28-第一跖跗关节骨折脱位三种内固定对骨面应力传导变化的生物力

第一跖跗关节骨折脱位三种内固定对骨面应力传导变化的

生物力学研究

余 霄1，俞光荣2，庞清江1，伊力哈木·托合提3

[摘要]目的: 测量第一跖跗关节骨折脱位三种内固定对骨面应力传导变化，为选择内固定提供参考。方法: 取6具新鲜足标本，制成第一跖跗关节骨折脱位模型，依次进行3.5mm全螺纹皮质骨螺钉，1/4管型钢板及加压骑缝钉固定。经加载600N后，通过电阻应变片法测量第一跖骨基底及内侧楔骨的应变。另选取健康男性志愿者1名，经有限元建模软件建立第一跖跗关节骨折脱位模型，并依次模拟螺钉、钢板、骑缝钉固定，模拟600N加载，观察内固定上的应力分布。结果：第一跖跗关节骨折脱位分别进行螺钉，钢板及骑缝钉固定后，第一跖骨基底及内侧楔骨的应力都将减小；其中，钢板与螺钉固定后的应力较骑缝钉固定后的应力更小，差异有统计学意义（P＜0.05）。而有限元分析显示，螺钉固定应力最集中，并在中部表现出较高的应力；而钢板和骑缝钉应力则较为分散，最高应力也较螺钉小。结论：第一跖跗关节骨折脱位会引起中前足应力传导障碍。从应力传导角度看，钢板或螺钉固定比骑缝钉更能表现出较明显的应力遮挡效应，有利于骨折脱位的早期愈合，但螺钉由于应力较为集中，负重前要及时去除。

[关键词] 跖跗关节，骨折脱位，内固定，应力，生物力学

The Stress Conduction changes of the First Tarsometatarsal Joint Fracture-Dislocation Fixation by Three Different Internal Implants: A Biomechanical Study

[Abstract]: Objectives: To measure the changes of stress conduction on the first tarsometatarsal joint fracture-dislocation by three different implants to provide reference in selecting implants. Methods: Six fresh foot specimens were made into the models of the first tarsometatarsal joint fracture-dislocation, which were fixated with 3.5 mm cortical screw, 1/4 tubular plate and

compressive staple in turn. After 600N loading, the strain at the base of the first metatarsal and

the medial cuneiform was measured by the resistance strain gauge. In addition, one healthy male volunteer was recruited and the first tarsometatarsal joint fracture-dislocation model was established by the finite element software. The fixation of screw, plate and staple were simulated under the 600N loading to observe the stress distribution of implants. Results: After the fixation of the first tarsometatarsal joint fracture-dislocation by screw, plate and staple respectively, the stress was reduced at the base of the first metatarsal and the medial cuneiform, among which the

stress by plate and screw become smaller than by staple and the difference was statistically significant(P＜0.05).The finite element analysis demonstrated that the stress of screw fixation was the most centralized and showed higher stress in the middle part; on the contrary, the stress of plate and staple was decentralized and the highest stress was also smaller than that of screw. Conclusions: The first tarsometatarsal joint fracture-dislocation will cause the disorder of the stress conduction in the foot. From the view of the stress conduction, the plate and the screw fixation shows more obvious stress shielding effect than the staple, which is beneficial to the early healing, however, since the stress of screw is comparatively centralized, it should be removed in time before weight-bearing.

Key words: tarsometatarsal joint, fracture-dislocation, implant, stress, biomechanics

第一跖跗关节是足内侧柱的重要组成部分，其完整性对足弓的维持具有重要的意义。人体在站立时，第一跖列可承受约60%的体重，而运动时最高能承受约8倍体重的负荷，说明第一跖跗关节在解剖结构上具有相当的稳定性1。根据足部三柱理论，第一跖跗关节损伤后应选择坚强固定，而一旦内固定选择不当，则引起足部局部的生物力学环境改变，出现内固定断裂、复位丢失、畸形愈合等并发症2,3。

