新型结构起子杆及反螺纹取出螺钉的力学性能测试

李超艺，刘立柱，吴国志，张 伟，宋世锋

海南医学院第二附属医院骨科二区 海口 570311

骨折指骨结构连续性断裂，可由直接或间接暴力引起，随着我国交通运输业高速发展，骨折发生率明显增加。另外由于现代社会生活工作方式的改变，人们长时间保持相同姿势，引发积累性劳损，骨折问题出现年轻化趋势[1-2]。复位是骨折重要治疗方法，为保持复位后骨折部位的稳定性，常需采用钢板、螺钉、夹板、石膏、支架等内外固定工具，它们在提高骨折治愈率方面发挥重要作用。螺钉是骨折常用内固定材料，根据尖端设计不同可分为自攻螺钉、自钻自攻螺钉、锁定螺钉、空心螺钉、拉力螺钉等类型[3-4]。临床实践中发现，由于螺钉材料等问题，可能出现无法正常取钉现象，对骨科医师是一个非常棘手的难题。为减少螺钉无法取出造成的医源性损伤，作者研发设计一款新型取钉起子杆和反螺纹取出螺钉，分析其力学性能，为临床医生提供新的解决方案。

1 材料与方法

1.1器械结构及组成本套器械中螺钉在自攻型锁定螺钉基础上改造而成，螺帽部分为沉头孔结构，上部加工有反螺纹，下部呈内六方、内四形或梅花形结构。新型结构起子杆为反螺纹取出螺钉的配套器械，头部带有螺纹，尾部设有把握杆，用激光焊接，氩氟焊后抛光平整；把握杆与杆身垂直，整体呈T字形，可以两手同时把握，便于施加作用力。该螺钉在旋入时使用普通螺丝刀嵌合其内多边结构，在旋出时使用配套新型结构起子杆旋入沉头孔的反螺纹结构，嵌合紧密后旋转起子杆旋出整个螺钉。螺钉的旋入、旋出使用沉头孔内不同结构，防止螺钉旋出时打滑。

1.2测试模型制作及分组12个成人新鲜股骨标本由海南医学院人体解剖学教研室提供。均为男性，年龄26～39岁，测试前经美国好乐杰公司生产的Hologic Discovery Wi型双能X射线骨密度仪测量标本骨密度，确认无骨质疏松、骨骼畸形、骨折等病变后，用双层塑料袋封装于-20 ℃冰箱内保存。12个股骨标本采用随机数字表法将其分为实验组与对照组，每组6个股骨标本。

1.3两组压缩载荷-位移比较标本自然解冻后，清除附着软组织，在股骨颈中部锯断，造成颈型股骨颈骨折。两组均模拟股骨颈加压螺钉单钉固定，实验组使用反螺纹取出螺钉，对照组使用自攻型锁定螺钉，规格均为5 mm×85 mm。采用济南恒旭实验机技术有限公司生产的HDW-10型电子万能实验机，利用载荷传感器与电编码器完成载荷-位移实验，所有股骨标本依次从0.1 kN至0.6 kN持续施压，计算机自动输出实验结果，获得0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 kN载荷条件下的位移值。

1.4两组最大扭矩、最大扭角及功耗比较将标本自然解冻，清除附着软组织，骨髓腔内灌注骨水泥，参照临床手术方法进行置钉与取钉。两组股骨各置入10枚螺钉。置钉时，实验组使用SW 3.0起子杆拧入反螺纹取出螺钉(5 mm×42 mm)，对照组使用SW 3.5起子杆拧入大博医疗科技股份有限公司生产的自攻型锁定螺钉(5 mm×42 mm)。实验组使用新型结构起子杆取出螺钉，对照组使用SW 3.5起子杆取出螺钉。在电子万能实验机上夹住标本，进行抗扭、旋出实验，测量取出螺钉时最大扭矩、最大扭角以及螺钉旋出时功耗大小。

1.5两组扭转性能测试取10枚反螺纹取出螺钉设为实验组，型号均为5 mm×85 mm，起子杆为新型结构起子杆；取10枚自攻型锁定螺钉设为对照组，型号均为5 mm×85 mm，起子杆为SW 3.5起子杆。取实验组与对照组各5枚螺钉行置钉扭转性能测试，两组剩余螺钉行取钉扭转性能测试。采用深圳三思纵横科技股份有限公司生产的TTM102B型电子扭转实验机，扭力测量范围0～100 N·m，载荷精度为0.5级。①置钉扭转性能测试：使用螺纹夹具对螺钉进行预紧固定，固定时螺钉露出5圈螺纹，然后将螺钉连同螺纹夹具一起固定在电子扭转实验机上。在机台另一端固定相对应的起子杆。通过旋转卡盘调整角度使螺钉与起子杆吻合。按临床置钉方式，以3 r/min的恒定速度沿顺时针进行加载，直至样品出现松动、变形或断裂。②取钉扭转性能测试：使用螺纹夹具对螺钉进行预紧固定，固定时螺钉露出5圈螺纹，然后将螺钉连同螺纹夹具一起固定在电子扭转实验机上。在机台另一端固定相对应的起子杆。通过旋转卡盘调整角度使螺钉与起子杆吻合。按临床取钉方式，以3 r/min的恒定速度沿逆时针方向进行加载，直至样品出现松动、变形或断裂。分别记录置钉与取钉的失效扭力。

