松质骨拉力螺钉骨-钉界面稳定机制及其在优化置钉方案中应用的生物力学研究

AO cancellous bone lag screws are widely used on treatment for joint internal fracture fixation. Currently, most of operator mainly depends on his insertional experiences of inserting torque to evaluate the situation of screw tightening, but the variation is large and there is no accepted predictors can accurately reflect the instantaneous state of screw nailing and be used to guide the tightening procedure. So, screw insertion failure often happen due to screw stripping on the tightening procedure by hands. The stability of screw-bone interface is the base of screw stability, but unfortunately the mechanism of stability on screw-bone interface is unclear. The preliminary work of this project has revealed the optimum region of pull-out strength and interfragement pressure, and this region could represent the maximum stability of screw and the effective method to confirm this region has been found. Depend on the previous results of this study, first of all, this project would use artificial cancellous bone with uniform bone mineral density to determine territory of the best stability status on bone-screw interface to illuminate the mechanism of screw stability on tightening procedure. Then, the fresh human cancellous bone are used to determine the accurate numerical prediction index to guide clinical lag screw insertion. Following with the predictor and the mechanism of screw stability, the optimum screw insertional protocol is determined with verification test of fatigue test. The optimum AO cancellous lag screw insertional protocol could guide clinical screw inserting more accurately is determined finally.

松质骨拉力螺钉是用于关节内骨折内固定治疗的常规医疗器械。目前大多数置钉者主要依赖其感觉到的置钉扭矩来评估置钉状态，但扭矩在实际应用中具有较大变异性，且缺乏稳定的置钉预测指标用于指导临床置钉，因此手动置钉常发生螺钉滑脱而导致置钉失败。拉力螺钉骨-钉界面的稳定是螺钉稳定的基础，但目前对其稳定机制尚不明确。本项目的前期工作已揭示抗拔出力和加压力两者在螺钉紧固过程中存在一个可代表螺钉最佳稳定状态的区域，并且已发现确定此区域的有效方法。由此，本课题拟首先利用密度均匀的人工松质骨确定拉力螺钉骨-钉界面最佳稳定状态的分布情况及其影响因素，从而阐明骨-钉界面的稳定性机制，然后将拉力螺钉置入不同密度新鲜人体松质骨，确定各密度下其骨-钉界面最佳稳定状态所对应置钉预测指标，以置钉预测指标为依据同时结合骨-钉界面稳定机制对当前置钉方案进行优化并进行疲劳验证，最终提出可指导临床准确置钉的优化置钉方案。

骨科松质骨拉力螺钉是目前应用于关节内骨折内固定治疗的常规医疗器械，虽然其在临床应用中效果较好，但依然会在术后远期发生拉力螺钉松动乃至脱出等器械失效的并发症，导致内固定失败需进行翻修手术，造成额外医疗负担。本研究的结果显示：拉力螺钉置入后产生的骨折块间加压力和拉力螺钉的抗拔出力之间，在不同的置钉阶段中存在较规律性的变化关系，根据骨科拉力螺钉的基本原理和相关研究进行分析，可认为此变化关系中的某些关键节点状态是维持拉力螺钉置入后钉-骨界面稳定的最佳状态，也可被认为是拉力螺钉的最佳置入状态。因此，本研究中对此关键节点状态进行定量分析研究，以期获取不同骨质环境中的拉力螺钉置入最佳状态并确定其置入参数，从而为临床工作中拉力螺钉的应用提供参考和借鉴，并尽可能降低拉力螺钉置入后发生远期失效的问题。本研究中，1 首先利用密度较均匀的人工松质骨进行拉力螺钉的置入及紧固实验，对加压力和抗拔出力之间的曲线进行细化完善，确定此曲线中两个力之间的变化关系；2 利用有限元分析方法对拉力螺钉的紧固过程进行模拟，从而获取骨性钉道在紧固过程中的变形情况及受力分布情况，从而为拉力螺钉的性能改进提供直接理论和实验依据；3 将第一步中获取变化关系进行分析，由变异性的数据得到置钉旋转角度优于置钉扭矩的结论。4 然后对不同骨质环境中的最佳置钉角度进行针对性小范围测试，从而获取不同骨质环境中的最佳置钉角度，并以此置钉角度作为置钉标准进行置钉，分别进行疲劳测试，以确定其置钉预测指标的有效性和准确性；5 最终，利用新鲜人体胫骨平台部位松质骨进行置钉测试，获取各骨密度对应最佳置钉角度和最大置钉角度的线性定量关系。本研究结果为部分螺纹松质骨拉力螺钉的临床置钉提供直接参考，是临床标准化置钉程序的基础，为皮质骨螺钉等骨科螺钉研究提供可借鉴的方法，为减少人工置钉的学习周期乃至自动化置钉提供基础，也为拉力螺钉的优化提供了研究基础。