股骨干骨折的生物力学研究进展

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1、股骨干骨折的生物力学研究进展作者：张华，赵鹏，安耀荣，吴建民【关键词】骨折股骨干是人体中最长的管状骨，由厚而坚强的圆柱形密致骨构成。股骨干骨折是临床的常见病和多发病，其正确治疗需要了解股骨干的解剖、生物力学及创作机制，并根据骨折类型选择合适的固定方法。无论术前内固定物的选择、术中固定的实施及术后康复都需要根据生物力学确定，故有必要对股骨干骨折的生物力学研究进行了解。1股骨干的解剖及生物力学特性骨生物力学的研究大体上可从结构力学特性和材料力学特性两方面考察。结构力学特性是指整个骨结构的力学性能，受骨

2、的几何特性，即形状、尺寸等影响；材料力学性能反映骨的自身强度和韧性，与骨的微细结构、骨骼中矿物质含量和骨密度有关。1.1股骨干结构力学特性股骨干的形状并不规则，有一个微凸向前方的生理弧度［1］，上段呈圆柱形，向下逐渐延伸为三棱柱形。同时，股骨干与地面亦非垂直，骨干的解剖轴与两髁远端关节面的连线(膝关节平面)成100°的股内角［1］。从生物力学方面观察，人体正常股骨的解剖轴与力学轴并非在同一轴线上，两者间有6°～9°夹角。人站立负重时，重力线偏心作用使股骨产生弯距而发生弯曲。弯曲的凸侧在股骨的前外侧

3、，接受张应力和产生张应变，从而使股骨外形保持不变。股骨干下1/3段，即股骨踝上5～7cm的部位为股骨干与股骨髁的移行部，此处股骨的横截面由圆形逐渐增大变成扁圆形，骨髓腔也产生相应的变化，股骨嵴的两唇在此平面的后侧彼此分离形成一尖端向上的三角形平面(面)，此处骨表面凹凸不平。根据工程力学原理［2］，在构件断面突然改变的附近区域或构件表面粗糙不平、光洁度不好的部分，会引起应力集中，成为力学上的薄弱点，应力损伤往往由此开始。王平等［3］收治的23例股骨干应力骨折均发生在股骨干中下1/3交界处，考虑与此

4、处易引起应力集中有关。汪金平等［4］采用有限元法对股骨的生物力学特性进行了研究，结果是在各种载荷下，股骨干内侧中下1/3交界处的应力最大，故股骨干应力骨折好发于中下1/3交界处，与此处应力集中有关。刘安庆等［5］也通过实验分析认为，在不同的载荷下股骨干上的应力分布范围主要集中在中下1/3处，并由此得出，载荷的传导主要通过压力骨小梁和股骨距，由股骨颈区传至股骨干的中下1/3处，此处是股骨在负重情况下的应力集中处。1.2股骨干材料力学特性股骨干是一种具有新陈代谢功能的有生命的材料。它主要由密质骨构成，

5、是胶原纤维增强的层合复合材料，除血管和骨细胞外，空隙极少，含有大量的哈佛式系统，呈现非线性粘弹性性能。它的生长符合的张应力，后内侧曲线承受约83kg/cm的压应力；有髂胫束存在时，股骨前外侧的张应力可下降为8kg/cm，后内侧压应力也可减少为48kg/cm，这样就保证了载荷下股骨的安全。3股骨干骨折内固定的生物力学特性对于股骨干骨折，20世纪70年代以前多数学者主张保守治疗，但畸形愈合、膝关节强直和创伤性关节炎等并发症很高，之后人们为降低这些并发症，设计了各种内固定物。目前股骨干骨折的手术内固定器

6、材主要有钢板和髓内钉，这些内固定物的稳定性及优缺点都有待于生物力学的研究和了解。股骨干骨折使用带锁髓内钉固定已成为一种首选的方法［11］。滑利等［12］采用电测技术在不同载荷下对髓内钉固定股骨干骨折的应力、应变的影响作了探讨，结果证实，股骨骨折后骨折端的稳定性依赖于可靠的内固定，在骨折断端接触紧密承载(588N)时，应力传导由骨与髓钉共同承担，其中62％载荷应力由髓钉承担，38％由骨承担。骨折未愈合前髓钉适宜载荷不应超过196N，过载势必金属弱化，出现过载应变疲劳包申格(Bauschinger)效

7、应，以致引起髓钉弯曲断裂，影响骨愈合。孙先润等［13］分析带锁髓内钉、钢板、普通髓内钉和矩形钉加钢丝等材料对股骨干骨折的治疗效果，认为带锁髓内钉固定股骨干具有良好的生物特性。a)它为中轴固定，不存在应力遮挡，符合生物学固定原理；b)多数患者可闭合穿钉，避免了由于剥离骨膜而造成的血供破坏；c)术中扩髓时对骨的强度影响小且不影响骨折愈合速度［14］，扩髓后加大了钉骨的接触面，并通过增加摩擦力提高骨折固定的稳定性；d)扩髓时产生的大量骨屑是良好的植骨材料；e)扩髓是一种新的组织损伤，产生的生物刺激效应能

8、释放成骨活性物质，刺激骨痂成长。以上这些均有利于骨折的愈合，是钢板、矩形钉所无法比拟的。郑琦等［15］从强度和刚度两方面对四种内固定物固定股骨髁上骨折的生物力学性能进行了测试比较，认为股骨髁上逆行交锁髓内钉比动力加压髁钢板(dynamiccondylescre，采用逆行交锁髓内钉固定的股骨髁为18.42Nm，DCS固定的股骨髁为19.20Nm，LCP固定的股骨髁为17.88Nm，Ender钉固定的仅为9.48Nm，与正常股骨髁相比，分别相差30％、27％、32％、64％，具有显著