骨折的生物力学

骨折愈合的生物力学
☆ 大部分骨愈合是二期骨愈合，其特性是骨痂
形成
术后16周骨折愈合
骨折固定后力学传导方式
☆ 骨折近端 --- 钢板----骨折远端 ☆ 稳定性是通过钢板与骨的摩擦阻力完成
Stability by plate bone friction Regular bone quality
钢板固定下的骨愈合
应力与应变
应力：作用在某种结构单位面积上的负荷 应变：物体受到负荷后的内部变形
应变＝尺寸的改变/原始尺寸
应力－应变曲线
Y:屈服点 U:断裂点
应力集中
在常规负荷下，一个物体内部的应力 可因局部影响而增加，如结构或材料 的缺陷。此现象为应力集中，可导致 断裂。
材料缺陷如裂痕、空隙、空洞或凹槽；形状 突然改变，‘锐角转角’ 临床：骨钻孔，开创
男39 术后 9m
J.S
北.T京积水潭医院
钢板断裂的原因及预防策略
应力大小与次数的关系
循环载荷对不锈钢与钛的影响
相同载荷下钛抗变形度是不锈钢的2 倍
钛
不
的
锈
弹
钢
性
弹
模
性
量
模
是
量
骨
是
的
骨
6
的
倍
12
倍
影响骨折固定效果的几种因素
骨骼
具有复杂的生物特性 无与比拟的修复特性 特殊的结构材料
骨折的生物力学
力学基本概念
生物力学
生物力学(biomechanics) － 是力和能量在生物系统 中的作用的科学
生物力学中力的形式
1.外力：通过接触点的作用力:重力，地面反作用力 2.内力：肌肉收缩力，关节囊及韧带的约束力
力矩
力矩－ 使物体围绕某个轴旋转 的力的作用，称为力矩或扭矩
力矩＝力×力到旋转轴的垂直距离
实验证实短时间的周期低频率微动与 坚强外固定相比明显促进骨折愈合
而高频率微动对完整骨骼的重建有效， 但对骨折愈合的影响还没统一认识
微动的方向
轴向周期微动，不论其作用力方向如 何，均刺激骨折愈合
而骨折块间剪切活动诱导软骨痂中大 量的软骨分化，而不是骨折延迟愈合和不 愈合的主要原因
LCP及其应用
对抗拉出的力量最大
北北京J.T.S 京积积水水潭潭医医院院
骨愈合的环境
生物学因素（骨折周围的血运） 力学因素（尽早恢复其稳定）
将骨块解剖复位？
骨折治疗的成功条件
1. 防止骨折区域软组织再度损伤 2. 相对稳定的愈合条件 3. 医生的经验
人体骨骼载荷的环境
1. 日常生活中，骨每天承受重复性载荷，但该 载荷极低，不足以造成骨折
应力集中
疲劳
疲劳－是材料的特性，它导致材料 在被施加许多次较小负荷时破坏； 这个负荷小于单周期破坏材料所需 的负荷
不同加载下骨的特性
拉伸、压缩、 弯曲、剪切、 扭转、及复 合加载
不同加载下骨的特性
拉伸
结构变长 变细
跟骨撕脱 骨折
不同加载下骨的特性
压缩
变短变粗 锥体骨折
不同加载下骨的特性
剪切
力学强度上的改变
每十年： △ 弹性模量下降1.5％ △ 极限应变下降5～7％ △ 骨骼变脆（Brittle） △ 骨吸收外力的能力下降
骨的力学特性对骨—钢板系统的影响
☆ 刚度较低的骨将减少钢板抗剪力的能力 ☆ 骨质疏松或其它骨疾患可影响骨—钢板和
骨—螺钉界面的骨再塑形，从而最终影响 骨—钢板力学作用
尸体生物力学实验证明
垂直不稳定： 骶骨棒 + 前钢板 骶骨棒 + 2块前钢板 骶骨棒 + 前外固定架
失败载荷均大于1000N（Stock G. 1991）
Thank You for Your Attention!
