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1. 生物力学和骨愈合 0. 骨折稳定方法 稳定性一词被外科医生广泛使用。其含义不同于工程中使用的含义。外科医生使用“稳定”一词来表示由载荷引起的骨折部位的移位程度。 稳定的骨折定义为在生理负荷下不会明显移位的骨折。具有绝对稳定性的骨折固定意味着在生理负荷下骨折部位没有运动。稳定性程度决定了骨折愈合的类型。 骨头骨折经常会产生不稳定的情况。明显的例外是：化石的冲击性骨折，骨膜完整的无移位骨折，股骨颈近端的外展骨折和青刺骨折。这些骨折不需要复位，仅在骨折在生理负荷下会变形（即骨折不稳定）时才需要稳定。 骨折稳定的目的是：
b 图1.2-4a–b越南战争受害者的股骨骨折自发愈合。 a.AP X射线。 b.侧向X射线。 具有绝对稳定性的固定旨在为骨折愈合提供机械上中性的环境，即在骨折部位无运动。但是，这也减少了通过形成愈伤组织而进行修复的机械刺激，因此通过重塑进行愈合（一次骨愈合）。 具有相对稳定性的固定的目的是保持复位并仍保持机械刺激以通过愈伤组织形成来进行骨折修复。 成功实现相对稳定的前提是，在载荷作用下发生的位移是弹性的，即可逆的而不是永久的。愈伤组织形成引起的骨折愈合可以在广泛的机械环境中进行。如果将钛弹性钉与使用锁定板的桥板进行比较，则骨折部位的微动程度差异很大。但是，如果正确使用，两者都会导致愈伤组织形成和骨折愈合。 在相对稳定范围的两端，骨折愈合将被延迟。如果没有运动，则不会形成愈伤组织，但是如果运动过度且骨折固定不稳定，则愈合也会延迟。 1. 非手术性骨折治疗 0. 未经治疗的骨折愈合 如果不进行治疗，大自然会通过疼痛引起的周围肌肉收缩来稳定活动碎片，这可能导致缩短和畸形。同时，血肿和肿胀会暂时增加组织的肿胀，并有轻微的稳定作用。未经任何治疗就骨愈合进行的观察有助于了解医疗干预的正面和负面影响。令人惊讶的是，初始移动性如何与实体骨愈合兼容（图1.2-4）。在这种情况下，剩余的问题是缺乏对齐和功能受损。 1. 非手术治疗骨折 非手术管理需要闭合复位以恢复对准和旋转。随后的治疗可保持减少并减少碎片的活动性，而愈伤组织的形成可间接治愈。在非手术治疗中，可通过以下方式达到稳定： 牵引：可以通过皮肤或将金属销钉插入骨折远端的骨骼中（骨骼牵引）来提供。沿骨骼长轴的牵引力（图1.2-5 ）通过韧带旋转使骨骼碎片对齐，并减少运动，从而提供一定的稳定性。 外部夹板：使用由木材，塑料或灰泥制成的外部夹板会导致一定程度的骨折稳定。夹板尺寸是最重要的机械方面。圆形外部夹板基于其弯曲的几何形状，既坚固又结实。然而，由于插入的软组织导致与骨的不良结合，因此用外部夹板固定是固有地不稳定的。外部夹板通过实现三点接触来保持减少。 弯曲的石膏模铸成笔直的骨头。笔直的石膏模产生弯曲的骨头。 周围组织的静水压力降低了碎片的运动。在干phy端骨折中，正确的碎片长度，对齐和旋转是肢体正常功能所必需的。对于关节内骨折，精确的解剖复位对避免关节不协调或不稳定很重要，因为关节不协调或不稳定可能导致继发性关节炎（请参阅第2.3章）。 图1.2-5a–c通过牵引减少和稳定骨折。 a–b垂直于长轴减小骨折的力会随着对齐而减小。因此，总运动性降低，而微运动持续。 c使用石膏模型稳定骨折。石膏模像夹板，软组织的压力保持对齐。这会降低移动性，但并不能消除它。石膏代表坚硬的夹板。发生流动性是因为膏药 石膏只能通过软组织松散地耦合到骨骼。如果膏药太紧，则会发生隔室综合征。 2. 相对固定的手术固定 0. 相对稳定性技术的力学 具有相对稳定性，当对骨折施加生理负荷时，骨碎片彼此相对移位。位移随施加的载荷而增加，而随固定装置的刚性而减小。对于所需的或容许的灵活性没有确切的定义。