虽然目前有螺钉、钢板、骑缝钉、克氏针等多种材料适合固定跖跗关节，但关于这些材料的生物力学比较却并不多见，研究的模型多为单纯韧带损伤的模型，研究指标也仅限于关节面的位移，极限载荷等

4,5

。事实上，高能量的跖跗关节损伤，临床上并不少见，常表

现为多个跖跗关节骨折脱位，治疗时强调恢复中足的力线，确保中前足应力传导的顺利进行。但在目前的治疗过程中，大多数医生只重视骨折端和关节面的平整，很少会注意到应力传导异常也是手术失败的重要原因。

鉴于此，本实验选取了第一跖跗关节骨折脱位的模型，对螺钉，钢板，骑缝钉固定下的骨面的应力传导变化和内固定上的应力分布进行研究，为第一跖跗关节损伤内固定的选择提供实验依据。

国家自然科学基金面上资助项目 项目编号：81372011

作者简介：余霄，男，1982年出生，浙江宁波人，博士，主治医师，研究方向足踝外科。 作者单位：1. 宁波市第二医院骨科；2. 上海同济大学附属同济医院骨科；3. 新疆医科大学第二附属医院骨科

通讯作者：俞光荣，教授，主任医师，博士生导师。Email：yuguangrong@hotmail.com 电话：13901682246

一、 材料与方法

1、研究对象

选取新鲜足标本6具（同济大学医学院提供），所有标本均无足趾缺损，无肌肉、韧带和肌腱的损伤及挛缩等病态，经X线检查，排除骨折、肿瘤、结构性畸形及骨质异常等骨骼疾病。另选取健康成年男性志愿者1名，无下肢疾病史，足部行X线检查，无阳性发现。

2、 实验设备及器材

2T扭拉负荷试验机（长春机械科学研究院有限公司）；静态应变测试仪（江苏东华测试技术公司）；微型箔式电阻应变片（中航电测仪器公司）；LightSpeed16排螺旋CT（GE公司，美国）；惠普Z800高级计算工作站；有限元建模软件Mimics 12.0（Materialise公司，比利时）；Solidworks 2010软件（Dassault Systemes SA公司，美国）；有限元分析软件Ansys l3.0（ANSYS公司，美国）。

3、 内固定材料

6孔1/4管型钢板（康辉医疗器械公司）、?3.5mm全螺纹皮质骨螺钉（Synthes公司，瑞士），CHARLOTTETM加压骑缝钉（Wright公司，美国）。

4、 实验方法

4.1 标本生物力学 4.1.1 标本准备

实验前自然解冻标本，切除小腿，踝周及足背处的皮肤、皮下组织及肌肉，暴露内侧楔骨、中间楔骨、第一、二跖骨及连接内侧楔骨与第一跖骨基底的背侧韧带。选取内侧楔骨和第一跖骨基底部的背侧骨面平坦处作为电阻应变片的粘贴部位，粘贴方向与骨骼纵轴平行（图1）。电阻应变片通过导线焊接后连接到静态应变测试仪上。完成操作后，将踝关节置于跖屈30°位固定，然后将标本倒置于标本固定盒内，用牙托粉包埋后，将标本固定盒置于扭拉负荷试验机的底座上固定。调节试验机顶端压板的位置，保证加载时压板仅与前足接触（图2）。

图1 电阻应变片的粘贴和焊接 图2标本置于踝关节跖屈30°位固定下加载 4.1.2 工况设置和数据采集

对标本测试分5个工况：工况1：骨－韧带结构完整状态；工况2：第一跖跗关节骨折脱位；工况3：用一枚?3.5mm全螺纹皮质骨螺钉固定第一跖跗关节；工况4：用一块6孔1/4管型钢板固定；工况5：用一枚加压骑缝钉固定（图3）。其中，第一跖跗关节骨折脱位模型参照Alberta的方法4，先切断连接内侧楔骨与第一跖骨基底部的背侧韧带和跖侧韧带，造成脱位模型；然后再沿第一跖骨基底部关节面截骨，造成第一跖跗关节的关节内骨折模型，每具标本截骨的方向均保持一致。