谢谢！
结构内部 发生角变形
跟骨、股骨 髁、胫骨平台
不同加载下骨的特性
弯曲
A.三点弯曲
B.四点弯曲
不同加载下骨的特性
弯曲
中位轴
沿中位轴，弯曲和扭转的应力是0 ，弯曲时凸侧为张力区，凹侧为 压力区
不同加载下骨的特性
扭转
几种固定物的力学特点
骨板
1. 板的抗弯能力与厚度的立方成正比， 板的厚度加倍，抗弯能力增加8倍
外固定架
稳定性取决于：
•针直径，抗弯刚性与针直径4次方成正比 •针数目 •骨与连杆的距离 •不同平面的针、杆 •增加杆的质量或数量
张力带原则
Tension band principle
力学环境与骨折愈合
传统骨折愈合模式
直接愈合 间接愈合
DCP固定后也可以发生骨痂愈合！
Chao和Aro修订的骨折愈合分类
微动及骨折愈合
早期，Sarmieno等发现，骨折端 的一定程度的活动刺激骨痂形成
Goodship等通过动物及临床研究： 外固定架固定下，可控制的微动与坚强 固定相比促进骨折愈合
微动的时机
微动在骨折愈合早期，一些特异性的细胞 募集或分化之前最有效，而在骨折愈合负重阶 段的周期微动使骨折愈合延迟
微动的频率
严格复查）
钢板
髓内针
适用于长管状骨粉碎骨折
生物学固定
尽可能保留有生物活性的组织 间接复位 获解剖对线，适合的稳定。
髓内针可完全替代钢板？
不可能
邻近关节的骨折多发损伤 尤其是胸外伤 国内现有条件
关于钢板使用长度的变化
S. R. Rozbruch Clin Orthop (Vol.354 1998) ■ 分析81例股骨干骨折钢板内固定 ■ 7 0年代；80年代；90年代；
1.非骨性愈合 2.骨性愈合
A.一期愈合 （1）一期接触愈合 （2）一期间隙愈合
B.二期愈合 （1）二期接触愈合 （2）二期间隙愈合
骨折愈合的影响因素
血供、生物学因子、化学因子、力 学环境、电磁刺激、超声刺激等
影响骨折端力学环境的因素
骨折固定的强度、骨折形态、骨折 复位情况、活动及负重时骨折间隙产生 应力的类型及大小
2. 当载荷增加时，骨承受重复性载荷的次数相 应下降
Loading Mode Tension Compression Shear
Ultimate Strength 135 MPa 205 MPa 71 MPa
年龄因素与骨结构变化的关系
△ 骨量下降——进行性丢失（50岁女性） △ 骨密度下降 △ 力学特性改变 △ 组织学改变
2. 板被用于抵抗张力置于骨的张力侧， 也可用于抗压缩、扭转或支持作用
3. 板的预弯允许骨折端的更均匀的加压 ，并防止对侧张开
来自百度文库
骨螺钉
•把持力由外径和螺纹间距决定 •螺钉本身强度由杆的直径决定
髓内针
•大直径抗扭转能力好 •实心髓内针提供更大的抗 扭转和抗弯曲能力
DHS
•承受弯曲负荷，并 提供折端加压 •角钢板可抵抗扭转 但不提供折端加压
医源性因素
1手术技术使用不当（减少手术步骤、内固定的选 择等） 2 间接复位技术 3 软组织剥离广泛 4 医生的经验--------病人的情况
医院现有的条件 器械情况
质量问题
预防措施
☆ 树立骨保护钢板的概念 ☆ 采用骨牵开器复位 ☆ 依据骨折的特点选用正确的内固定物 ☆ 正确的康复训练（CPM使用、地秤使用、
对所有外固定架进行测试
其失败载荷均低于200N 前路应用1-2钢板固定，失败载荷 亦低于200N
多数作者认为
对于垂直不稳定型损伤前后 均应实施固定。 如垂直稳定而旋转不稳定， 前路固定仍是最好的指征（Tile）。
外固定常用于控制骨盆的出血
3枚针强度高于2枚针 5mm直径针强于4mm直径针
（Dather 1984）
结论
■ 在恒定的弯曲力矩下，钢板越长， 其发生的应变越小，且作用在螺 钉上的 应力也越小
■ 粉碎骨折中损伤面积 的增大， 也可使应变变小。
Gotzen 尸体截骨研究证实
■ 10 孔钢板两端各用两枚螺钉 ■ 8 孔钢板两端各用四枚螺钉 ■ 前者作用优于后者。
Laurence:
■ 在钢板上超过四枚螺钉固定 作用已足够。
1. 切断SP韧带加大SP分离但并不影响SI 2. 切断SI前韧带加大SI移位而不影响SP 3. 切断SS、ST韧带对SI、SP影响很小
通常认为
合并后方损伤时存在垂直不稳定，单纯固定 前SP稳定性不够，仅提供完整骨盆 强度的 5％
双针三角形外固定架可提供最大稳定性，但 仅可承受300N载荷。
Tile
骨折长度：复位后骨折线长度 钢板跨越率：钢板与骨折长度比 拉力钉指数：钢板外拉力钉数与骨折 线长度（厘米）的百分比
骨折螺钉密度：经钢板的 螺钉数与骨折 长度（厘米）的比值
骨痂测量：骨折愈合后在其最大宽度处 测量其正侧位
结果
■ 钢板跨越率增加 ■ 固定螺钉数目减少 ■ 拉力螺钉指数下降 ■ 单皮质固定螺钉密度为零
影响骨折端力学环境的因素
一期和二期愈合完全恢复骨骼正 常的力量和强度所需的时间没有明显 的差别。而骨折愈合早期，外骨痂的 形成，可在哈佛氏成骨之前增加骨折 部位的强度。这是骨折二期愈合的优 点
通过骨折部位力学环境的控制，达 到骨折的二期愈合已成为骨干骨折的首 选
而骨痂的伸展与分布及分化速度均 受到施加于折端的力学刺激的影响
狗的动物实验证明 ☆ 8～12周 钢板固定的骨强度逐渐加强 ☆ 20周以后 达到正常骨强度80％
钢板固定下的骨愈合
20周后取板 ☆ 骨强度在4周内轻度下降 ☆ 取板8周后，骨强度甚至高于对侧完整骨
什麽因素造成钢板断裂？
？
骨折的愈合和钢板的断裂始终是一场竞技！
病人自身的因素
1 病人的配合------智障、帕金森氏病等 2 骨折周围软组织损伤严重------高能量损伤 3 全身因素------癌症、糖尿病等
■ 因弯曲应力作用于任何一个 螺钉上的最高张力即使在骨 最薄弱区，也不超过须拔出 它的力的二分之一。
• 使用多长的钢板 ？ • 使用多少枚螺钉 ？
目前： ■ 钢板跨越率 — 6 ■ 钢板螺钉密度 — 50%
男39 术后 9m
男，46
骨盆的生物力学
尸体实验证实