胫骨平台骨折内固定生物力学研究进展

Abstract

Objective

To review the biomechanical research progress of internal fixation of tibial plateau fracture in recent years and provide a reference for the selection of internal fixation in clinic.

Methods

The literature related to the biomechanical research of internal fixation of tibial plateau fracture at home and abroad was extensively reviewed, and the biomechanical characteristics of the internal fixation mode and position as well as the biomechanical characteristics of different internal fixators, such as screws, plates, and intramedullary nails were summarized and analyzed.

Results

Tibial plateau fracture is one of the common types of knee fractures. The conventional surgical treatment for tibial plateau fracture is open or closed reduction and internal fixation, which requires anatomical reduction and strong fixation. Anatomical reduction can restore the normal shape of the knee joint; strong fixation provides good biomechanical stability, so that the patient can have early functional exercise, restore knee mobility as early as possible, and avoid knee stiffness. Different internal fixators have their own biomechanical strengths and characteristics. The screw fixation has the advantage of being minimally invasive, but the fixation strength is limited, and it is mostly applied to Schatzker typeⅠfracture. For Schatzker Ⅰ-Ⅳ fracture, unilateral plate fixation can be used; for Schatzker Ⅴand Ⅵ fracture, bilateral plates fixation can be used to provide stronger fixation strength and avoid the stress concentration. The intramedullary nails fixation has the advantages of less trauma and less influence on the blood flow of the fracture end, but the fixation strength of the medial and lateral plateau is limited; so it is more suitable for tibial plateau fracture that involves only the metaphysis. Choosing the most appropriate internal fixation according to the patient’s condition is still a major difficulty in the surgical treatment of tibial plateau fractures.

Conclusion

Each internal fixator has good fixation effect on tibial plateau fracture within the applicable range, and it is an important research direction to improve and innovate the existing internal fixator from various aspects, such as manufacturing process, material, and morphology.

胫骨平台骨折是临床常见膝关节损伤类型之一，约占全身骨折的1.66%^[1-5]。该类型骨折为关节内骨折，因此手术质量要求高于关节外骨折^[6]，要求骨折解剖复位^[7]、恢复膝关节稳定性^[8]和良好生物力学强度。而内固定与生物力学强度及膝关节稳定性恢复密切相关，选择合适的内固定能保证治疗效果，这也是临床治疗难点。现回顾近年胫骨平台骨折不同内固定的生物力学研究进展，从内固定位置、类型、组合等方面进行综述，为临床治疗提供借鉴。

1. 胫骨平台的生物力学特点

胫骨平台是人体重要承重部位^[9]，根据形态分为内、外侧平台。与内侧平台相比，外侧平台面积更小、高度更高^[10]、骨小梁密度更低^[11]，加上外伤多发生于外侧，所以外侧平台骨折发生率高于内侧平台。日常生活中的行走、奔跑、跳跃等动作会增加膝关节载荷，内、外侧平台负重相应增加，因此胫骨平台起到更多承重作用。朱燕宾等^[12]提出了“核心负重区”这一概念，即日常行走和跑步过程中膝关节股骨髁与胫骨平台接触区域，其直接接触面为股骨髁软骨与胫骨平台软骨和半月板。他们对1名26岁健康男性正常胫骨平台进行三维有限元建模并进行一系列测量，结果显示内侧平台与外侧平台面积比为1∶0.72；平地行走时膝关节载荷为体质量的2倍，内、外侧平台核心负重区分别占胫骨平台面积的33.2%和42.9%；中等强度跑步时，膝关节载荷为体质量的4倍，内、外侧平台核心负重区分别占胫骨平台面积的35.6%和 48.0%。上述结果提示在不同运动状态下外侧平台的核心负重区均大于内侧平台，也进一步解释了外侧平台骨折发生率高于内侧平台。

2. 螺钉固定胫骨平台骨折的生物力学研究

2.1. 固定方式

目前，螺钉固定主要有3种理念，分别为“平行固定”、“三角固定”、“栅栏螺钉固定”。1979年，Schatzker等^[13]在经皮、微创理念上提出了“平行固定”，即将2枚皮质骨螺钉或半螺纹拉力螺钉平行植入软骨下骨，将骨折块固定在“原位”。该螺钉固定方式主要适用范围为SchatzkerⅠ～Ⅲ型骨折，其中Ⅰ型骨折（单纯劈裂）中应用最多^[14-15]。

