1中山大学附属第六医院骨科，广东省广州市 510655；2中山大学附属第一医院骨科，广东省广州市 510080

王 军★，男，1981年生，山东省临沂市人，汉族，中山大学在读硕士，主要从事关节外科与创伤骨科研究。
Wangjunjunwang
88@126.com

通讯作者：潘 滔，博士，副主任医师，硕士生导师，中山大学附属第六医院骨科，广东省广州市 510655 ptao001@163.com

广东省科技计划项目(2003c1030104)*

中图分类号: R318
文献标识码: A
文章编号: 1673-8225
(2008)04-00623-04

收稿日期：2007-09-01
修回日期：2007-10-27
(07-50-9-4806/N·Q)

Biomechanical characteristics of axial controlled dynamic intramedullary nail

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＡＩＭ: Interlocking intramedullary nail is commonly used in the internal fixation of fractures of long tubular bones. Its static feature may induce the mechanical failure of materials, and result in complications. This article describes the design and explores the biomechanical properties of axial controlled dynamic intramedullary nail.
ＭＥＴＨＯＤＳ: Experiments were conducted in the Biomechanical Laboratory of Southern Medical University from October to December 2006. ①Self-made axial controlled dynamic intramedullary nail was composed of a lock nail and a intramedullary nail. Two axial controlled panels with 60° angle were added at the proximal end of the intramedullary nail. The obverse side of the axial controlled panels was ladder-shaped, with the oblique angle of 10°, 0.8 mm in thick, 8 mm in height. ②Eight pair specimens of adult tibias were made into A1 type fracture models according to OTA with a wire saw. Axial controlled dynamic intramedullary nail and Grosse & Kempf nail were implanted into the tibias in MTS858 machine. Torsional, bending and axial compressive tests were made on the specimens. The axial and bending loading was 700 N and 300 N, respectively, and the test velocity was 0.1 mm/s; the torsional moment was 4 Nm and the test velocity was 0.3 (°)/s.
ＲＥＳＵＬＴＳ: Axial controlled dynamic intramedullary nail produced a significantly lower strain than the Grosse & Kempf nail (P < 0.01). There was no significant difference in torsional stiffness, and bending stiffness of coronal and sagittal plane between the axial controlled dynamic intramedullary nail and the Grosse & Kempf nail (P > 0.05).
ＣＯＮＣＬＵＳＩＯＮ: The axial controlled dynamic intramedullary nail has the similar torsional and bending stiffness comparable with the Grosse & Kempf nail, and the biomechanical properties of axial controlled dynamic intramedullary nail in resistance to compression are significantly better than that of Grosse & Kempf nail. Axial controlled dynamic intramedullary nail is an effective and convenient implant to treat tibial fracture.

Wang J, Peng XS, Wang GD, Pan T.Biomechanical characteristics of the axial controlled dynamic intramedullary nail. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(4):623-626(China)
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-4/4k-623(ps).pdf]

摘要
目的：交锁髓内钉是目前国内外应用于长管状骨骨折内固定的主流，但其静力性固定特性将有可能导致材料的力学失败，引起相关并发症，基于此，设计了轴向控制动力性锁钉并进行生物力学测试。
方法：实验于2006-10/12在南方医科大学生物力学实验室完成。①自制轴向控制动力性锁钉的结构：由锁钉和髓内钉组成，髓内钉的近端增加了2个夹角为60°轴向控制板，轴向控制板正面为梯形，斜角为10°，厚0.8 mm，高度为8 mm。②轴向控制动力性锁钉与交锁钉生物力学比较：将8对新鲜尸胫骨标本用线锯在胫骨中段制成OTA分类A1型骨折模型，分别用胫骨轴向控制动力性锁钉与交锁钉固定，安装在MTS858实验机上，进行抗压缩、弯曲及扭转测试分析，施加的轴向负荷为700 N，测试速度0.1 mm/s；弯曲负荷为300 N，速度0.1 mm/s，扭矩4 Nm，速度0.3 （°）/s。
结果：轴向控制动力性锁钉压缩应变值明显小于交锁钉组，差异有非常显著性意义（P < 0.01），轴向控制动力性锁钉抗的扭转刚度、冠状面和矢状面弯曲刚度与交锁钉组比较差异无统计学意义（P > 0.05）。
结论：轴向控制动力性锁钉在抗弯曲和抗扭转方面能达到或接近交锁钉的强度，在抗压缩方面强于交锁钉。说明轴向控制动力性锁钉能起到动力性固定的作用，具有良好的生物力学性能，是治疗胫骨骨折的一种可供选择的新型髓内固定器械，能够满足临床需要。
关键词：胫骨；骨折；内固定；生物力学

