内侧皮质缺损对肱骨近端骨折锁定钢板内固定轴向稳定性影响的生物力学研究

白露 张文涛 江长青 张洪雷 黄伟 张新涛 李伟

·论著·

内侧皮质缺损对肱骨近端骨折锁定钢板内固定轴向稳定性影响的生物力学研究

白露 张文涛 江长青 张洪雷 黄伟 张新涛 李伟

目的研究内侧皮质缺损对肱骨近端骨折锁定钢板内固定轴向稳定性的影响。方法12对成人防腐肱骨，采用标准的截骨法制作肱骨近端两部分（外科颈骨折）模型。随机分为对照组与内侧皮质缺损组（肱骨近端力线正常，内侧皮质缺损5mm）。对上述分组实验标本在预载荷：50N，载荷速率：5mm／min，最大位移5mm的实验条件下进行剪切与轴向压缩测试。结果在轴向加压时内侧皮质缺损1／2组的位移－载荷刚度为（218．7±64．3）N／mm；内侧皮质缺损1／4组为（727．8±66．9）N／mm；内侧皮质完整组为（804．7±80．5）N／mm。内侧皮质少量缺损不会导致骨折内固定的轴向稳定性显著下降（t＝－1．263，P＞0．05），但较大的内侧皮质缺损则会明显降低内固定的轴向稳定性（t＝－22．572，P＜0．05）。在骨折模型的肱剪切力对比中，内侧皮质缺损1／2组的位移－载荷刚度为（207．3±55．5）N／mm；内侧皮质缺损1／4组为（553．5±33．9）N／mm；内侧皮质完整组为（602．7±66．7）N／mm。内侧皮质少量缺损不会导致骨折内固定的轴向稳定性显著下降（t＝－5．41，P＞0．05），但较大的内侧皮质缺损则会明显降低内固定的轴向稳定性（t＝－19．171，P＜0．05）。结论

内侧皮质缺损大大降低了肱骨近端骨折内固定后的轴向稳定性。临床实践中应重视对内侧皮质缺损的重建及固定。

肱骨骨折，近端；内侧皮质缺损；生物力学；内固定

肱骨近端骨折在临床上多见于中老年人［1］，其发生率随着人口老龄化逐渐增加，手术治疗的比例也逐渐提高［2－3］。目前肱骨近端骨折的手术治疗多采用锁定钢板固定。锁定钢板作为“内固定支架”，对骨质疏松的肱骨头整体把持力强［4－6］，而且板钉间的空间架构使得锁定螺钉可以更好地在各个方向对肱骨头进行固定。这样的生物力学优势也使得锁定钢板在临床中得到了广泛的应用［7－8］。

随着临床观察的深入，一些大宗病例研究表明：肱骨近端骨折术后肱骨头复位的轴向丢失（内翻畸形）是锁定钢板治疗肱骨近端骨折的主要并发症之一，而常见的病理过程为肱骨头进行性内翻，且最终可能导致内固定失败和骨折延迟愈合甚至不愈合［9－10］。Gardner等［11］通过多中心的回顾性研究发现：肱骨近端内侧皮质粉碎是导致术后复位丢失和内固定失败的独立危险因素。但此临床发现的生物力学机制却尚未完全阐明。本研究拟研究内侧皮质缺损对肱骨近端骨折锁定钢板内固定稳定性影响。

材料与方法

一、骨标本的准备

取12对成人肱骨，男性6对，女性6对。标本死亡年龄49～73岁，平均63．4岁，经正侧位X线片排除陈旧骨折或骨病。每个标本肱骨头关节面均有不同程度的退变。切除肱骨周围肌肉和肩关节关节囊，－20℃冰柜保存，保存2～4个月。实验前8h取出在室温下自然解冻，解冻过程中喷洒生理盐水以免标本干燥。

二、模型建立

所有肱骨标本均自肱骨头起统一截取200mm。在X－Y工作台上，使用Stryker摆锯（锯片厚度1mm）自肱骨干骺端与肱骨头移行的外科颈处平行与肱骨头顶点切线位截骨，摆锯打透全部皮质。内侧皮质缺损模型的制备按照Sanders等［12］的方法：在骨折线以远端平行于骨折线截骨，内侧皮质缺损宽度为5mm。截骨保留肱骨近端外侧大结节部1／3周径皮质，以便钢板固定。