基于三角形最稳定原理以及防滑螺钉理念，在平行固定基础上，学者们提出继续向骨折块顶端的正常骨植入1枚防滑螺钉，即“三角固定”。理论上该固定方式可获得稳定固定，但1999年Parker等^[16]的生物力学试验显示添加1枚防滑螺钉在增加胫骨平台骨折固定强度方面无生物力学优势，因此3枚螺钉固定临床应用价值有限。2017年，Moran等^[17]对三角固定方式进一步改良，改变第3枚防滑螺钉的植入方向，从既往的平行植入改为朝向前2枚螺钉尖端方向植入，以此形成各螺钉尖端汇聚。与平行固定比较发现，改良三角固定在失效循环次数和失效最大载荷方面更有优势，且平均失效载荷约增加27%，具有更好生物力学稳定性。

栅栏螺钉固定是在平行固定的2枚螺钉下方、紧贴并垂直于平行螺钉植入1～2枚螺钉，以加强固定稳定性。2006年，Petersen等^[18]报道应用该固定方式可提高固定强度。2013年，Weinmann等^[19]正式提出该固定方式并命名为“栅栏螺钉固定”技术，并采用猪胫骨平台骨折模型进行生物力学测试，结果显示栅栏螺钉固定组最大载荷（2 275.87 N）明显高于平行固定组（1 769.46 N），提示该固定方式具有优于平行固定的生物力学稳定性，并能有效防止平行螺钉对松质骨的“切割”作用。该技术应用到接骨板时，近端螺钉也应采用排筏样排列^[20]，并尽量植入软骨下骨以更好地支撑关节面（老年患者软骨较薄，需特别注意^[21]），以获得优良的生物力学强度^[22]；在处理伴随关节面塌陷的骨折时，可加用Jail螺钉以防止继发性塌陷^[23]。

2.2. 螺纹长度

螺钉稳定固定依靠螺纹的把持，例如拉力螺钉拧入时通过螺纹加压作用将分离骨折块吻合，但螺钉螺纹长度不同，其固定强度是否也不同尚未明确。2016年，Salduz等^[24]进行了一项对照研究，一组应用2枚短螺纹螺钉固定Schatzker Ⅰ型胫骨平台骨折，另一组应用1枚长螺纹螺钉和1枚短螺纹螺钉。结果显示1枚长螺纹螺钉和1枚短螺纹螺钉组合仅在早期循环载荷时骨折块位移更小，但两组后期循环载荷和失效载荷无明显差异，提示长螺纹螺钉在骨折固定中可能有更好的生物力学特性。但该研究样本量有限，增加样本量和螺钉数量是否仍具有差异，有待进一步研究明确。

3. 接骨板固定胫骨平台骨折的生物力学研究

3.1. 接骨板厚度

接骨板厚度一般为3.5 mm或4.5 mm，理论上接骨板厚度与固定强度成正相关。2014年Hasan等^[25]针对3.5 mm和4.5 mm接骨板的对比研究显示，SchatzkerⅤ型骨折模型固定后，两者骨折线位移无显著差异，但4.5 mm接骨板固定后轴向载荷更高，差异有统计学意义；Schatzker Ⅵ 型骨折模型固定后，两者骨折线位移存在显著差异，而4.5 mm接骨板固定后轴向载荷虽更高，但差异无统计学意义。上述结果提示两种厚度接骨板固定的生物力学稳定性无显著差异，厚度并非影响生物力学强度的决定性因素。3.5 mm接骨板具有体积小、厚度薄的优势，由于接骨板越厚，术中植入难度越高，患者术后体感越差，因此建议胫骨平台骨折首选3.5 mm接骨板。

3.2. 单接骨板和双接骨板

处理单侧胫骨平台骨折（SchatzkerⅠ～Ⅳ型）时，一般采用单接骨板^[26]，术中将其放置于患侧^[27]。而处理双侧胫骨平台骨折或涉及干骺端的胫骨平台骨折（Schatzker Ⅴ、Ⅵ型）时，因胫骨平台双侧皮质被破坏，使用单接骨板会导致应力集中，有一侧皮质得不到足够支持，随着时间延长接骨板会有弯曲倾向，轻则导致骨折延迟愈合，重则导致接骨板断裂、固定失效^[28]，所以常规采用双接骨板固定^[29]，较单接骨板固定有更好的生物力学稳定性^[30-31]。Dehoust等^[30]的有限元分析显示，单接骨板（置于外侧）和双接骨板固定SchatzkerⅤ型胫骨平台骨折后，在1 500 N载荷下内侧骨块最大位移前者明显大于后者。Wei等^[32]报道双接骨板固定粉碎胫骨平台骨折有着良好生物力学强度，固定后能满足静态站立等动作强度要求。Thamyongkit等^[33]报道双接骨板固定复杂胫骨平台骨折可获得较好生物力学强度，术后早期允许患者部分负重功能锻炼。在复杂胫骨平台骨折或患者本身骨质不佳时，为使患者术后早期能进行功能锻炼，避免膝关节僵硬，需要更稳定的固定方式，选择双接骨板内固定更有效^[34-35]。在处理胫骨平台骨折后平台增宽时，亦可选用单接骨板辅以加压螺栓固定，其生物力学稳定性较单接骨板亦明显增强^[36-37]。