每个工况都保持从0N～600N匀速加载。每一工况加载前先对电阻应变测试仪进行调零，并设定正值为拉应力，负值为压应力。数据采集时设定连续采集三次取平均值，记录300N和600N载荷时的应变值。当一个工况完成加载及数据采集后，即对标本进行下一工况的处理，直至工况全部完成，再开始下一个标本的测试。

图3建立第一跖跗关节骨折脱位模型，并分别用螺钉，钢板，骑缝钉固定 4.2 有限元分析 4.2.1 建立有限元模型

对志愿者行足踝部的CT扫描，将获得Dicom标准的图像导入Mimics12.0软件进行足部各个骨性结构和足外表面的三维几何重建，得到包括23块骨骼以及周围软组织在内的有限元

模型，韧带和跖腱膜由其在骨骼上的附着点连线定义。骨骼材料参数定义为弹性模量7300MPa，泊松比0.3。韧带材料参数定义为弹性模量4000MPa，泊松比0.3。软组织定义为超弹性材料6。在Solidworks 2010软件中将模型第一跖跗关节的跖侧和背侧韧带切断并切割第一跖骨基底部，造成第一跖跗关节骨折脱位。 4.2.2内固定的置入

内固定通过Solidworks 2010软件建模，然后将内固定模型和足模型进行三维配准，通过设置“Embeded”，即完成内固定的置入（图4），骑缝钉的倒钩和螺钉上的螺纹通过设置内固定与骨面的接触关系来实现。钛合金材料的物理属性按弹性模量110GPa，泊松比0.33设置。不锈钢材料按弹性模量200GPa，泊松比0.3设置6。

图4 第一跖跗关节分别进行螺钉，钢板，骑缝钉固定后的三维有限元模型 4.2.2有限元模型的加载

将踝关节置于跖屈30°固定，对足底的后足部分进行全约束，即施加纵向载荷时，除距骨、跟骨的位置固定外，其余足部结构均具有三维活动度，模型可实现生理状态下的内收外展和前后滑移等。假定单足胫骨和外围肌肉上缘承受600N的重力。通过有限元软件分析软件Ansys l3.0计算内固定上的应力分布情况（工况同前）。

5、统计学处理

以均数±标准差（x±s）表示各工况下第一跖骨基底与内侧楔骨的表面应变，用SPSS13.0统计软件进行数据分析，采用单因素方差分析比较各工况对第一跖骨基底和内侧楔骨应变的影响，检验水准为α=0.05。若组间有统计学差异，再进行两两比较。

二、 结果

1.1 生物力学测试结果

不同工况加载至300N及600N后的第一跖骨基底部与内侧楔骨在测试位点的应变如表1所示，经方差分析，同等载荷下，无论完整状态、破坏状态和内固定状态下的第一骨基底和内侧楔骨测试点的应变各组间均存在差异（P＜0.05），用SNK-q检验法行两两比较。

表1 不同工况加载负荷后各测试点的应变（x±s, ??）

第一跖骨基底 内侧楔骨

300N 600N 300N 600N

工况1 -74.20±10.45 -138.64±11.59 -65.28±9.15 -115.47±10.41 工况2 -101.85±12.67 -181.57±16.85 -54.45±10.29 -97.57±11.47 工况3 -43.14±8.65 -70.26±9.79 -32.99±7.83 -56.37±10.82 工况4 -31.84±8.56 -55.14±10.21 -27.73±7.81 -45.38±9.20 工况5 -66.65±11.21 -109.40±14.01 -47.62±7.40 -78.40±10.23 F 50.43 96.91 19.40 45.13 P <0.05 <0.05 <0.05 <0.05

将破坏状态和完整状态进行比较（工况2与工况1相比），同等载荷下，第一跖骨基底测试位点的应变都有所增大，内侧楔骨测试位点的应变都有所减小，且差异均具有统计学意义（P＜0.05）。