王军，彭新生，王国栋，潘滔．轴向控制动力性锁钉的生物力学特性[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(4):623-626
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-4/4k-623(ps).pdf]

0 引言

交锁钉具有中轴性固定，能维持骨长度、控制旋转、创伤小和偏心性应力小，可行早期功能锻炼和负重的优点而广泛应用长管状骨骨干骨折的治疗，但其中不足及其并发症也越来越引起人们的重视[1-4]。目前常见的并发症有：延迟愈合和不愈合、断钉和成角畸形、感染，除了成角畸形、感染的原因主要与术者水平及患者伤情有关外，骨折延迟愈合和不愈合、断钉等公认的主要原因之一是静力性固定，静力性固定使锁钉应力集中易发生断钉，在骨折端产生应力遮挡导致骨折延迟愈合和不愈合[3-7]。为保持交锁钉的优点克服其不足，本课题组设计了轴向控制动力性锁钉，并进行了生物力学测试和分析。

1 材料和方法

设计：采用配对检验设计。
单位：中山大学附属第六医院。
材料：实验于2006-10/12在南方医科大学生物力学实验室完成。
胫骨轴向控制锁钉，上海浦卫医疗器械厂生产；胫骨交锁钉，上海浦卫医疗器械厂生产；双轴液压伺服生物材料测试实验机(The 858.02 mini bionix test system 简称MTS858实验机)为美国MTS公司产品；聚甲基丙烯酸甲脂（牙托粉）为上海齿科材料厂生产；新鲜尸胫骨标本由南方医科大学生物力学实验室提供；夹具由南方医科大学生物力学实验室提供。
设计、实施、评估者：髓内钉设计为通讯作者，实验设计、实施、评估者为通讯作者。
方法：
轴向控制动力性锁钉的设计及结构：本课题组设计了轴向控制动力性锁钉，有胫骨和股骨两种类型，由锁钉和髓内钉组成，胫骨在髓内钉的远端有两个间距20 mm、直径4.0 mm锁钉孔，以便安装锁钉；髓内钉的近端根据胫骨近端髓腔的解剖特点制成，分别增加了2个夹角为60°轴向控制板，轴向控制板正面为梯形，斜角为10°，厚0.8 mm，高度为8 mm (图1)。

轴向控制动力性锁钉与交锁钉生物力学比较
标本制备：新鲜尸胫骨标本8对，随机分胫骨轴向控制动力性锁钉与交锁钉两组，在胫骨中段用线锯锯开，制成OAT分类A1型骨折模型，分别用胫骨轴向控制动力性锁钉与交锁钉固定，牙托粉包埋。
测试方法：将实验标本安装在MTS858 双轴液压伺服生物材料试验系统（MTS, MTS System Inc., Minneapolis, MN, USA）上，安装
不同的组合夹具、引伸仪（model 632.12F-20; Epsilon Technologies, Jackson, WY），连接各种记录测量仪器（如linear variable differential transformer，LVDT），进行轴向压缩、弯曲、扭转实验。施加的轴向负荷为 700 N，测试速度0.1 mm/s；弯曲负荷为300 N，速度 0.1 mm/s，扭矩4 Nm，速度0.3(°)/s。所有的试件均记录加载与否的长度或者弯曲、扭转角度的变化。轴向压缩实验，以短缩移位超过10 mm，弯曲实验以弯曲超过20°，扭转实验以扭转超过70°为力学失败。
主要观察指标：承受轴向压缩负荷时的应变，抗扭转及抗弯曲（包括冠状面及失状面）刚度。
统计学分析：由第一作者在中山大学公共卫生学院统计学教研室指导下应用SPSS 13.0统计学软件进行统计学处理。数据结果以±s的形式给出，根据不同的资料选择配对t检验(paired-samples T-test)、配对符号秩检验(Wilcoxon paired test)分析或两独立样本的t检验(independent-samples T-test)；统计学有意义规定为P ≤ 0.05。

2 结果

轴向控制动力性锁钉与交锁钉生物力学比较结果见表1。

由表1可见，轴向控制动力性锁钉压缩应变值明显小于交锁钉组，差异有非常显著性意义（P < 0.01），说明其应力分布合理；轴向控制动力性锁钉抗扭转和抗弯曲刚度与交锁钉组的差异没有统计学意义（P > 0.05），说明轴向控制动力性锁钉已达到交锁钉的抗扭转和抗弯曲刚度。

