新开明双向锁定骨外固定器的生物力学实验研究

摘要

随着现代交通运输事业与建筑业的日益发展,高能量损伤导致全身骨折呈逐年上升趋势。由于胫骨浅居皮下,缺乏肌肉保护,故骨折极易造成严重软组织损伤。采用保守治疗,疗程长,要长期卧床,护理不便,且并发症多。因此,目前对可耐受手术的患者多主张手术治疗。采用内固定器械治疗感染风险高,且易引起延迟愈合或不愈合,临床上处理非常棘手。采用外固定器械复位及固定就可降低感染的风险,现在已经成为一种非常成熟的技术,并取得良好的治疗效果。目前各型的外固定器在临床均有应用,但由于有些外固定器价格昂贵,操作复杂,且体积庞大,限制其在经济欠发达地区应用。而单边式外固定器械构型简单,操作简便,穿针少,灵活性好,空间范围小,在四肢长骨骨干开放性骨折的治疗中应用广泛,效果良好。
　　 目的：
　　 从机械学和生物力学角度出发,在吸纳国内外先进单边式外固定器优点的基础上,结合机械制造的工艺,设计一种新型双向锁定骨外固定器,并对新型双向锁定骨外固定器进行生物力学实验研究,完善新型双向锁定骨外固定器的生物力学指标,以评价新型双向锁定骨外固定器的稳定性、灵活性和实用性；为新型双向锁定骨外固定器在临床应用提供实验依据和理论基础。
　　 材料和方法：
　　 1材料
　　 1.1标本6根成人尸体胫骨标本,剔除软组织和骨膜(畸形和骨折等异常),用牙托粉(聚甲基丙烯酸甲酯,自凝型,上海齿科材料厂生产)浇铸6具胫骨两端呈方块形,方块平行且与胫骨纵轴垂直,便于实验加载。
　　 1.2实验器材新型双向锁定骨外固定器,De Bastiani式多功能外固定器,BOSE3510-AT生物力学实验机,脊柱三维运动实验机,激光三维扫描仪,摆锯,骨钉套锥,扭矩扳手,器械扳手,直径为4.5mm的钻头,直尺。
　　 2方法
　　 2.1实验分组将6根胫骨按AO/ASIF骨折分类标准制作4.2.A3骨折模型(骨断端间距为g,骨-外固定器杆间距为b-r)；骨断端间距为10mm,根据不同的骨-外固定器杆间距分成4组。A组:g=10mm,b-r=10mm；B组:g=10mm,b-r=25mm；C组:g=10mm,b-r=40mm； D组:g=10mm,b-r=55mm。对照组:采用De Bastiani式多功能外固定器固定A～D组标本。实验组:采用新型双向锁定骨外固定器固定A～D组标本。
　　 2.2实验方法采用BOSE3510-AT生物力学实验机(美国产)对每具标本进行轴向压缩实验和内外弯曲实验；利用脊柱三维运动实验机进行扭转实验,同时采用激光三维扫描仪采集骨断端的三维运动信息。每个状态测试完成后用10Nm扭矩扳手检查全部锁紧螺丝。
　　 ①轴向压缩实验对A～D组标本以0.06mm/s的速度轴向加载至骨断端位移为3.5mm；根据BOSE3510-AT材料实验机测得载荷、位移的数据,采用曲线拟合的方法计算胫骨-外固定器系统的轴向压缩刚度。
　　 ②内外弯曲实验标本两端的支撑点间距(b)为225mm,中间两施压点间距(a)为25mm,以0.06mm/s的速度施加载荷(P)直至施压点位移为3.5mm；根据BOSE3510-AT材料实验机测得载荷、位移的数据,应用弯矩公式:M=b－a/2×P,将载荷(P)转换为力矩负荷(M),采用曲线拟合的方法计算胫骨-外固定器系统的内外弯曲刚度。
　　 ③扭转实验扭矩为6Nm时,采用激光三维扫描仪采集骨断端的三维运动信息,计算骨断端扭转的角度,再计算胫骨-外固定器系统的扭转刚度。
　　 2.3统计方法
　　 轴向压缩实验、内外弯曲实验和扭转实验的数据均以(x)±s表示,此定量资料采用SPSS13.0软件进行统计学分析。将实验组与对照组的数据采用配对样本t检验。按α=O.05检验水准,P<0.05时为差异具有显著性意义。
　　 结果
　　 1轴向压缩实验