将各内固定组进行比较，工况4与工况3相比，同等载荷下，第一跖骨基底与内侧楔骨测试位点的应变都有所增大，其中第一跖骨基底在300N载荷下无统计学意义（P＞0.05），在600N载荷下有统计学意义（P＜0.05）；而内侧楔骨300N和600N的载荷下均无统计学意义（P＞0.05）。工况5与工况3及工况4相比，同等载荷下，第一跖骨基底与内侧楔骨测试位点的应变也都有所增大，且在300N和600N载荷下均有统计学意义（P＜0.05）。 1.2 有限元分析结果

对模型加载600N的载荷后，不同内固定上的应力分布云图及各区域的最大应力值如图5所示：螺钉上的应力相对较为集中，最高应力出现在螺钉中部，为2.180×102N；钢板的应力相对分散，最高应力也较螺钉小，为1.207×102N，从应力云图可见除钢板本身外，钢板上的螺钉也分散了部分应力。骑缝钉应力分布也较为分散，最大应力出现在钉脚与骨面接触的区域，为1.817 ×102N。

图5 不同内固定表面的应力云图

三、讨论

1. 第一跖跗关节骨折脱位模型的建立

第一跖跗关节脱位按横断面上的方向可分为向背侧脱位和向跖侧脱位，与损伤方式、暴力大小、作用位点、韧带强度等因素有关。而临床上，背侧脱位较跖侧脱位常见。本实验中，我们切断了第一跖跗关节的背侧韧带和跖侧韧带，并在第一跖骨基底部关节内截骨，然后将标本倒置在力学加载机上通过前足足底加载一定的负荷，可观察到第一跖骨基底相对于内侧楔骨向背侧移位，且位移随载荷增大而增加，以此判断成功建立第一跖跗关节骨折脱位模型。在正常的步态周期中，足跟着地开始至站立末期跖跗关节受力逐渐增加，至摆动前期所承受的负荷处于最大，此时踝关节处于跖屈约15°的体位，但步态较大时，跖屈幅度会增大，而对处于极度跖屈状态的踝关节施加轴向负荷容易引起跖跗关节损伤，因此本实验中将踝关节置于跖屈30°的体位下进行轴向加载7,8。本实验将最高载荷设定为600N（正常成人的体重），事实上，在步态周期中跖跗关节所受的负荷远不止600N，但当载荷超过600N后，踝关节跖屈30°固定容易失败。

2. 第一跖跗关节骨折脱位对骨面的应力传导的影响

完整的跖跗关节是保证足部负荷传导的前提。在一个步态周期中，负荷应力在跖跗关节间的传导通常是矢状面、冠状面、水平面上几组应力相互作用的结果9，研究时通常仅对某一平面上的应力进行分析。本实验中，我们观察了跖屈30°时跖跗关节正常和骨折脱位

状态下沿骨结构长轴方向上的应力变化，结果显示：两种状态在相同的载荷下，内侧楔骨的应变均小于第一跖骨基底的应变；发生骨折脱位后，第一跖骨基底的应变将增大，而内侧楔骨的应变将减小。其中第一跖骨基底应变增大的原因可能是：当负荷通过跖骨头向跖骨基底传递时，由于跖骨基底处于骨折脱位状态，摆脱了将其和内侧楔骨作为一个整体的限制，因此在相同的载荷下表现出更大的形变；而内侧楔骨应变减小主要与跖跗关节面骨折脱位使负荷的传导受到限制有关。若该传导限制不及时纠正，可能会导致邻近跖骨头的应力和压力集中，继而引起足弓塌陷，转移性跖痛，邻近跖骨疲劳骨折等疾病10。 3. 不同内固定对第一跖跗关节骨面应力传导的影响

在骨折愈合过程中始终遵循着Wolff定律，即新骨形成取决于对承受应力的反应。然而，保证骨折愈合的坚强内固定与随之产生的应力遮挡效应却是一对矛盾体。一方面，坚强固定有利于维持骨折端的对位对线，保证骨折在愈合过程中应力的顺利传导；但另一方面，坚强的内固定若引起了过度的应力遮挡，会使骨折端缺少适度的应力，则可导致骨折的延迟愈合或不愈合。因此，本实验即要研究螺钉、钢板、骑缝钉三者坚强固定与应力遮挡效应的关系。

