骨折治疗的AO原则【005】

发表时间:2018-12-21 11:11

《原则篇—AO理念和基本原则》【005】



一、总体要求



  • 内固定材料的选择仍主要是金属。金属具有高刚度和高强度以及良好的韧性,而且通常有较好的生物耐受性。


内植物的材料包括不锈钢( ISO 5832 一1 ) ,商用纯钛( cpTi )( ISO5832 -2) ,或铁合金如钛铝铌合金(TAN)( ISO 5832-11) 。新型的钛合金如钛钼合金( Ti - 15Mo )( ASTM F2066) 已经用于某些特定的情况。陶瓷、聚合物、碳化合物和可降解材料也已经投入使用,但主要用于某些特殊条件下 。它们通常用于不需要承受高负荷的部位,除非与金属内植物同时使用。


用于制造内植物的材料必须符合一些基本要求:可靠的功能和最小的副作用是最重要的两条,其重要性不相上下。其次是良好的可操作性。材料特性的选择和内植物的设计必须满足几项有冲突的要求。本节的目的是介绍材料选择和内固定装置设计的一些基本原则。


二、材料特性



(一)刚度


刚度是金属抵抗变形的能力,其衡量方法是外在负荷大小和所引起的弹性变形大小的关系。金属的基础刚度即是其弹性模量。而内植物的刚度取决于其自身的弹性模量和内植物的形态与直径。例如,cpTi 的弹性模量约是不锈钢的一半,因此在相同的负荷下,其变形程度为不锈钢的2倍(图1-3-1) 。然而,内植物的体积同样重要:增加标准cpTi 钢板的厚度几个毫米,则可增加其弯曲刚度。骨折的发生也可以理解为骨折刚度连续性的丧失。



  • 接骨术是l临时重建骨组织的刚度; 而骨折愈合则是永久性地重建骨组织的刚度。


当我们需要用内植物(髓内钉、钢板或外固定架)来跨越骨折时,内植物的刚度必须足以对抗骨折部位的畸形。为保证骨折愈合,内植物必须使骨折端的活动降低到骨折愈合允许的条件下。肉芽组织和软骨性骨痂形成环境的变形程度(应变) ,要大于最终矿化阶段的应变,因为骨组织耐受应变的能力要小于肉芽组织(骨皮质约为2% ,软骨为15% , 而肉芽组织为100 % )(参阅第一章第二节和第三章第三节) 。

在过去一段时间,研究者曾尝试利用塑料或增强的碳化合物等材料来制造出与骨组织刚度相似的内植物 。这些内固定可减少由于刚度过高引起的应力遮挡, 金属替骨组织承受了所有应力。但是,低刚度的内植物不能符合达到生物学优点和机械力学优点平衡的要求。


  • 低刚度的内植物可减少, 但不能避免应力遮挡。


研究认为,与内植物接触面骨组织早期暂时的骨质疏松并不取决于无负荷(应力遮挡) , 更主要是由内植物对血运的破坏所引起的。



(二)强度


强度是材料在不发生形变的情况下对抗外负荷的能力。因此,强度决定了内植物所能承受负荷的大小。在金属断裂前可能发生不可逆的形变(也称之为塑性形变)。同理,内植物的尺寸要比材料的强度更为重要。cpTi 的强度约比不锈钢低10%(表1- 3- 1 ),但通过增加内植物的横截面可以代偿材料强度的差别。强度决定了所能承受应力(单位面积上的压力)的最大值,超过该值则可引起变形。


  • 就内固定而言,关键的问题是内植物耐受重复负荷的能力。重复负荷可引起内植物疲劳失效。


( 三)韧性


材料的韧性反映的是在其发生断裂之前,所能承受的持久(塑性)变形程度。


  • 材料的韧性决定了内植物, 如钢板, 可被进行塑形的程度。


总体上来说,强度高的材料如钛合金和高级冷加工的cpTi , 其韧性要低于不锈钢。韧性可以为内植物的即将发生断裂提出警示,如在拧入螺钉时。根据国际标准, 一个4.5 mm 皮质骨螺钉( IS0 6475 )必须能耐受180度的弹性或永久性变形而不发生断裂(图1 -3-3) 。但是, 由于cpTi的韧性差,因此其断裂前的征象不明显,这就要求外科医生必须有足够的经验以指导不同的操作技术。cpTi 低韧性的问题可以通过改进内植物的设计来弥补。在一项临床试验中,作者观察了2000多个PC-Fix 锁定头螺钉的使用情况,无1例在拧人时或拧入后发生断裂 。这表明,内植物材料的选择必须与设计相匹配。




