第一跖跗关节骨折脱位三种内固定对骨面应力传导变化的
生物力学研究
余 霄1，俞光荣2，庞清江1，伊力哈木·托合提3
[摘要]目的: 测量第一跖跗关节骨折脱位三种内固定对骨面应力传导变化，为选择内固定提供参考。方法: 取6具新鲜足标本，制成第一跖跗关节骨折脱位模型，依次进行3.5mm全螺纹皮质骨螺钉，1/4管型钢板及加压骑缝钉固定。经加载600N后，通过电阻应变片法测量第一跖骨基底及内侧楔骨的应变。另选取健康男性志愿者1名，经有限元建模软件建立第一跖跗关节骨折脱位模型，并依次模拟螺钉、钢板、骑缝钉固定，模拟600N加载，观察内固定上的应力分布。结果：第一跖跗关节骨折脱位分别进行螺钉，钢板及骑缝钉固定后，第一跖骨基底及内侧楔骨的应力都将减小；其中，钢板与螺钉固定后的应力较骑缝钉固定后的应力更小，差异有统计学意义（P＜0.05）。而有限元分析显示，螺钉固定应力最集中，并在中部表现出较高的应力；而钢板和骑缝钉应力则较为分散，最高应力也较螺钉小。结论：第一跖跗关节骨折脱位会引起中前足应力传导障碍。从应力传导角度看，钢板或螺钉固定比骑缝钉更能表现出较明显的应力遮挡效应，有利于骨折脱位的早期愈合，但螺钉由于应力较为集中，负重前要及时去除。
[关键词] 跖跗关节，骨折脱位，内固定，应力，生物力学
The Stress Conduction changes of the First Tarsometatarsal Joint Fracture-Dislocation Fixation by Three Different Internal Implants: A Biomechanical Study
[Abstract]: Objectives: To measure the changes of stress conduction on the first tarsometatarsal joint fracture-dislocation by three different implants to provide reference in selecting implants. Methods: Six fresh foot specimens were made into the models of the first tarsometatarsal joint fracture-dislocation, which were fixated with 3.5 mm cortical screw, 1/4 tubular plate and
compressive staple in turn. After 600N loading, the strain at the base of the first metatarsal and
the medial cuneiform was measured by the resistance strain gauge. In addition, one healthy male volunteer was recruited and the first tarsometatarsal joint fracture-dislocation model was established by the finite element software. The fixation of screw, plate and staple were simulated under the 600N loading to observe the stress distribution of implants. Results: After the fixation of the first tarsometatarsal joint fracture-dislocation by screw, plate and staple respectively, the stress was reduced at the base of the first metatarsal and the medial cuneiform, among which the
stress by plate and screw become smaller than by staple and the difference was statistically significant(P＜0.05).The finite element analysis demonstrated that the stress of screw fixation was the most centralized and showed higher stress in the middle part; on the contrary, the stress of plate and staple was decentralized and the highest stress was also smaller than that of screw. Conclusions: The first tarsometatarsal joint fracture-dislocation will cause the disorder of the stress conduction in the foot. From the view of the stress conduction, the plate and the screw fixation shows more obvious stress shielding effect than the staple, which is beneficial to the early healing, however, since the stress of screw is comparatively centralized, it should be removed in time before weight-bearing.
Key words: tarsometatarsal joint, fracture-dislocation, implant, stress, biomechanics