通常，如果固定方法允许在生理负荷下进行片段间的受控运动，则认为该方法是灵活的。因此，除压缩技术外，所有固定方法都可以视为提供相对稳定性的灵活固定。 1. 植入物 诸如外部固定器，髓内钉或板之类的装置可提供相对的稳定性。柔性程度可以变化，这取决于外科医生如何应用设备以及如何加载设备。所有这些设备都允许碎片运动，从而刺激愈伤组织形成。但是，错误地使用该设备会导致过度运动并抑制骨结合或运动太少，这也会抑制骨结合。 外固定器 外部固定器通常可提供相对的稳定性，尽管某些环形固定器可用于施加压缩和绝对稳定性。单侧外固定架位于偏心位置，并表现出不对称的机械性能。当在Schanz螺钉的平面中加载时，它们比在垂直于它们的平面中更坚硬。环形固定器在所有平面上均表现出几乎均匀的行为，因此，骨碎片相对于彼此的移位主要是轴向的。 通过外固定进行骨折稳定的硬度取决于许多因素： · 所用植入物的类型，例如Schanz螺钉和钢筋 · 这些元素相对于彼此和骨骼的几何排列，即单平面，双平面或圆形固定器 · 植入物与骨骼的耦合，例如Schanz螺钉；张紧的细钢丝 影响固定稳定性的最重要因素是： · 连杆的刚度 · 杆与骨轴之间的距离；杆越硬，并且越靠近骨轴，固定越稳定 · Schanz螺钉或导线的数量，间距和直径及其预紧力 单侧外固定架在载荷作用下的骨折间运动是轴向位移，弯曲位移和剪切位移的组合。在200–400 N的部分负荷下进行双管布置会导致碎片间运动几毫米，并刺激愈伤组织的形成。外固定器是唯一允许外科医生通过调节植入物而无需额外手术即可控制固定灵活性的系统。这种称为动态化的技术可用于随着愈合的进行来改变骨折的负荷。这可以通过延长杆与骨骼之间的距离或减少杆的数量来完成。另外，某些类型的外固定器允许轴向伸缩以刺激愈合过程。 髓内钉 经典的Küntscher钉在垂直于其长轴的弯矩和剪切力方面具有良好的稳定性，但在施加扭矩时相当不稳定，并且无法防止轴向缩短。开槽钉的扭转刚度低，而髓内钉与骨头之间的扭转和轴向耦合较松散。因此，在过去，这种设计的髓内钉的有效应用仅限于简单的横向或短斜角骨折，这种骨折不能缩短并且会相互交叉以防止旋转。Küntscher指甲的优点是其柔韧性促进愈伤组织的形成。 锁定髓内钉和实心或空心钉的引入克服了许多这些限制。锁紧的钉子可以承受扭矩和更好的轴向载荷[16]。在这种负载下的稳定性取决于钉子的直径，钉子的几何形状和互锁螺钉的数量及其空间布置。弯曲的柔韧性取决于指甲在髓管内的配合，骨折的程度以及近端和远端锁定螺钉之间的距离。 髓内钉锁定的唯一缺点是骨钉结构的非线性刚度。锁定孔大于互锁螺钉的直径，以方便插入。即使在低负载下，这也可以使联轴器产生一些运动。可以通过插入更多的互锁螺钉或使用角度稳定的锁定系统（例如专家级的胫骨钉）来减少这种情况。 用锁定板桥接骨折-内部固定器在多片段骨折的两侧均带有锁定头螺钉的锁定板横跨骨折的外部固定器，以提供弹性夹板。这种内部固定方法的刚度取决于植入物的尺寸，螺钉的数量和位置，螺钉与板之间的联接的质量以及螺钉与骨之间的联接的质量。这将受到板设计，骨类型和骨质疏松程度的影响。这种类型的固定机制将在有关桥板（请参阅第3.3.2章）和锁定板（请参阅第3.3.4章）的章节中详细讨论。 具有相对稳定性的镀层仅应用于多片段骨折，不得用于简单的裂缝型式，因为在裂缝处会形成高应变的环境，因此延迟结合或骨不连的可能性很高。如果镀上简单的裂缝，则必须使用提供绝对稳定性的技术。 0. 间接或继发性骨折愈合的力学生物学 碎片间运动刺激愈伤组织的形成，并且是正常愈合过程的一部分 [17，18] 。随着愈伤组织的成熟，它会变硬，并将碎片间的运动减少到较低水平，从而允许硬骨愈伤组织桥接（图1.2-6）。