3 讨论

交锁髓内钉固定允许患者早期下床活动、可以达到解剖复位、减少牵引时间，对髋膝的功能的影响可以降到最低程度、住院时间大大缩短，绝大部分长管状骨骨干骨折都是交锁髓内钉固定的适应证，具有静力性固定力学特点,可以有效地控制和预防骨折的分离和旋转移位，因此已成为治疗长管状骨骨干骨折的金标准[8]。尽管如此,交锁髓内钉固定力学失败和操作技术困难却时有报道，由此引发的并发症如螺钉或主钉断裂、再骨折也并不少见[9-10]，失败的原因可能是钉骨界面过度活动、由于静力性固定生理性负荷是通过髓内钉由近端传到远端，髓内钉在承受负荷时也同时阻止了骨折端的接触，由此产生局部的应力集中和应力遮挡。在骨痂形成之前就完全负重，负荷全部由锁钉来承担，导致应力集中和应力遮挡，尽管不会造成急性断钉但行走对锁钉的反复冲击，将引起锁钉的疲劳性断裂也是导致断钉的重要原因。
本文结果显示轴向控制动力性锁钉和交锁钉的抗扭转和抗弯曲刚度的差异没有统计学意义，说明轴向控制动力性锁钉已达到交锁钉的抗扭转和抗弯曲刚度。G&K髓内钉的抗扭转和抗弯曲刚度较高是静力性固定力学最大优点,是其得到广泛应用的生物力学基础,是其临床疗效根本保证,也是迄今为止所有动力性髓内钉无法达到生物力学门槛，是动力性髓内钉成为主流髓内钉的最大障碍。轴向控制动力性锁钉作用机制远端在皮质骨上形成钉骨交锁，近端其轴向控制板通过增大与平台下髓内致密松质骨的接触面增加轴向面阻力，形成完整的骨–内植物复合体及其整体性产生的生物力学相加效应。这是迄今为止所有动力性髓内钉所不具备的优势。需要强调的是轴向控制动力性锁钉达到交锁钉同样的抗扭转和抗弯曲刚度的同时具有动力性固定特点。
本实验结果表明，轴向控制动力性锁钉压缩应变值明显小于交锁钉组，统计学有非常显著性意义（P < 0.01），说明其应力分布合理，其作用机制在于轴向控制动力性锁钉近端未锁定，负重时形成骨折断端的直接接触，通过应力传导骨折断端吸收了大部分负荷，从而减少了远端锁钉的应力集中，消除了静力性固定在骨折断端形成的应力遮挡，髓内钉与锁钉间的剪力减小，使断钉的概率明显减少。因此不影响骨折端在重力作用下的轴向压缩活动，而骨折部位的微动和持续的轴向负荷对骨折愈合有明显的促进作用[11-14]。Wolf定律明确指出骨折端间的轴向压缩活动有利于骨愈合。
20世纪90年代初AO学者Gerber[15]、palmar等[16]相继提出了生物学固定（BO）新理念，强调了骨折内固定由机械力学向生物学方面转变。AO理念是以绝对解剖复位、坚强固定、早期功能训练为指导原则。由于追求解剖复位，手术中势必要对骨折端进行充分的暴露，对骨折端的血运造成了很大的损害，影响骨折的愈合。坚强固定强调对骨折块间加压，形成无骨痂生长的一期愈合（直接愈合），坚强的固定还可以产生应力遮挡效应，造成断钉、骨折不愈合等并发症[17-18]。而BO理念是对AO的修改和补充，强调的是尽可能的注意保护骨折端的血运、追求弹性固定、使用低弹性模量的内固定物，允许骨折弹性固定下的微动，在功能活动过程中诱导骨痂形成，是有外骨痂形成的二期愈合。轴向控制动力性髓内钉没有近端锁定，在安装过程中更省时、方便，所以更能减少对骨血运的破坏。在术后活动时骨折端可以产生持续的微动和加压，可以促进外骨痂的形成和应力遮挡的产生[19-20]。所以，轴向控制动力性髓内钉更符合生物学固定（BO）的理念。
综上所述，轴向控制动力性锁钉能起到动力性固定的作用，具有良好的生物力学性能，是治疗胫骨骨折的一种可供选择的新型髓内固定器械，应能够满足临床需要。