1.6统计学处理采用SPSS 20.0进行数据分析。两组间压缩载荷-位移的比较采用重复测量数据的方差分析；两组间最大扭矩、最大扭角及功耗、置钉与取钉失效扭力的比较均采用两独立样本的t检验。检验水准α=0.05。

2 结果

2.1两组压缩载荷-位移比较结果见表1。

表1 两组压缩载荷-位移比较 mm

F组间=0.346，P=0.570；F载荷=3.687，P=0.006；F交互=0.092，P=0.993

2.2两组最大扭矩、最大扭角及功耗比较结果见表2。实验组最大扭矩、功耗大于对照组，最大扭角小于对照组。

表2 两组最大扭矩、最大扭角及功耗比较

2.3两组置钉与取钉的失效扭力比较结果见表3。实验组置钉与取钉的失效扭力均低于对照组。

表3 两组置钉与取钉的失效扭力比较 N·m

3 讨论

随着我国城市化进程加快，因交通事故、劳动意外损伤等造成的骨折患者日益增多。复位内固定手术可以使骨折断端重建原有解剖关系，尽可能恢复肢体功能。钢板与螺钉是内固定术常用器械与材料，近几十年来新材料的研制与技术发展，使骨骼重建效果得到极大改善[5-7]。但部分患者在骨折愈合后拆除钢板与螺钉时出现打滑、断裂等问题，不仅无法及时取出螺钉，还可对患者造成二次损伤。以往研究[8-9]发现，螺钉在骨折患者体内存留时间较长，受应力遮挡影响，螺钉发生不同程度变形、滑丝，导致其无法正常取出。另外螺钉质量不佳、医师操作失误、患者术后过早运动锻炼等均可引起螺钉发生不同程度变形。由于常规方法无法整体取出螺钉，因此临床多采取工程学方法，利用骨钻等工具去除螺钉周围骨质，以创造足够取出螺钉的间隙[10-12]。但这些操作都不可避免地对患者骨组织、骨结构造成破坏，给患者带来痛苦，甚至引起医疗事故，造成医疗纠纷。因此设计与制作一种便于取出的螺钉及其配套取钉器械具有重要的临床意义。

为解决螺钉打滑后取出问题，以往研究[13-14]主要集中在取出方法上。而作者转变思路，改变螺钉结构，在总结临床经验与以往科研成果的基础上，在5 mm自攻锁定螺钉的基础上更改钉头结构，研发出反螺纹取出螺钉。该螺钉的螺帽部分加工有反螺纹结构，旋入时使用内六角结构，在旋出时使用反螺纹结构，打破了现有螺钉用同一结构旋入及旋出的传统，可更好适应旋入与旋出不同力学需求，目前已获得中国实用新型专利与日本发明专利授权。反螺纹取出螺钉通过螺纹与新型结构起子杆连接，不需要垂直方向加压，取钉时不会出现晃动，可预防滑脱现象，操作过程流畅且简易，降低了取钉难度，为小切口经皮取钉提供了条件。初级医师无需复杂培训与专业知识学习即可快速掌握反螺纹取出螺钉应用方法，在某些条件下医师甚至可独立完成。同时该螺钉材料常见，制作成本低廉，在推广与使用方面具有一定优势。

本研究采用载荷-位移实验评估反螺纹取出螺钉在相同压力作用下发生的变形程度，结果显示，实验组与对照组在不同载荷条件下位移比较，差异无统计学意义，证实反螺纹取出螺钉和常规螺钉抗压、抗弯能力较为接近，不易造成植骨部位破坏，具有较佳稳定性。本研究结果还显示，实验组股骨最大扭矩大于对照组，股骨最大扭角小于对照组，说明新型结构起子杆及反螺纹取出螺钉起动螺钉幅度小，较轻松。螺钉旋出过程中对骨端造成的破坏作用，主要由扭转剪应力和正应力引起。相关研究[15-16]显示，螺钉与骨密度不同，弹性模量存在较大差异，因此拔出螺钉的动能以应变能形式贮存于骨弹性体中，在拔出螺钉时能量得到释放。本研究结果显示，实验组股骨螺钉旋出时功耗高于对照组，提示新型结构起子杆及反螺纹取出螺钉可以高功耗地断钉、弯钉和打滑螺钉。从置钉扭转性能测试的结果可以发现，虽然反螺纹取出螺钉由于减小了钉头六角的尺寸及器械配合长度，一定程度上影响了置钉扭转强度，但是其失效扭力仍远高于临床置钉配用扭力。在取钉过程中，由于骨痂、软组织及非直视情况下操作等问题导致起子杆与钉头没有完全配合，是发生钉头滑牙现象的主要原因。在取钉扭转性能测试中，虽然新结构起子杆与反螺纹取出螺钉的配合强度略低于原结构，但带锥形的新结构起子杆具备普通六角和星形起子杆所没有的自攻性能和器械配合的简易性，这可以在很大程度上避免由于软组织、骨痂和操作带来的取钉滑牙问题。

综上，反螺纹取出螺钉由传统的旋入、旋出均为同一结构，改为旋入、旋出分不同结构进行，配合新型结构起子杆可以为临床医生拆除螺钉提供便利，减少医源性损伤。