在愈合的早期阶段，当缝隙中主要存在软组织时，与较晚的愈伤组织中主要含钙的骨than相比，骨折可以承受更大的变形或更高的组织应变。 图1.2-6监测到的人类胫骨干骨折的典型跨节运动过程。随着时间的流逝，在300 N轴向载荷（最初归一化为100％）的情况下，最初的术后关节间隙运动逐渐减少。约13周后，愈伤组织的愈合已使骨折稳定。 结实的组织。佩伦的应变理论解释了机械因素影响骨折愈合的方式（图/动画1.2-7））。应变是当施加给定力时材料（例如，间隙内的肉芽组织）的相对变形。正应变表示为当施加给定载荷时，长度（∆ l）与原始长度（l）的变化比率，即∆ l / l。污渍没有尺寸，通常以百分比表示。组织可以忍受并仍然起作用的变形量称为应变公差，并且变化很大。完整的骨头在骨折前的正常应变容差为2％，而肉芽组织的应变容差为100％。仅当局部应变小于间隙中形成的编织骨所能承受的局部应变时，才会发生远端和近端愈伤组织之间的骨桥。随着裂缝的愈合，裂缝间隙变窄，裂缝间隙内的应变增加。 图/动画1.2-7Perren的应变理论。 末端太大（即超过编织骨的应变容限）[19]，这将防止骨折愈合并导致骨不连。大自然通过扩大软愈伤组织的数量来解决这个问题。这导致愈伤组织外围的局部组织应变降低到允许骨桥接的水平。骨然后跨过愈伤组织外围的骨折间隙桥接，并且随着应变逐渐减小，骨折愈合从外围向中心进行。大自然具有进一步，优雅的方式来减小狭窄缝隙中的应变。除了直接排列在整个骨折间隙之外，这些骨骼还像弹簧一样呈螺旋状形成，并在整个骨折间隙中生长并产生较低的应变环境，从而可以桥接骨[18]。（图1.2-8）。这种类型的愈合的结果是，在愈合过程的后期，对带有超窄缝隙（和高应变）的骨折的超负荷耐受性不佳[20，21]。 在发生骨再生和组织分化的基本过程的细胞水平上，情况更加复杂。生物力学条件，例如应变和流体压力，在愈伤组织内分布不均匀。愈伤组织细胞的机械调节是一个反馈回路，在该回路中，信号由施加的负载产生，并由愈伤组织进行调制。愈伤组织的机械负荷会产生局部生物物理刺激，这些刺激会被细胞感知。通过接受负荷信号的细胞诱导生长因子的产生，这可能调节细胞的表型，增殖，凋亡和代谢活性。随着细胞外基质的改变以及组织特性的相关变化，由机械负荷引起的生物物理刺激得以调节，即使在相同的负载下也会产生不同的生物物理信号。在正常骨折愈合中，此反馈 骨细胞 图1.2-8a–c骨状骨不是沿着骨折缝直接排列，而是在愈伤组织的周围形成螺旋状，像弹簧一样，这减少了应变并允许骨化。 1.周围的硬call与膜内骨形成。 2.中心部软，软骨内骨化。 当愈伤组织骨化并且原始皮质已再生时，该过程达到稳态，从而实现正常的自动调节和骨转换。生物物理信号本身及其相互作用以产生生物反应的方式仍在研究中。已经提出了几种机械调节算法，这些算法已被证明与骨折愈合的某些方面是一致的，但是它们需要进一步的融合。正在研究将这些刺激转导到细胞内和细胞外信使系统中。因此，物理和分子治疗方法都可以开发来治疗延迟的工会和骨不连。 当骨折夹板时，碎片彼此之间的相对运动取决于： · 外部负载量和方向 · 夹板的刚度 · 桥接骨折的组织的刚度 多片段骨折可承受两个主要片段之间的更多运动，因为整体运动由多个骨折平面共享，从而减少了组织应变或骨折间隙处的相对变形（视频1.2-2）。如今，已有临床经验和实验证明，灵活的固定可以刺激骨us形成，从而加速骨折愈合[17]。这可以在由髓内钉，外固定器或桥接板夹住的干fracture端骨折中观察到。 视频1.2-2相同的变形力在简单骨折部位产生的应变要大于在多片段骨折部位产生的应变。 如果片段间的张力过大（不稳定），或者骨折间隙太宽，尽管形成了良好的愈伤组织，也不会发生硬愈伤组织造成的骨桥，并且会形成肥大的骨不连[22]。 