三、骨折内固定

所有骨折内固定均采用Synthesis PHILOS五孔锁定钢板系统（Synthesis Orberdorff Swiss）固定。按照AO组织推荐方法：将钢板放置于大结节上，距离结节间沟5～8mm，距离大结节顶部8～10mm。所有螺钉均采用3．5mm锁定螺钉固定。内固定使用Synthesis锁定加压钢板专用器械。包括PHILOS螺钉导向模块及导向器，2．8mm锁定螺钉钻头，专用测深尺等。所有骨折均采用统一固定方式：PHILOS钢板上A、B、C、D孔均打入适宜长度螺钉，骨干采用三枚锁定螺钉固定。

四、实验流程及力学测试条件

将6对肱骨标本随机分为对照组和内侧皮质缺损组，每组6个标本，对上述两组标本进行轴向压力的检测。剩余6对标本也随机分为对照组和内侧皮质缺损组，制作骨折模型后分别进行剪切力的测试。具体测试流程图见图1。

图1 实验流程图

五、生物力学测试

在标本的轴向压缩测试中，试验机压头（Load Cell）垂直于肱骨干轴线。剪切力检测中压力与肱骨干轴线成30°角。使用骨水泥将标本固定于夹具上，并使其垂直于试验机压头的轴向压缩方向。为保证压头的轴向压力可均匀作用于肱骨头上，在实验前使用骨水泥对在压头内塑型，以匹配肱骨头轮廓，以避免压头在加压过程中部分区域应力集中导致肱骨头表面破坏。实验系统见图2。

所有的生物力学实验均在REGER万能生物力学试验机上进行（REGER型号：RGM－40XX2100，载荷范围10kN，载荷精度±1%，机器制作标准：GB／T261，1深圳）。轴向压缩及剪切力力学条件：预载荷50N，载荷速率5mm／min，最大位移5mm。实验得到的生物力学曲线以位移－载荷曲线表示。每一个实验重复3次，获得平均值。每一例实验标本数据曲线的变化均在弹性变量的曲线范围以内，以免加载条件过大引起标本破坏。平均线性指数R平方＞0．99。且标本无肉眼可见的破坏。

六、数据统计与分析

采用PASW 18．0统计学软件包进行统计分析。计量资料采用±s）表示。三个不同实验组间比较采用单因素方差分析法（方差齐时采用LSD法，方差不齐时采用Tamhane法 ），组间比较采用独立样本t检验。以P＜0．05认为差异有统计学意义。

七、实验结果

在轴向加压时内侧皮质缺损1／2组的位移－载荷刚度为（218．7±64．3）N／mm；内侧皮质缺损1／4组为（727．8±66．9）N／mm；内侧皮质完整组为（804．7±80．5）N／mm。内侧皮质少量缺损不会导致骨折内固定的轴向稳定性显著下降（t＝－1．263，P＞0．05），但较大的内侧皮质缺损则会明显降低内固定的轴向稳定性（t＝－22．572，P＜0．05）。在骨折模型的肱剪切力对比中，内侧皮质缺损1／2组的位移－载荷刚度为（207．3±55．5）N／mm；内侧皮质缺损1／4组为（553．5±33．9）N／mm；内侧皮质完整组为（602．7±66．7）N／mm。内侧皮质少量缺损不会导致骨折内固定的轴向稳定性显著下降（t＝－5．41，P＞0．05），但较大的内侧皮质缺损则会明显降低内固定的轴向稳定性（t＝－19．171，P＜0．05）。数据图表见图3。