螺钉固定第一跖跗关节骨折脱位具有切口小，剥离骨膜有限，操作简单等优点，但对关节面的粉碎性骨折，却较难实现固定。此外，经关节固定也会对关节软骨面产生较大的损伤，每置入一枚直径3.5mm的螺钉将损伤2.0％-4.8％的关节面11。因此，临床上对第一跖跗关节损伤一般仅用一枚3.5mm的皮质骨螺钉固定。本研究结果显示：螺钉固定后骨面应力的传导会产生较大的影响，表现出应力遮挡效应，而在高载荷下，应力遮挡效应将更明显。有限元分析也显示，螺钉固定后，应力在螺钉表面的分布较为集中，最大应力出现在螺钉中部，并且比钢板和骑缝钉大。本实验在标本上完成螺钉固定的工况后，将螺钉取出后发现个别螺钉出现了弯曲的现象，提示与负重状态下螺钉上的应力过于集中有关。因此，第一跖跗关节骨折脱位行螺钉内固定后，要求患足禁止负重或在穿行走靴的前提下负重，否则应力过度集中于螺钉上，可产生与骨骼不协调变形，甚至断裂。而对愈合的患者在完全负重之前也应及时将螺钉取出。

钢板在跖跗关节的固定和融合中也都有着较广泛的应用12。支持钢板的学者认为钢板为跨关节固定，不会对关节面造成损伤，尤其适用于对关节面粉碎无法进行螺钉固定的患者。而患者若同时合并跖骨干、舟楔关节等部位的损伤，也可以选择长钢板跨两个关节固定13,14。然而钢板固定所需切口较大，固定后也容易和皮肤及皮下组织摩擦，影响伤口愈合，因此对软组织严重损伤的患者，使用钢板时需谨慎。本研究对模型采用1/4管型钢板固定，结果显示：钢板固定后，第一跖骨基底和内侧楔骨测试点骨面的瞬时总形变量最小，说明钢板固定

在该点的瞬时稳定性最好。但该应变与螺钉相比，仅在600N时第一跖骨基底部有显著性差异，这说明钢板的应力遮挡效应与螺钉表现相似，可能仅在高载荷下表现出更强的应力遮挡效应。本实验所选用的1/4管型钢板为不锈钢材料，具有较高的弹性模量，能使大部分应力通过钢板进行传导，而且钢板的设计与骨面服贴程度较好，增加了接触面积，有利于骨愈合早期维持关节面的对位对线15。有限元分析也显示，钢板较大的表面积及钢板上的螺钉能有效分散钢板所承担的应力，避免了应力过度集中，因而在负重时发生断裂的几率较小。近年来出现的锁定钢板在设计理念上与普通的钢板有很大的差异，锁定钢板并不与骨面紧密接触，而且作用在钢板上的应力能被每一枚螺钉分散，因此也不容易出现钉板断裂。但本研究所建模型为简单骨折模型，采用锁定钢板并不是最佳选择，因此未对锁定钢板固定下的应力传导进行研究。

骑缝钉在足部的截骨术和关节融合术中应用较多16。骑缝钉也属于跨关节固定，具有形体较小，对软组织的剥离程度较小等优势。但在第一跖跗关节骨折脱位的模型中，结果显示：骑缝钉加压后虽然也会对关节面的应力传导产生影响，但与钢板和螺钉相比，骑缝钉固定下第一跖骨基底与内侧楔骨测试位点的应变最高，应力遮挡效应不如钢板和螺钉明显，有限元分析也显示仅在钉脚与骨面接触的区域表现出一定的应力遮挡。虽然最大限度地保留了第一跖骨与内侧楔骨正常的生物力学环境，但从细胞生物力学角度看，并不利于骨折脱位的早期愈合，尤其是在关节面损伤的情况下若仍然采用骑缝钉固定，就意味着应力尚需要通过关节面进行传导，加剧关节软骨的损伤。因此，在第一跖跗关节骨折脱位时应慎用。 参考文献

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