当要弥合较大的骨折间隙时，刺激愈伤组织形成的能力似乎有限，并且可能不足。在这种情况下，动态化（髓内钉或外部固定器的解锁）可通过允许骨折间隙减小并增加其刚度来进行骨桥接。 愈伤组织的形成需要一些机械刺激，并且当应变太低时将不会发生。如果固定装置太僵硬或缝隙太宽[19]，将产生低应变的环境。会导致延迟愈合和骨不连。 同样，动态化可能是解决问题的方法。如果患者太不动而无法负担手术腿，则外部施加负荷可能是刺激愈伤组织形成的方法。 1. 绝对稳定的手术固定 如果骨折由坚硬的夹板桥接，则其活动性会降低，并且在功能载荷下几乎不会发生位移。尽管植入物的刚度有助于减少骨折的活动性，但唯一有效地消除骨折部位运动的技术是解剖复位和节间压缩。 绝对的稳定性消除了在生理负荷过程中骨折部位修复组织的变形（应变），并导致了直接的骨愈合。将应变降低到临界水平以下将减少形成骨us的刺激，导致骨折愈合而无可见骨call。 在低应变的环境中，骨骼可以直接通过骨骼的重塑而愈合-与正常生理骨骼更新相同的体内平衡机制。 此过程也称为原骨愈合。它比通过愈伤组织形成的愈合要慢得多，因此植入物不仅必须提供并维持长时间的绝对稳定性，而且还必须足够坚固以抵抗延长的愈合期间的疲劳衰竭。 直接骨愈合不是这种骨折固定方法的主要目标，而是使用获得并保持完美的原子还原技术的不可避免结果。解剖重建和早期 动员是关节内骨折和某些简单的干phy端骨折（例如前臂）手术的真正目标。 由于固定过于灵活，因此与高应力环境导致的延迟愈合或骨不连贯相比，骨骼生物学或血管异常的困扰要严重得多，而且难以治疗。 与修复简单的肥大性骨不连需要更多的经验和技能，而不是简单的肥大性骨不连，后者仅需要增强的机械稳定性（参见第5.2和5.3章）。 1. 绝对稳定技术的力学 通过使用压缩预紧力和摩擦力可以达到绝对的稳定性。 压缩预紧 压缩可保持两个碎片之间的紧密接触，前提是骨折部位的压缩力超过作用在碎片末端的牵引力（图1.2-9）。对绵羊的研究表明，预紧力（静态压缩）不会产生压力坏死，无论是在方头螺钉还是在沿轴向压缩的板中都没有[23]。即使保持了超负荷的骨骼也没有压力坏死，但可以保持整体稳定性。 摩擦 当断裂面相互挤压时，会产生摩擦。摩擦力抵消了剪切力，因此避免了滑动位移（图1.2-10）。在大多数情况下，剪切源自施加到肢体的扭矩，这比垂直于骨骼长轴的力更重要。 抵抗剪切位移的量取决于压缩引起的摩擦力和接触表面的几何形状（叉指）。对于光滑的骨骼表面，法向力产生的摩擦力小于40％。粗糙的表面可以使碎片牢固地固定和相互交叉，这还可以抵消由于剪切力引起的位移。 2. 植入物滞后螺丝 方头螺钉是一种仅通过加压即可稳定骨折的植入物（请参阅第3.2.1节）。应用方头钉仅在远端皮层中购买，并且线和螺钉头之间的近似导致两个皮层之间的碎片压缩。因此，位于远皮层和近皮层之间的骨折被压缩，并且通过预紧力和摩擦力获得了绝对的稳定性。 体内实验表明，方头螺钉可以产生高压缩力（> 2,500 N）（图1.2-11），该压缩力的维持时间超过骨折愈合所需的时间。与板产生的压缩相反，方头螺钉产生的压缩在裂缝内部发挥了最佳作用（请参见第3.2.2节）。 图1.2-9a–b通过应用片段间压缩来稳定。只要产生的压缩力大于功能产生的任何牵引力，预压就可防止骨折碎片移位并获得绝对的稳定性。 图1.2-10通过使用片段间压缩（绿色大箭头）产生摩擦来稳定。只要摩擦力大于趋向于沿骨折平面移位骨折的力，要么是由施加的扭矩产生的切向力（红色箭头），要么是垂直于长骨轴的力（绿色小箭头），保持绝对的稳定性。 用动态压缩螺钉固定板的原理相同。 |
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