图2 RGM－40XX2100力学试验机标本固定实验大体图

讨 论

由于肱骨近端骨折多发于中老年人，故而早期治疗肱骨近端骨折的内固定系统（如经皮穿针固定，普通“三叶草”钢板）均受到内固定把持力不足的困扰。近年来随着锁定钢板在临床的广泛应用，其角度稳定的力学原理使得内固定对肱骨头的把持力增加，从而减少了克氏针退针，普通松质骨螺钉固定不牢 固等不足［7，13］。一些大规模的临床随访发现：锁定钢板治疗肱骨近端骨折后，肱骨头复位丢失，内翻畸形成为了新的发生率较高的并发症［10，14－15］。Südkamp等［16］在一项多中心临床回顾性研究中发现，锁定钢板治疗肱骨近端不稳定骨折，术后肱骨头内翻的发生率高达40%。Angudelo等［17］经多中心临床研究证实内侧皮质缺损是造成肱骨头内翻复位不良的主要原因。从临床随访资料分析，内侧皮质缺损导致锁定钢板固定治疗肱骨近端骨折后内翻畸形的发生主要可能在于：（1）内侧缺少有效的支撑，使得肱骨头内外侧支撑力不平衡；（2）内翻的出现造成肱骨近端力学上的不稳定，这也使得干骺端骨折在不稳定的力学环境下愈合过程增加，未愈合的骨折导致肱骨头内翻不稳定，导致复位丢失。基于上述临床观察，内翻型骨折的复位丢失和内侧皮质损伤也逐渐在临床上成为肱骨近端骨折治疗上关注的焦点。

图3，4 轴向压缩（图3）及剪切力（图4）刚度箱图（箱图中三条线分别表示组内最大值、中位数值及最小值）

从生物力学上分析，肩关节虽然为上肢非负重关节，但在静息状态下，由于肩袖和三角肌的张力在肱骨头周围形成相互平衡的力偶，这使得肱骨头承受了方向为指向关节盂方向的合力，而关节盂作用于肱骨头的反作用力使得肱骨头受到了致畸的内翻力量。在肩关节的在体生物力学研究中［18］，关节盂作用于肱骨头的相对压力在静息时大约为体重的30%，而进行中等量的体力活动时约为体重的130%。来自肱骨近端的轴向力和剪切力均可能是导致肱骨近端骨折术后复位丢失和肱骨头内翻畸形的主要因素。从肱骨近端的解剖学因素而论，肱骨近端在受力时内侧为压力侧，外侧为张力侧。在手术中，经胸大肌－三角肌入路对肱骨近端大结节（外侧）显露较好，由于钢板亦放置在外侧，故承受张力侧的外侧一般可得到较好的复位和稳定的固定。如骨折累及内侧皮质，多可见内侧皮质较大的蝶形骨块或粉碎。此时肱骨近端干骺端内侧皮质的缺损便成为了力学上的不稳定部位。

在本实验研究中，在轴向加压时内侧皮质缺损组（218．7±64．3）N／mm 的位移－载荷刚度远较内侧皮 质 完 整 （804．7±80．5）N／mm 时 低 （t＝13．924，P＜0．05）。而模拟肱骨头受力的剪切力方向亦如此（t＝11．163，P＜0．05）。由此可见内侧皮质在肱骨近端骨折轴向稳定性中的重要作用。在长管状骨皮质缺损的生物力学研究中［19］，当长管状骨的缺损为外径的30%时候，其轴向压缩力并无大幅度下降，只有当缺损超过30%时，其抗弯曲强度将下降，但降低的幅度跟缺损大小并不完全呈正比。而在肱骨近端，在钢板固定牢固的情况下，为何轴向抗应力的刚度下降如此之大？我们认为可能的原因：（1）肱骨近端内侧为压力侧，外侧为张力侧，在张力侧固定牢固而压力侧出现骨缺损导致的力学传导不连续时，由于力学上的不平衡，肱骨头会出现内翻，内翻后轴向应力的轴线向外侧倾斜，使得整个系统趋向力学稳定；（2）内侧皮质缺损导致了肱骨头在对抗来自关节盂的致畸力量时缺乏稳定的支撑，在这种状态下，如果骨折未愈合，肱骨头只有在内翻后与干骺端出现嵌插，才能达到稳定状态。无论何种机制，均说明内侧皮质在肱骨近端骨折稳定性中的重要作用。

