about the femoral head and neck, biomechanical capability of ungrafting-bone group is lowest with regard to other two groups , the influence is very hard , р<0.05 .But there was not singnificant different between normal group and grafing-bone group р>0.05. analysis of the three-dimension finite element model show that the massive stress was concentrated at weight loading region of ungrafting-bone group’s femoral head, it is an dangerous chance to lead to femoral head collapse. Although the massive stress was concentrated at the region of grafting-bone group’s femoral neck, but the max-stress value is 0.295e8 was far lowest the value is 0.482e8 of the weight loading region of ungrafting-bone group’s femoral head . Conclusion: For the treatment of proximal femur fractures with cannulated compression screws，bone grafting in the channel of screw should be used to improve biomechanical integrity after fracture healed and cannulated compression screws were taken out . This is of benefit to loading in early stage and to preventing the collapse of femoral head ，etc.

[Keywords]: femoral neck fracture fixation technique screws bone transplantation femoral head collapse biomechanical test Finite element method

股骨头缺血性坏死塌陷和骨折不愈合是股骨颈骨折术后两大并发症。近年来，随着内固定技术的改进，骨折不愈合率已大大降低，但股骨头缺血性坏死塌陷的发生率却无显著下降，特别是股骨颈骨折愈合去除内固定后股骨头坏死塌陷的发生率依然很高，危杰^[1]等分析了137例股骨颈骨折术后患者资料，得出股骨头缺血性坏死和股骨头晚期塌陷总体发生率分别为37.2%和24.1%，结果与国内外多数报道接近。临床上采用复含BMP的骨材料植入股骨颈骨折愈合后取出空心加压螺钉遗留的钉道内，尽早恢复股骨头颈部的生物力学性能，预防股骨颈骨折晚期并发症的发生。本研究旨在对股骨颈骨折愈合后钉道植骨与不植骨进行生物力学测试，并对两种状态下进行三维有限元分析，为股骨颈骨折愈合后钉道植骨临床应用提供实验依据。

材料与方法

一、实验材料 成人防腐尸体股骨标本18根 (上海中药大学解剖教研室、河南郑州卫校解剖教研室)；标本固定底座（自制），岛津AGS-10KNG万能材料生物力学实验机（河南正骨研究院）；德国西门子公司产CR摄片机、透视机及骨密度测量仪（河南洛阳正骨医院）；AO中空加压螺钉，钉长为80～110mm，内六角凹口（天津正天医器械有限公司）；YE2537程控静态应变仪（河南科技大学生物力学实验室）。

二、实验方法

㈠ 标本的制备：取成人防腐股骨18根，去除标本所有软组织，肉眼观察及X线片均证实无风湿、结核、肿瘤、骨折等病变及解剖变异。自大转子下225mm截取股骨上段（截骨线与骨干垂直），将其插入φ50mm，高100mm钢杯（自制，有利于实验中固定）中，用调和好的牙托粉固定，固定时应注意保持股骨干轴线与钢杯中轴线一致，不可发生偏斜；调和牙托粉固定时，牙托粉与甲基丙烯酸甲酯的比例应保持在1:1，且应在其凝固过程中的拨丝期为宜；待牙托粉充分凝固后，把标本编号加写于钢杯上，将钢杯通过旋转方式固定于底座上，使股骨头位于实验机加载平台的中心、股骨干轴线与实验机加载轴线保持15°的夹角。截取后遗留的股骨髁部保留完整，备用为植骨模型制作的植骨骨源。

㈡ 实验分组：所有股骨采用配伍设计,分成3个配伍组，每组6根（3付）股骨标本，配伍标准：根据每付股骨标本外观（长度、粗细程度）相似，X线评估骨密度相近，所有股骨标本分成3个配伍组；再按随机原则，同时要求同一付股骨标本左、右侧不能分配在同一个实验组中，分为不植骨组、植骨组、正常组。

㈢ 模型制备：不植骨组与植骨组钉道的的制备符合临床标准，三枚螺钉植入均采用倒三角形固定构型^[2]：大粗隆下1cm处，于股骨颈轴线平面上方。两边旁开6mm、与股骨干轴线成135°～140°角置入两钉，大粗隆下4cm，于颈正中线上135°～140°紧贴股骨距置入一钉，三钉平行。按照上述标准分次拧入直径7.3mm螺钉，拧入螺钉后再取出，以塑形钉道，模拟股骨颈骨折愈合后内固定取出遗留的钉道。植骨模型制作，植骨条为股骨髁部的松质骨条，从股骨固定模型制作截取下的股骨髁获得，直径约7mm，平均长度约为80mm。植骨条放入钉道内用植骨棒压迫式打压牢实，打压的力量约为800N，打压时股骨头部用自制的金属髋臼加以保护，以免股骨头部骨质破坏。钉道内完全被松质骨填满为标准，制作后拍X线加以证实。正常组为完整的股骨标本。（图1、2、3）

