从木匠到骨科医师——浅谈骨折固定理念的更新和发展

我是一名骨科医师，我没有做过木匠。这个题目的缘起必须要从我还在协和念书的时候说起。

那时候我还在妇产科做毕业课题，导师是我国著名的妇科肿瘤专家沈铿教授。每逢妇科手术旁边有骨科手术同时进行的时候，即使隔着墙壁也能隐约听到隔壁的电钻、电锯、金属敲击的声音，每逢此时大家会打趣道：「隔壁又在装修了」！

于是 「骨科 = 装修队 = 木匠」的印象就深入我的脑海，而当时醉心于肿瘤学的我，自然对这个科室也有了一丝鄙夷：「肿瘤学是基于现代生物科学知识的，而骨科学是基于牛顿时代便已经成型的力学的」！这是我当时的粗浅认识。

然而，造化弄人，毕业一年后，我自己却成了一名骨科医师。是被逼的么？不！正是一点点深入学习，让我知道了先前认识的偏颇，让我领略了骨科的「美妙」。

骨科医生，究竟是怎么跟木匠划清界限的呢？

外科的祖师爷们想要进行安全的手术，首先免不了的就是麻醉和无菌术。

1846 年美国牙科医师莫顿（Morton）首先采用了乙醚作为全身麻醉剂，此后麻醉技术逐渐完善。

而巴斯德（Pasteur）于 1836 年发现微生物，1867 年英国李斯特（Listor）采用石炭酸溶液冲洗手术器械，并用石炭酸溶液浸湿的纱布覆盖伤口，使他所施行的截肢手术的死亡率自 40% 下降到 15%，从而奠定了抗菌术的基本原则。

这两项重大进展，保证了外科手术的安全性，从而使得手术治疗骨折成为了可能。

那么最早想到用「木匠的手艺」来治疗骨折的又是谁呢？

最早使用钢板螺钉固定骨折，可以回溯到 1886 年，Hansmann 报道了一种用钢板螺钉固定骨折的器械和技术。现代内固定之父（还会有好几个父亲）Albin Lambotte（1866–1955），在十九世纪末提出了骨折固定稳定性的重要性，并且设计了一整套手术器械和钢板螺钉。

另一位「之父」Robert Danis（1880-1962），开始了从木匠到医生的伟大之旅，他仔细研究了骨折的愈合过程，发现如果骨折的两端完全恢复解剖位置，并且在断端施加压力，在愈合的过程中，不会形成骨痂而是直接愈合，这被 Danis 称为「自焊接」，也就是后来所谓的一期愈合。Dannis 提出的解剖复位、断端加压的原则，影响了之后几十年内的骨折固定理念。

图 1. Danis 设计的加压钢板：上图可以见到钢板特写照片的右侧，有一个椭圆形的钉孔和一枚侧方向的螺钉，该钉孔和螺钉被设计用来完成骨折端的加压；下图演示了使用的方法，在骨折的一端（图中左侧）首先固定，在另一侧（图中右侧）首先在椭圆孔靠近右边的位置拧入螺钉，然后拧入侧方螺钉，侧方螺钉会推动椭圆孔内的螺钉，让骨折断端进一步靠拢并产生压力，然后拧入右边的第二枚螺钉完成固定。

在这里我们也可以开始看出骨科医生用钢板和螺钉固定骨折，与木匠用钢板螺钉固定椅子腿是有所区别的，虽然这两者都会关心固定的牢固问题，但是医生所固定的骨骼乃是活物，是会生长的，医生所追求的牢固、稳定是为骨的生长创造条件。因此，除却对固定的牢固性的关心，医生更多的关注于如何能够让骨折更好地愈合。

对于骨折的固定，另外一件很有意义的事情发生在 1958 年，当时 4 名瑞士的骨科医师成立了一个「研究小组」（AO Arbeitsgemeinschaft fur Osteosynthesesfragen，Association for the Internal Fixation，内固定研究协会）。

这是一个集医、教、研、产、商于一体的组织，以医生为主体，从临床出发，本着「骨科临床需要什么，AO 就提供什么」的原则，依托伯尔尼大学解剖系进行了骨折内固定的力学、生物学基础理论研究，依托瑞士的冶金工业等先进技术，研究、制造了一系列的骨科内固定器材，建立教育组织推广先进的内固定方法，同时获得了巨大的经济上的成功。