(四)抗腐蚀性


  • 腐蚀是一种电化学过程, 通过使金属释放金属离子而造成金属的破坏。


单一组件的内固定系统与多种内植物组合的内固定系统所受的腐蚀作用有所不同。不锈钢、cpTi 、TAN 以及Ti- 15Mo ,如果以单元件进行测试(如仅为螺钉或钢板而不是两者的组合) , 即使在体液环境中,均具有较高的抗腐蚀性。这是由于在其表面覆盖有一层惰性的保护层。铁和铁合金的化学惰性更为明显。钛和其合金在表面形成的氧化物钝化薄膜的抗腐蚀性和热力学稳定性要明显强于不锈钢表面形成的铬氧化物薄膜。钛表面的化学惰性层形成速度快,而且是电绝缘的,因此内固定没有受到腐蚀(图1 -3-4) 。由于cpTi 、TAN 和Ti-15Mo 的极化曲线相似,因此可将其联合应用于多组件装置中,而不会发生电化腐蚀。过去曾成功用于制作单元件内植物的钴合金,目前已经很少用于制作内植物了,正是因为其与不锈钢合用时可能会发生电化腐蚀。



  • 腐蚀是个物理过程,其结果是使内植物表面结构逐渐降解, 其释放的金属碎屑可小至几个纳米。


在骨科学中,最主要的腐蚀是发生在组合式内植物系统中(如螺钉头相对于钢板钉孔的移动)的侵蚀。腐蚀主要是伴随着两个邻近内植物接触表面微移动而发生的。其结果是亚微型的粒子被释放到周围的组织中。磨损的颗粒可引起一系列的临床症状。试验获取的不锈钢、cpTi 和Ti - 15Mo 碎屑,在体外试验中均可引起巨噬细胞的反应而发生吞噬作用。即使是颗粒与细胞不发生直接接触时,不锈钢颗粒同时也会抑制细胞增殖, 还可以造成细胞膜的损害。当两个cpTi 内植物在外负荷下产生相对运动时, 可在其局部的周围组织内发现由于磨损产生的金属碎屑(颗粒的直径通常大于10μm ) ,使组织发生无害性的褪色。在远离内植物的其他部位也可发现不锈钢碎屑,提示着其可在体内进行扩散。当不锈钢发生磨损时,其产生的颗粒直径小于0 .5 μm ,容易从内固定的部位被转运到其他部位。如果是亚微型的钛颗粒从内固定部位被转运到其他部位,由于其具有很好的生物兼容性,不会引起局部组织的反应。目前为止,还没有文献报道在远离cpTi内植物的部位发生组织反应。对于弹性内固定, 由于可能会发生移动和磨损,故最好选择钛或铁合金材料的内植物。



(五) 表面结构


  • 当内植物置入体内后, 常常在几分钟之内即可发生蛋白质的吸附和细胞粘附,紧接着软组织或基质在矿化之前即发生粘连。如果没有蛋白质的吸附和细胞粘附, 在存在微运动时,可形成纤维被膜。


骨组织与内植物之间接触面的稳定,是内固定接骨术成功的关键,如螺钉内固定。内植物与骨组织接触面的表面结构非常重要,因为负荷的传导发生在接触面上。传统上, 内植物如钢板或髓内钉与骨组织负荷的传导有赖于内植物与骨组织之间的摩擦力。利用家兔的体内试验表明(图1-3-5 ) ,对不锈钢钢板表面进行粗糙化改进后,可以诱导更多的骨组织向内植物平面生长,而内植物与骨组织之间不存在纤维组织。以上结果支持了增加内植物表面突起性微不连续性,可以加强骨组织与内植物平面接合的假想。当考虑到内植物需要取出时,螺纹与骨组织之间的坚强骨性连接是一个不利条件,而后者正是取决于螺纹表面的微结构。使用最小限度表面微结构的内植物可使骨性连接最小化,从而减少螺钉取出所需的外力。


软组织与内植钢板表面之间的相对活动, 可在它们的间隙中形成纤维囊,囊内为液体空腔。液体空腔是由细胞碎屑和螺钉/钢板的磨损颗粒集聚而成。纤维囊内没有血运,由于缺乏活性细胞的防御机制,容易成为感染灶。


在临床实践中,纤维囊的形成在标准不锈钢内植物中比在cpTi 内植物中更为常见(图1 -3- 6 ) 。


内植物微观表面的粗糙或不连续性减少了纤维包囊和液性空腔的形成。然而在一些条件下,如手部、足部、踝关节、肩关节、颅颌面手术中,则需要避免内植物表面与组织如肌腱或肌肉的粘连。近期的研究表明,磨光的钛和钛合金内植物适用于这些部位。内植物表面的微观结构比内植物表面的化学特性更为重要。



(六)磁共振成像(MRI) 兼容性


AO 认可的内植物[ 材料为cpTi 或者钛合金( TAN 和Ti - 15Mo ) 1 是完全没有磁性的, 植入此类内植物的患者可进行MRI 检查。与包括低镍钢在内的不锈钢类内植物相比,上述材料的MRI伪影更少。AO 认可的内植物材料316 L 不锈钢是顺磁性或非铁磁性材料。对体内有上述内植物的患者进行MRI 检查是安全的。


  • 所谓的MRI 安全指的是内植物可以在MR扫描仪内或附近使用而对患者不造成危害,但可能会影响成像的质量。所谓MRI兼容是指内植物除了安全外,不会对诊断的图像形成干扰。外固定架可含有磁性零件, 这是MRI 的禁忌。




本文章纯作学术指导之用。



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