㈣ 有限元模型制备：股骨三维重建的原始数据来源于中国虚拟人男1号的断面切削数据集。据此重建股骨上段部分的三维立体模型（图4）。经过南方医科大学生物力学实验室购买的自由造型系统“计算机雕刻”软件的处理及矢量化输出等方法^[3]，把股骨模型导入大型有限元软件Ansys的前处理模块。采用四面体单元对模型进行网格划分，建立起股骨的有限元网格模型，其中共包括皮质骨43827个单元、88649个结点；松质骨99432个单元，151578个结点，性质定义如下^[4,5]：皮质骨E=10000Mpa, σ=0.3，松质骨E=500 Mpa，σ=0.25。划分网格后股骨模型

㈤ 生物力学测试：三组标本分别通过岛津AGS-10KNG万能材料实验机加载，加载方向为重力方向，并与股骨干纵轴成15°的夹角^[6]；加载通过自制的金属髋臼与股骨头接触，以模拟人体髋关节的载荷并使试件均匀受力；实验时先预载50N，以使人工髋臼与股骨头接触紧密（图4）,再给予安全载荷量200～1000N，加载速率为5mm／min，测试三组股骨标本的轴压力学性能，分别记载载荷为100N、200N、300N、400N、500N、600N、700N、800N、900N、1000N时的股骨头下沉位移值（由实验机直接测得），并通过实验机软件得出所测标本为完整构件时的硬度及刚度；为提高测量精度，全部标本在结构、尺寸、载荷、力学性质上均符合实验力学模型要求^[7]。实验过程中为防止水分蒸发，用塑料袋将骨骼标本缠紧密封。

㈥三维有限元模型测试：模型加载方向为重力方向，通过在模拟单腿站立是的状态。对于每个模型施加相似的载荷条件:固定股骨体下表面，对股骨头最高点处施加一相当于正常人体质量一半的压力约500牛顿。设置求解条件后对模型进行分析计算。

三、统计学分析

㈠统计分析采用SPSS11.5软件包处理，三组标本所测的载荷－位移值实验数据用均数±标准差( )表示，三组数据分别行两组样本t检验或单因素的方差分析，按照数理统计理论加以检验。三组数据的相关性及离散趋势用Excel图表显示。

㈡给予有限元模型500N载荷的加载，求出股骨头颈有限元模型在三种状态下的应力分布及位移分布，分析比较。

结果

一、生物力学测试结果（表1）：不植骨组与正常组、植骨组存在明显差异（P＜0.05）,植骨组与正常组无明显差异（P＞0.05）。三组模型载荷－位移数据离散图（图5）可以看出不植骨组较植骨组、正常组的离散趋势明显偏大，存在明显差异；植骨组与正常组离散趋势接近，无明显差异

图5 3组股骨标本在不同载荷作用下股骨头的下沉位移均值的离散趋势图

Fig.5 three group specimens’ straggling trendgraph about mean of capital offset at different load

二、有限元股骨模型载荷－应力测试结果（图6、7）：不植骨状态下股骨头负重区应力大量集中，股骨头塌陷的危险系数增大，极有可能会发生股骨头塌陷；植骨后应力集中区发生改变，降低了股骨头负重区的应力，这样股骨头塌陷的危险系数就相对的降低。植骨优于不植骨。有限元股骨模型载荷－位移测试结果（图8、9）：不植骨状态下股骨头力学性能有所下降，承重能力差；植骨后股骨头力学性能有所改善，承重能力增强；植骨优于不植骨。

讨论

一、股骨头坏死塌陷的生物力学因素

股骨颈骨折后股骨头发生塌陷坏死的原因,大多数学者仍然认为血循环障碍为主要原因^[8^、9]。如果单按缺血性股骨头坏死的理论，股骨颈周围血管的损害应发生在骨折之际，那么股骨头的命运已在此时注定，可是这种理论难以解释为什么骨折愈合后数年内会发生坏死。一些学者考虑股骨颈骨折后股骨头坏死必有其生物力学方面的原因。塌陷的发生是坏死股骨头机械力学性能下降的直接结果。张永飞、张义修^[10]认为应力因素改变在股骨颈骨折术后股骨头坏死的发生和病理演变过程中都起着重要作用。股骨头环死的发生是生物学和生物力学的综合结果。Brown等^[11]用有限元方法证实了应力集中是股骨头坏死病情进展的主要原因。Kim等^[11]对坏死股骨头的软骨下骨和中部松质骨进行了力学测定，也证明了其力学性的降低与股骨头坏死有直接关系。