3.3. 新型接骨板

目前，有一些新型接骨板设计也可提升固定骨折的生物力学强度^[38-39]。Yan等^[40]设计了一种新型接骨板，在传统内侧T形接骨板基础上增加宽度，使之可以同时固定内侧柱和后外侧柱骨折。有限元分析显示该新型接骨板有效减小了胫骨平台最大应力，获得良好生物力学稳定性，且放置方便，适用于同时累及内侧柱和后外侧柱的胫骨平台骨折。Lu等^[41]设计了一种新型接骨板，其为一种外侧接骨板，呈弓形结构，并在传统外侧L形接骨板基础上增加了后外侧长度。他们将其与传统外侧L形接骨板、传统外侧L形接骨板联合2枚3.5 mm空心螺钉进行生物力学比较，发现在Schatzker Ⅱ型胫骨平台骨折（同时累及前外侧柱和后外侧柱）模型，新型接骨板组在250、500、750 N轴向载荷下垂直位移明显低于其他两组，而且骨折块位移达3 mm时所对应的轴向载荷更高，提示该新型接骨板生物力学稳定性优于普通接骨板和接骨板联合螺钉固定。Gao等^[42]根据胫骨平台后外侧解剖结构对传统接骨板三维形态进行改良，将接骨板横向结构变成斜形螺旋样，从而对胫骨平台后外侧骨折块起到支撑作用。有限元分析发现该新型接骨板有着良好固定强度，此外可在接骨板中心孔先打入1枚螺钉，使用特制加压器向后推挤接骨板远端，接骨板近端随之向前挤压，从而起到对后外侧骨折块加压作用^[43]。Teo等^[44]比较了3D打印接骨板和常规接骨板固定尸体胫骨平台骨折模型的轴向刚度和失效载荷，发现3D打印接骨板优于常规接骨板，但差异无统计学意义。但是，3D打印接骨板与骨更服帖，术中更易放置，患者术后舒适度可能更高。

接骨板的设计是骨科一个研究方向，随着研究不断深入，从制造工艺、材料、形态等方面出发，将不断有更加优质的新型接骨板出现。

3.4. 普通接骨板与锁定接骨板

普通接骨板是通过接骨板和骨面之间加压形成摩擦力，进而发挥固定作用。锁定接骨板与普通接骨板的主要区别为螺钉孔有螺纹，拧入锁定螺钉时钉帽上的螺纹可与接骨板上的螺纹咬合，进而形成角稳定性^[45]，稳定性更高、脱落率更低。2018年，Faur等^[46]对3种内固定物（锁定接骨板、普通接骨板、混合外固定器）固定胫骨平台双髁骨折效果进行了生物力学测试。结果显示在1 000、1 400、1 800 N轴向载荷下，锁定接骨板固定关节面移位小于其余两种内固定物，展现出了更好的生物力学性能。

3.5. 固定位置

骨折位置不同，固定方案（固定物及固定位置）也不一致。对于后外侧胫骨平台骨折，常用固定方式有前外侧拉力螺钉固定、前内侧有限接触动力加压接骨板固定、外侧锁定接骨板固定和后外侧支撑接骨板固定。Zhang等^[47]应用人工骨模型比较上述4种固定方式的固定强度，发现在500、1 000、1 500 N轴向载荷下，前外侧拉力螺钉固定组、前内侧有限接触动力加压接骨板固定组、外侧锁定接骨板固定组和后外侧支撑接骨板固定组的骨折块垂直位移依次递减，失效载荷（骨折块位移达3 mm）依次增加。上述结果提示对于此类骨折，采用支撑接骨板放置于后外侧固定可获得最佳生物力学稳定性。既往相关研究也提示，对于后外侧胫骨平台骨折，后外侧是最具生物力学稳定性的固定位置^[47-49]，但目前相关研究较少，该结论有待进一步证实。其他类型胫骨平台骨折相关研究也较少。