4 参考文献

1 Alfahd U, Roth SE, Stephen D, et al. Biomechanical comparison of intramedullary nail and blade plate fixation for tibiotalocalcaneal arthrodesis. J Orthop Trauma 2005；19(10):703-708
2 Verbruggen JP, Stapert JW. Failure of reamed nailing in humeral non-union: an analysis of 26 patients. Injury 2005；36(3):430-438
3 Hasenboehler E, Smith WR, Laudicina L, et al. Fatigue behavior of Ilizarov frame versus tibial interlocking nail in a comminuted tibial fracture model: a biomechanical study. J Orthop Surg 2006；1:16
4 Wu CC, Tai CL. A biomechanical comparison of unlocked or locked reamed intramedullary nails in the treatment of mid-third simple transverse femoral shaft fractures. Chang Gung Med J 2006；29(3): 275-282
5 Bhat AK, Rao SK, Bhaskaranand K. Mechanical failure in intramedullary interlocking nails. J Orthop Surg (Hong Kong) 2006;14(2):138-141
6 Sink EL, Hedequist D, Morgan SJ, et al. Results and technique of unstable pediatric femoral fractures treated with submuscular bridge plating.J Pediatr Orthop 2006;26(2):177-181
7 Blum J, Karagul G, Sternstein W, et al. Bending and torsional stiffness in cadaver humeri fixed with a self-locking expandable or interlocking nail system: a mechanical study. J Orthop Trauma 2005；19 (8):535-542
8 Blachut PA, O，Brien PJ, Meek RN,et al. interlocking intraedullary nail with and withoutreaming for the treatment of closed fractures of the tibial shaft A prospective, randomized study. J Bone Joint Surg (Am) 1997；79(5):640-646
9 Antekeier SB, Burden RL Jr, Voor MJ. Mechanical 1 study of the safe distance between distal femoral fracture site and distal locking screws in antegrade intramedullary nailing. J Orthop Trauma 2005；19 (10): 693-697
10 Lin J, Lin SJ, Chen PQ, et al. Stress analysis of the distal locking screws for femoral interlocking nailing. J Orthop Res 2001；19 (1):57-63
11 Long JC.Zhongguo Shiyong Yiyao 2007;2(21)：106-107
龙初建.影响骨折愈合多因素回顾[J].中国实用医药,2007,2(21)：106-107
12 Pan T,Wang GD.Guoji Gukexue Zazhi 2007;28(4)：261-263
潘滔，王国栋.影响骨折愈合的生物物理学因素及其意义[J].国际骨科学杂志，2007，28(4)：261-263
13 Yu XZ,Zeng BF.Guowai Yixue :Gukexue Fence 2004;25(3)：166-168
喻鑫罡，曾炳芳.微动应力与骨折间接愈合[J].国外医学：骨科学分册，2004，25(3)：166-168
14 Xia CS,Ye FG,Zou YX,et al.Zhonghua Wuli Yixue Yu Kangfu Zazhi 2004;25(6)：376-378
夏长所，叶发刚，邹云霞，等.物理和生物因素对骨折愈合的影响[J].中华物理医学与康复杂志，2004，25(6)：376-378
15 Gerber C,Mast JW , Ganz R. Biological internal fixation of fractures. Arch Orthop Trauma Surg. 1990;109(6):295-303
16 Palmer RH. Biological osteosynthesis. Vet Clin North Am Small Anim Pract 1999；29 (5) : 1171-1185
17 Shi ED,Li CP,Hou XH,et al.Jiaotong Yixue 2007;21(1)：30-31
石恩东，李传平，侯训海，等.从骨折的机械固定到生物学固定[J].交通医学，2007，21(1)：30-31
18 Kang QL,Zhang CC,Dao LY,et al.Zhonghua Jiaoxing Waike Zazhi 2003，11(3、4)：270-273
康庆林，张春才，戴力杨，等.生物学内固定（BO）概念、原理与方法[J].中华矫形外科杂志，2003，11(3、4)：270-273
19 Peng BL,Ao F,Wang JD,et al.Shiyong Guke Zazhi 2007，13(7)：436-438
彭炳龙，敖沸，王俊东，等.微创原则在胫骨闭合骨折钢板内固定中的应用[J].实用骨科杂志，2007，13(7)：436-438
20 Wang JQ,Wang MY.Zhonghua Waike Zazhi 2002;40(7)：543-546
王军强，王满宜.骨折的生物学固定[J].中华外科杂志，2002，40(7)：543-546