　　 实验组:当骨断端间距(g)为10mm:骨-外固定器杆间距(b-r)为10mm时,外固定系统的轴向压缩刚度为357.014±13.587N/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为25mm时,外固定系统的轴向压缩刚度为237.534±20.950N/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为40mm时,外固定系统的轴向压缩刚度为133.302±24.964N/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为55mm时,外固定系统的轴向压缩刚度为92.850±15.732N/mm。对照组:骨-外固定器杆间距(b-r)为10mm时,骨-外固定系统的轴向压缩刚度为308.154±33.986N/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为25mm时,骨-外固定系统的轴向压缩刚度为172.523±21.927N/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为40mm时,骨-外固定系统的轴向压缩刚度为110.471±7.408N/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为55mm时,骨-外固定系统的轴向压缩刚度为65.605±8.828N/mm。配对样本t检验的P值均小于0.05。
　　 2内外弯曲实验
　　 实验组:骨断端间距(g)为10mm:骨-外固定器杆间距(b-r)为10mm时,骨-外固定系统的内外弯曲刚度为6.811±1.206Nm/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为25mm时,骨-外固定系统的内外弯曲刚度为4.611±0.374Nm/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为40mm时,骨-外固定系统的内外弯曲刚度为3.463±0.320Nm/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为55mm时,骨-外固定系统的内外弯曲刚度为2.530±0.226Nm/mm。对照组:骨断端间距(g)为10mm:骨-外固定器杆间距(b—r)为10mm时,骨-外固定系统的内外弯曲刚度为6.2654±0.391Nm/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为25mm时,骨-外固定系统的内外弯曲刚度为3.862±0.290Nm/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为40mm时,骨-外固定系统的内外弯曲刚度为2.967±0.134Nm/mm；骨-外固定器杆间距(b-r)为55mm时,骨-外固定系统的内外弯曲刚度为2.391±0.474Nm/mm。骨-外固定器杆间距(b—r)为25mm和40mm时,配对样本t检验的P值均小于0.05。
　　 3扭转实验
　　 实验组:当骨断端间距(g)为10mm,扭矩为6Nm时:骨-外固定器杆间距(b—r)为10mm,骨-外固定系统的扭转刚度分别为1.782±0.086Nm/deg；骨-外固定器杆间距(b-r)为25mm,骨-外固定系统的扭转刚度分别为1.758±0.076 Nm/deg；骨-外固定器杆间距(b-r)为40mm,骨-外固定系统的扭转刚度分别为1.726±0.044Nm/deg；骨-外固定器杆间距(b-r)为55mm,骨-外固定系统的扭转刚度分别为1.663±0.092Nm/deg。对照组:当骨断端间距(g)为10mm,扭矩为6Nm时:骨-外固定器杆间距(b-r)为10mm,骨-外固定系统的扭转刚度分别为1.675±0.073Nm/deg；骨-外固定器杆间距(b-r)为25mm,骨-外固定系统的扭转刚度分别为1.628±0.085Nm/deg；骨-外固定器杆间距(b-r)为40mm,骨-外固定系统的扭转刚度分别为1.564±0.124Nm/deg；骨-外固定器杆间距(b-r)为55mm,骨-外固定系统的扭转刚度分别为1.516±0.160Nm/deg。配对样本t检验的P值均小于0.05。
　　 结论
　　 1.实验证明设计的新型双向锁定骨外固定器在抗轴向压缩、抗扭转刚度和抗内外弯曲的刚度要优于De Bastiani式多功能外固定器,因此,新型双向锁定骨外固定器具有良好的稳定性。
　　 2.新型双向锁定骨外固定器灵活性、实用性和可操作性好,降低手术操作的难度,容易对骨折标本进行良好的复位。
　　 3.临床应用新型双向锁定骨外固定器时,建议尽量控制骨-外固定器杆间距在40mm以内,以便获得较好的稳定性。