在 1962 年版本的 AO 出版物上就提出了至今仍广为应用的 AO 原则：解剖复位、坚强固定、保护血液供应、早期功能锻炼。

后面我们可以从 AO 下属的 Synthes 公司一代一代的内固定产品中，看出生物学和生物力学是如何逐渐地占据更重要的位置，如何让骨科的钢板螺钉逐渐地不同于木匠们使用的钢板螺钉。

在 1960 年 AO 就制造了圆形钉孔的钢板，那时候的钢板，可以说跟用来钉椅子腿的差别不大。此后为了实现 Danis 所提出的骨折断端加压理念，AO 设计了带有动力加压螺钉孔的钢板（Dynamic Compression Plate，DCP），利用球形的螺钉尾部和螺钉孔接触时候的挤压作用，完成骨折断端向骨折线的加压，其原理如图 2。

图 2. A：DCP 原理图：DCU 螺钉孔的远离骨折线一侧设置了一个斜坡，当半球形的螺钉尾部随着螺钉逐渐拧入的时候，会挤压该斜坡，螺钉会带着骨块有一个水平的滑行，该距离为 1 mm；B：DCP 钢板使用方法：首先在骨折一侧拧入一枚螺钉，然后在骨折线的对侧，偏心地拧入第二枚螺钉，利用螺钉对钢板的挤压，完成骨折断端加压。

这是一个漂亮的根据临床提出的问题指导器材改进的范例，这样的进步从来没有停止过。

截止到 1980 年左右，所有的钢板都是利用了 F =μN 这个著名的摩擦力公式，将螺钉对钢板和骨的压力转化为钢板与骨之间的摩擦力，从而完成固定的。

然而 Perren 等人研究发现钢板底面对骨的压力和对骨膜表面血供的破坏作用会导致钢板下方的骨坏死。通过这个公式我们可以发现，摩擦力与压力成正比，与摩擦系数相关，但是同接触面积的大小是没有关系的，因此对钢板的底面又做了重要的修饰，减少了钢板和骨骼表面接触的面积，从而减少了这种医源性的骨坏死。

这样在 1981 年推出了新的有限接触动力加压钢板（limited-contact dynamic compression plate，LC-DCP），减少了接触面积，保护了更多的骨组织，如图 3。

图 3. 左侧为 DCP 钢板，底面的红色为钢板与骨表面接触的面积；右侧为 LC-DCP 钢板，可见红色的接触面积大为减少。

如果说前面的是一次次的进步，后面的这一次应该被称做一次飞跃。

此时临床上发现钢板和螺钉之间的角度是可以变化的，这带来了一个问题，那就是当一个弯曲的力作用于骨和钢板，随着螺钉的螺纹把持的骨骼失效，螺钉会像翘起的汽水瓶盖子一样被钢板拔出，从而造成固定失效，特别是骨质疏松的老年患者，更容易发生这种现象，成为了内固定的一个难题。

在 1970 年代，波兰人最早制作了一种外固定钢板，钢板放置在皮肤外，具有带螺纹的钉孔，螺钉尾部有螺纹与之匹配，这样的钢板螺钉系统具有角稳定性，获得了良好的效果。

AO 借鉴了这个设计，将它用在了内固定钢板的设计上，由于钢板和螺钉之间成角稳定，该钢板彻底摆脱了 F =μN 这个公式的魔咒，从此不需要对骨表面产生任何压力，因此只需要点状的接触维持旋转稳定即可，该钢板被称为点状接触钢板（Point Contact-Fix，PC-Fix）。该钢板实际上是一种内固定支架，力通过螺钉、钢板传递到骨折的另一端。

图 4. A：点状接触钢板（PC-Fix），钢板有螺纹与螺钉尾部的螺纹相匹配，实现钢板和螺钉之间的角度稳定；B：PC-Fix 钢板底面与骨表面接触更少，仅红色的点状区域。

图 5. A-B：DCP 钢板与螺钉角度不固定，弯曲应力作用下螺钉把持失效后被依次拔出；C-D：锁定钢板与螺钉角度固定，弯曲应力作用下，螺钉必须切割更多的骨组织才有可能被拔出，因此抗拔出能力更强。