第一跖跗关节是足内侧柱的重要组成部分，其完整性对足弓的维持具有重要的意义。人体在站立时，第一跖列可承受约60%的体重，而运动时最高能承受约8倍体重的负荷，说明第一跖跗关节在解剖结构上具有相当的稳定性1。根据足部三柱理论，第一跖跗关节损伤后应选择坚强固定，而一旦内固定选择不当，则引起足部局部的生物力学环境改变，出现内固定断裂、复位丢失、畸形愈合等并发症2,3。
虽然目前有螺钉、钢板、骑缝钉、克氏针等多种材料适合固定跖跗关节，但关于这些材料的生物力学比较却并不多见，研究的模型多为单纯韧带损伤的模型，研究指标也仅限于关节面的位移，极限载荷等
4,5
。事实上，高能量的跖跗关节损伤，临床上并不少见，常表
现为多个跖跗关节骨折脱位，治疗时强调恢复中足的力线，确保中前足应力传导的顺利进行。但在目前的治疗过程中，大多数医生只重视骨折端和关节面的平整，很少会注意到应力传导异常也是手术失败的重要原因。
鉴于此，本实验选取了第一跖跗关节骨折脱位的模型，对螺钉，钢板，骑缝钉固定下的骨面的应力传导变化和内固定上的应力分布进行研究，为第一跖跗关节损伤内固定的选择提供实验依据。
国家自然科学基金面上资助项目 项目编号：81372011
作者简介：余霄，男，1982年出生，浙江宁波人，博士，主治医师，研究方向足踝外科。 作者单位：1. 宁波市第二医院骨科；2. 上海同济大学附属同济医院骨科；3. 新疆医科大学第二附属医院骨科
通讯作者：俞光荣，教授，主任医师，博士生导师。Email：yuguangrong@hotmail.com 电话：13901682246
一、 材料与方法
1、研究对象
选取新鲜足标本6具（同济大学医学院提供），所有标本均无足趾缺损，无肌肉、韧带和肌腱的损伤及挛缩等病态，经X线检查，排除骨折、肿瘤、结构性畸形及骨质异常等骨骼疾病。另选取健康成年男性志愿者1名，无下肢疾病史，足部行X线检查，无阳性发现。
2、 实验设备及器材
2T扭拉负荷试验机（长春机械科学研究院有限公司）；静态应变测试仪（江苏东华测试技术公司）；微型箔式电阻应变片（中航电测仪器公司）；LightSpeed16排螺旋CT（GE公司，美国）；惠普Z800高级计算工作站；有限元建模软件Mimics 12.0（Materialise公司，比利时）；Solidworks 2010软件（Dassault Systemes SA公司，美国）；有限元分析软件Ansys l3.0（ANSYS公司，美国）。
3、 内固定材料
6孔1/4管型钢板（康辉医疗器械公司）、?3.5mm全螺纹皮质骨螺钉（Synthes公司，瑞士），CHARLOTTETM加压骑缝钉（Wright公司，美国）。
4、 实验方法
4.1 标本生物力学 4.1.1 标本准备
实验前自然解冻标本，切除小腿，踝周及足背处的皮肤、皮下组织及肌肉，暴露内侧楔骨、中间楔骨、第一、二跖骨及连接内侧楔骨与第一跖骨基底的背侧韧带。选取内侧楔骨和第一跖骨基底部的背侧骨面平坦处作为电阻应变片的粘贴部位，粘贴方向与骨骼纵轴平行（图1）。电阻应变片通过导线焊接后连接到静态应变测试仪上。完成操作后，将踝关节置于跖屈30°位固定，然后将标本倒置于标本固定盒内，用牙托粉包埋后，将标本固定盒置于扭拉负荷试验机的底座上固定。调节试验机顶端压板的位置，保证加载时压板仅与前足接触（图2）。
图1 电阻应变片的粘贴和焊接 图2标本置于踝关节跖屈30°位固定下加载 4.1.2 工况设置和数据采集
对标本测试分5个工况：工况1：骨－韧带结构完整状态；工况2：第一跖跗关节骨折脱位；工况3：用一枚?3.5mm全螺纹皮质骨螺钉固定第一跖跗关节；工况4：用一块6孔1/4管型钢板固定；工况5：用一枚加压骑缝钉固定（图3）。其中，第一跖跗关节骨折脱位模型参照Alberta的方法4，先切断连接内侧楔骨与第一跖骨基底部的背侧韧带和跖侧韧带，造成脱位模型；然后再沿第一跖骨基底部关节面截骨，造成第一跖跗关节的关节内骨折模型，每具标本截骨的方向均保持一致。
每个工况都保持从0N～600N匀速加载。每一工况加载前先对电阻应变测试仪进行调零，并设定正值为拉应力，负值为压应力。数据采集时设定连续采集三次取平均值，记录300N和600N载荷时的应变值。当一个工况完成加载及数据采集后，即对标本进行下一工况的处理，直至工况全部完成，再开始下一个标本的测试。
图3建立第一跖跗关节骨折脱位模型，并分别用螺钉，钢板，骑缝钉固定 4.2 有限元分析 4.2.1 建立有限元模型
对志愿者行足踝部的CT扫描，将获得Dicom标准的图像导入Mimics12.0软件进行足部各个骨性结构和足外表面的三维几何重建，得到包括23块骨骼以及周围软组织在内的有限元
模型，韧带和跖腱膜由其在骨骼上的附着点连线定义。骨骼材料参数定义为弹性模量7300MPa，泊松比0.3。韧带材料参数定义为弹性模量4000MPa，泊松比0.3。软组织定义为超弹性材料6。在Solidworks 2010软件中将模型第一跖跗关节的跖侧和背侧韧带切断并切割第一跖骨基底部，造成第一跖跗关节骨折脱位。 4.2.2内固定的置入
内固定通过Solidworks 2010软件建模，然后将内固定模型和足模型进行三维配准，通过设置“Embeded”，即完成内固定的置入（图4），骑缝钉的倒钩和螺钉上的螺纹通过设置内固定与骨面的接触关系来实现。钛合金材料的物理属性按弹性模量110GPa，泊松比0.33设置。不锈钢材料按弹性模量200GPa，泊松比0.3设置6。
图4 第一跖跗关节分别进行螺钉，钢板，骑缝钉固定后的三维有限元模型 4.2.2有限元模型的加载
将踝关节置于跖屈30°固定，对足底的后足部分进行全约束，即施加纵向载荷时，除距骨、跟骨的位置固定外，其余足部结构均具有三维活动度，模型可实现生理状态下的内收外展和前后滑移等。假定单足胫骨和外围肌肉上缘承受600N的重力。通过有限元软件分析软件Ansys l3.0计算内固定上的应力分布情况（工况同前）。
5、统计学处理
以均数±标准差（x±s）表示各工况下第一跖骨基底与内侧楔骨的表面应变，用SPSS13.0统计软件进行数据分析，采用单因素方差分析比较各工况对第一跖骨基底和内侧楔骨应变的影响，检验水准为α=0.05。若组间有统计学差异，再进行两两比较。
二、 结果
1.1 生物力学测试结果