4. 髓内钉固定胫骨平台骨折的生物力学研究

髓内钉在骨干骨折治疗中应用极为广泛。在处理单纯累及干骺端的胫骨平台骨折时，使用髓内钉内固定手术切口小、愈合快，避免了广泛剥离软组织。综合手术难度和预后情况，胫骨平台骨折如能使用髓内钉时，宜选择该固定方式^[50]。2013年，Högel等^[51]从生物力学角度评估了髓内钉和接骨板固定胫骨平台骨折的稳定性。结果显示在固定失效前两种固定方式在载荷方面无显著差异，但髓内钉固定后骨折线移位明显大于接骨板，差异有统计学意义，提示髓内钉固定的生物力学稳定性不及接骨板。但是，髓内钉自身刚度大于接骨板，且髓内钉内固定手术切口小，对软组织损伤小，在处理单纯累及干骺端的胫骨平台骨折时，是一种优于接骨板的选择。2015年，Chen等^[52]比较了轴向控制髓内钉、外固定架、接骨板固定胫骨平台骨折的效果。轴向压缩测试显示轴向控制髓内钉骨折线移位最小，侧向移位小于外固定架并与接骨板无显著差异。综合3种固定方式纵向、横向生物力学强度，在固定单纯累及干骺端的胫骨平台骨折时，轴向控制髓内钉具有比接骨板和外固定架更优越的生物力学特性和固定效果，且手术切口小、愈合时间短。因此，在满足髓内钉手术条件时，轴向控制髓内钉固定是一个理想固定方案。

5. 胫骨平台骨折植骨的生物力学研究

对于塌陷型或劈裂塌陷型胫骨平台骨折，不仅需要对塌陷骨折块进行复位固定，还需植骨修复塌陷骨折块复位后遗留的骨缺损，以减少应力集中^[53]，如顶棒复位后留下的“骨隧道”^[54-55]、球囊扩张术复位后遗留的缺损^[56-58]等。目前，植骨方式主要有自体骨、同种异体骨、人工合成骨替代物、骨水泥移植。自体骨移植是临床最常用的植骨方式。Wang等^[59]应用双皮质自体髂骨治疗43例塌陷型胫骨平台骨折，术后随访发现复位保持较好，仅2例出现继发性复位丧失。自体骨移植具有骨愈合速度快、骨传导性能优良等优势，但存在来源有限、有创取骨的缺陷。为此，临床尝试采用同种异体骨或者其他材料代替自体骨。Rolvien等^[60]临床应用β-三钙磷酸盐治疗塌陷型胫骨平台骨折，获得良好稳定性，但生物降解方面不如动物实验时显著。Iundusi等^[61]发现基于磷酸钙和硫酸钙合成的一种新型可注射骨替代物可优化不规则骨缺损的填充，临床应用治疗24例塌陷型骨折，关节对应关系均达满意效果，关节面落差维持在2 mm内。自体骨和人工合成骨代替物存在无法立即提供坚强固定的缺陷，而骨水泥有着优于自体骨、同种异体骨、人工合成骨替代物的生物力学稳定性^[62-63]，临床应用逐渐增多^[64]，随之也出现了骨水泥衍生物。邹华章等^[65]将新型可注射磷酸钙骨水泥与聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥进行对照实验，发现二者生物力学稳定性无明显差异，可注射磷酸钙骨水泥可作为聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥的理想替代品。在自体骨无法满足需求或因骨折情况复杂而需要更强稳定性时，骨水泥及其衍生物是一个很好选择。

6. 总结

胫骨平台骨折患者若得不到良好治疗和康复，易导致创伤性关节炎^[66-67]、关节僵硬和不稳^[68]，从而影响膝关节功能和生活质量^[69]。目前，大部分胫骨平台骨折需手术治疗^[70]，常规采用内固定方式。影响内固定疗效的因素有内固定物强度、应力特点、刚度以及相应内固定手术操作对骨折端血运的破坏程度等。针对不同骨折类型，根据内固定物特性选择合适治疗方案是患者膝关节功能恢复的重要影响因素。目前，临床常用内固定方式包括螺钉、接骨板以及髓内钉固定。螺钉固定具有微创优势，但是固定强度有限，多应用于SchatzkerⅠ型胫骨平台骨折。接骨板固定临床应用最广泛，对于SchatzkerⅠ～Ⅳ型胫骨平台骨折这类单侧骨折可采用单接骨板固定，将接骨板放置于骨折块位置，同时根据骨折塌陷和复位后骨缺损程度选择是否植骨；对于SchatzkerⅤ、Ⅵ型胫骨平台骨折采用双接骨板固定以提供更大固定强度，避免应力集中。髓内钉固定创伤小、对骨折端血运影响小，但是对内、外侧平台固定强度有限，更适用于单纯累及干骺端的胫骨平台骨折。

利益冲突　在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突

作者贡献声明　郑占乐、张英泽：综述构思及设计；郑占乐：观点形成；刘家伦：资料收集及文章撰写