本研究采用静态力学方法研究了内侧皮质缺损对锁定钢板治疗肱骨近端骨折轴向稳定性的影响。其主要目的在于模拟肱骨近端骨折后轴向致畸力量与内翻畸形的关系。但也存在如下不足：（1）如能采用动态疲劳力学实验，进一步模拟内侧皮质缺损后肱骨头内翻畸形的变化与演进的力学特点可能更具科学性和临床参考意义；（2）本研究未对内侧皮质缺损对于肱骨近端骨折内固定旋转稳定性进行探索。

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The biomechanical study of medial cortex defect on axial stability of proximal humeral fracture fixed with locking plate

BaiLu，ZhangWentao，JiangChangqing，ZhangHonglei，HuangWei，Zhang Xintao，LiWei．DepartmentofSportsMedicine，PekingUniversityShenzhenHospital，Key LaboratoryofOrthopedicEngineeringandBio－MaterialShenzhen，PekingUniversityShenzhen Hospital，Shenzhen518036，China

：ZhangWentao，Email：zhangwt2007＠gmail．com

BackgroundProximal humeral fracture is a common injury of shoulder girdle．Currently，locking plate was widely used in management of proximal humeral fractures．Known as“internal fixator”，locking plate can provide more purchase in osteoporosis humeral head，bearing more biomechanical advantages．However，some large series of clinical research showed varus deformity became one of the main complication of proximal humeral fractures treated with locking plate that caused by axial instability．Multi－center trail found that medial cortex defect of proximal metaphyseal of humerus was an independent risk factor of reduction loss and varus malunion．Furthermore，such pathophysiological biomechanic basis was still vague．Our research was planned to study the relationship between medial cortex defect and axial stability of locking plate fixed proximal humeral fracture，in order to find inner rule of how medial cortex defect affect locking plate fixation of proximal humeral fracture．MethodsEighteen adult humerus specimen（6pairs male），average death age 63．4 years（49－73）．All the specimen were excluded bone tumor and occult fracture．Fracture model were prepared at X－Y table．Specimen were cut to 200mm from proximal to shaft．Fracture line was cut at surgical neck perpendicular to humeral shaft．Five millimeter medial cortex defect were also created by T－Saw．All the specimen were fixed using Synthesis PHILOS （Proximal Humerus InternalOsteosythesis System）following AO fixation rules．Specimens were randomized into contrast group，medial cortex half defect group and medial cortex quarter defect group．Axial compression and shear test were done in RGM－40XX2100machine（Load scale 10kN，±1% ）．Mechanical Load：Preload：50N，Velocity：5mm／min，Maximum displacement：5mm．In axial compression and shear tests，the slope of the load de ection curve was used to compute baseline axial stiffness．Each test was repeated three times and average stiffness was calculated．Statistical analyses were performed with PAWS software（ver．18．0；IBM Inc．，USA）．The data were summarized as medians （ranges）．The Anova test with LSD correction was applied to detect differences between subgroups．The level of statistical significance was defined asP＜0．05．ResultsIn axial compression test，mechanical load stiffness of medial defect half group［（218．7±64．3）N／mm］was significantly weak than that of contrast group［（804．7±80．5）N／mm］and quarter defect group ［（727．8±66．9）N／mm，t＝－22．572，P＜0．05］．In shear force test，it was the same condition that medial cortex half defect group had less stiffness（207．3±55．5N／mm vs 602．7±66．7N／mm，t＝－19．171，P＜0．05）．However，little difference was found between quarter defect group and medial contact group in both axial stiffness（t＝－1．263，P＞0．05）and shear resistance（t＝ －5．41，P＞0．05）．ConclusionsMedial cortex defect may largely decrease stability of proximal humeral fracture fixed with locking plate in axial compression and shear resistance．In clinical practice，more attention should be payed in reconstruction of such structure．

Humeral fracture，proximal； Medial cortex defect；Biomechanics；Internal fixation

2014－04－20）

（本文编辑：李静）

10．3877／cma．j．issn．2095－5790．2014．02．002

518036 深圳，北京大学深圳医院运动医学科 北京大学深圳医院深圳骨科生物材料实验室

张文涛，Email：zhangwt2007＠gmail．com

白露，张文涛，江长青，等．内侧皮质缺损对肱骨近端骨折锁定钢板内固定轴向稳定性影响的生物力学研究［J／CD］．中华肩肘外科电子杂志，2014，2（2）：75－79．