图 6. A：DCP 钢板螺钉通过钢板与骨之间的压力完成固定；B：锁定钢板不需要同骨接触，通过支架的作用完成固定。

此后 AO 又对 PC-Fix 做出了多种改进，包括 2002 年研制了集合两种钢板优势的锁定加压钢板（Locking Compression Plate，LCP），通过一个一个葫芦形的结合孔，囊括了两种固定方式的优点，让医生可以更灵活的选择固定方法。同时为了克服锁定钢板螺钉方向过于单一，不能适合特殊部位骨骼形态的弊端，开发了多角度锁定钢板（Variable Angle LCP，VA-LCP），让螺钉可以在±15 度的范围内由医生选择更合理的角度。

图 7. A：LCP 钢板使用了葫芦形的结合孔，既可以按照 DCP 钢板的使用方法置入螺钉，也可以按照锁定钢板的方法置入螺钉；B：VA-LCP 前端的锁定孔通过特殊的设计，可以在 ±15 度的范围（蓝色区域）内灵活置入螺钉。

经过 n 次改进和 1 次飞跃——锁定钢板的出现，为另一个飞跃创造了条件。

回想一下，前面的 AO 原则有两条：解剖复位和坚强固定（断端加压固定）。这样的手术需要医生做一个很大的切口，把粉碎骨折的每一块都尽量拼接回去，并且用螺钉和钢板尽量获得他们之间的加压，结果发现尽管术后 X 线片上面观察骨折复位形态非常好，但是一段时间后骨折并没有愈合而是发生了坏死吸收，失去骨骼支撑的钢板、螺钉由于金属疲劳最终出现断裂。

痛定思痛，医师们再次想起了骨折愈合的另外一个重要因素——生物环境，其中最重要的一条就是保护骨折部位的血液供应！

骨折愈合重要的血液来源是骨膜内的血管，为了追求解剖复位和断端加压，医生人为的去除了骨膜让裸露的骨成为了无根之木，可想而知效果会是如何。而此时出现的锁定钢板为解决这一问题提供了物质基础，医生通过间接复位骨折，恢复近端远端的力学对线和长度，在骨折的两侧各切一个小切口，在两个小切口之间插入一根 LCP 钢板，经过皮肤上完成螺钉的锁定，这种技术被称为经皮接骨板固定术（Minimally Invasive Percutaneous Plate Osteosynthesis，MIPPO）。

这样的技术改变了解剖复位的要求，仅需要维持功能所需要的力学对线和肢体长度，不干扰骨折断端，因此被称为生物学固定（Biological Osteosynthesis，BO）。

图 8. MIPO 技术：A：在骨折两端分别做切口，将钢板从骨折远端插入通过近端调整位置后固定；B：术后皮肤切口；C：术后 X 线片，可见手术不追求骨折的精确对位，不对骨折端进行分离等操作，而保护了血液供应，为骨折愈合创造了良好的生物学环境；D：术后复查可以看到骨折线模糊，骨折愈合。

随着生物学固定的兴起，更多不同类型的内固定物和相关手术方式涌现出来，这是骨折治疗的又一次大的飞跃。

近年来骨折的治疗也越发的把分子生物学的一些研究进展引入临床，包括骨形态发生蛋白 2（bone morphogenetic protein 2，BMP-2）等具有成骨诱导作用的生物因子置于骨折断端，刺激骨折断端修复。

我们可以看到在骨折治疗过程中的每一次变革，都是从临床上的问题出发，通过基础的生物学研究、生物力学的研究，结合了冶金、机械制造、测试分析等技术，将最新的成果转化为新的内固定器材、手术术式，从而发展了治疗技术，提高了治疗效果。

就这样，在一次次的变革之中，骨科医生虽然依然挥舞着锤子、锯子，手术过程中依然发出装修手术室的轰响，但已经不同于原来的装修队和木匠，而是靠最新的生物学、力学、材料学、分子生物学的进展武装起来，为了让创伤造成的骨折患者早日康复而战的全能战士了！

本文转自清华大学医学中心，作者赵喆，来自北京清华长庚医院骨科。

来源：腰酸腿痛那点事