创伤性与非创伤性股骨头坏死的病理改变基本上是一致的，早期是股骨头缺血后出现骨和骨髓组织的坏死，其后产生修复反应。但这种修复过程不完全一致，处在死骨与活骨交界处的坏死骨小梁已进入修复期，而处在坏死中心部位的骨小梁尚未修复，此时由于修复不全而出现骨结构损害和力学性能降低，最终导致股骨头塌陷。可能原因是成骨细胞增殖的同时破骨细胞活性也增加，骨吸收超过骨形成；未完全矿化和塑形的新生骨力学性能较低；骨坏死后股骨头失去正常骨小梁及松质骨衍架结构，股骨头强度和顺应性下降，在坏死骨与活骨之间可产生应力集中^[13^、^14]。实验表明，负重区软骨下骨力学性能下降与塌陷的关系更为密切^[15] 。一方面，软骨及其下骨变形能力较低，不能将关节应力均匀地向骨小梁传导；另一方面，其顺应性降低使髋关节应力增加。因此，在塌陷前期，坏死骨在吸收与爬行替代过程中未得到良好重建，应力作用下可不断产生微细骨折，最终导致股骨头塌陷。若减轻股骨头部的应力过于集中，可能自行修复而愈合，预防股骨头塌陷。

二、结果分析

㈠生物力学测试结果三组股骨标本在造模前在不同轴向载荷下，股骨头下沉位移值相近，统计学上无差异性；同时三组股骨标本的弹性模量及骨结构刚度均有相似的生物力学性能，统计学上无差异性。说明三组股骨标本具有可比性，可以进行组间对比实验。说明我们的设计方法是科学可行的。

三组股骨标本造模后载荷－位移力学测试比较分析:不植骨组其生物力学性能较正常组、植骨组发生显著改变。载荷为200N下，不植骨组的位移均值变化为0.192±0.087mm，正常组为0.122±0.017mm，植骨组为0.143±0.037mm，不植骨组与正常组相比为1：1.57，与植骨组相比为1：1.34；统计学处理得出，不植骨组与正常组存在着显著性差异（P＜0.05），但与植骨组不存在显著性差异，植骨组与正常组也无显著性差异（P＞0.05）。随着载荷量的增加，三组标本股骨头的下沉位移变化的差异性更为显著，载荷为1000N时，不植骨组位移为1.168±0.378mm，正常组为0.678±0.192mm，植骨组为0.777±0.181mm，统计学处理得出，不植骨组与正常组有显著性差异（P＜0.01），与植骨组也存在显著性差异（P＜0.01）。同时不植骨组的总体均值位移0.676mm比正常组总体位均值移0.397mm增加70.28％、比植骨组总体均值位移0.466mm增加45.06％，植骨组相对于正常组总体均值位移增加17.38％。总体显示不植骨组与正常组、植骨组存在明显差异（P＜0.05）,植骨组与正常组无明显差异（P＞0.05）。股骨头下沉位移越小，抗压强度及稳定性越好；位移越多，亦即应变越大，其形变大，稳定性差。说明不植骨状态股骨头颈部的承载能力较正常及植骨状态有所下降，钉道植骨有利于改善股骨头颈部承载能力。

㈡有限元模型测试结果有限元股骨模型载荷－应力关系表明：不植骨与植骨有限元模型在同一载荷（500N）加载下，范氏力分布存在着差异；图形中“红色”区域代表最大应力集中区，应力强度阶梯由高至低依次为红、橙黄、黄、黄绿、绿、兰绿、浅蓝、蓝、深蓝色。不植骨模型的最大应力集中在股骨头负重区，植骨模型的最大应力集中在股骨颈下方的内后侧处即股骨矩区，且植骨模型股骨头负重区应力最大值为0.482 E+8(0.482×10⁸)远远大于植骨模型应力最大值0.295 E+8(0.295×10⁸)，说明不植骨状态下股骨头负重区应力大量集中，股骨头塌陷的危险系数增大，极有可能会发生股骨头塌陷；植骨后应力集中区发生改变，降低了股骨头负重区的应力，这样股骨头塌陷的危险系数就相对的降低。植骨优于不植骨。（图6、7）

有限元股骨模型载荷－位移关系表明：图形中“红色”区域代表最大位移变化区，位移幅度由大至小依次为红、橙黄、黄、黄绿、绿、兰绿、浅蓝、蓝、深蓝色。两组模型股骨头区位移最大，不植骨模型的股骨头区位移值为0.391 E－0.3，明显大于植骨模型的股骨头区位移值为0.352 E－0.3。说明不植骨状态下股骨头力学性能有所下降，承重能力差；植骨后股骨头力学性能有所改善，承重能力增强；植骨优于不植骨。（图8、9）

通过实验研究笔者认为：股骨颈骨折空心加压螺钉内固定愈合后，取出空心加压螺钉以后钉道不植骨的股骨头颈部在抗压、承载能力、轴向刚度及局部应力－应变的生物力学性能均有所下降。钉道内植入复合BMP的骨材料是一种可行的方法，可以改善股骨头颈部的生物力学性能，且生物力学性能接近正常；考虑到临床上植入骨还能在受体骨内生长愈合，对股骨头颈部的力学性能改善会更为有效。植骨以后，股骨头颈部的力学性能基本恢复正常完整股骨的水平，特别是避免股骨头负重区过大的应力集中；术后股骨的力学性能的恢复，有利于预防股骨头坏死塌陷等晚期并发症的发生，减少患者痛苦。

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