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Aug 06, 2023

Das Studium der Biomechanik und Finite-Elemente-Analyse an einer neuartigen Platte für Tibiaplateau-Frakturen über anterolaterale Supra

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13516 (2023) Diesen Artikel zitieren 274 Zugriffe auf Metrikdetails Für Schatzker-Typ-II-Split-deprimierte Tibiaplateau-Frakturen mit den Frakturen von

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 13516 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Bei Schatzker-Split-Depression-Frakturen des Tibiaplateaus vom Typ II, bei denen es sich um Frakturen der anterolateralen und posterolateralen Säulen (APC) handelt, ist das optimale Fixierungsschema umstritten. Die Ziele dieser Studie waren: (1) die Einführung einer neu entwickelten Platte zur Behandlung von APC-Frakturen mittels biomechanischer Tests und Finite-Elemente-Analyse (FEA) und (2) der Vergleich mit zwei herkömmlichen Fixierungsmethoden. APC-Frakturmodelle wurden erstellt und zufällig drei Gruppen (Gruppen AC) zugeordnet. Gruppe A wurde mit einer 3,5-mm-lateralen Verriegelungsplatte fixiert, Gruppe B wurde mit einer 3,5-mm-lateralen Verriegelungsplatte und zwei 3,5-mm-Kanülenschrauben fixiert (Hybridfixierung). Gruppe C wurde mit der neu gestalteten Platte fixiert. Es handelt sich um eine gewölbte Verriegelungsplatte zur Fixierung des lateralen Tibiaplateaus über den anterolateralen Suprafibularkopf-Zugang. Jedes Bruchmodell erfuhr unter Verwendung eines maßgeschneiderten Eindringkörpers eine allmählich zunehmende axiale Druckbelastung im Bereich von 250 bis 750 N. Die biomechanische Analyse zeigte, dass die neu gestaltete Platte die minimale Verschiebung unter den drei Methoden aufwies, gefolgt von der Hybridfixierungsmethode. Im Gegensatz dazu zeigte die 3,5-mm-laterale Verriegelungsplatte die maximale Verschiebung bei APC-Frakturen (p < 0,05). FEA-Ergebnisse zeigten, dass bei 750 N die maximalen Verschiebungen für die Gruppen AC 3,06 mm, 2,74 mm bzw. 2,08 mm betrugen. Darüber hinaus betrugen die maximalen Belastungen für das Implantat in den Gruppen AC bei 750 N 208,32 MPa, 299,59 MPa und 143,26 MPa, während sie für den Knochen 47,12 MPa, 74,36 MPa und 40,01 MPa betrugen. Die Gesamttrends bei 250 N und 500 N stimmten mit denen überein, die bei 750 N beobachtet wurden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die neu entwickelte Platte aufgrund der guten biomechanischen Leistung und der FEA-Ergebnisse eine vielversprechende Wahl für die Behandlung von APC-Frakturen des Tibiaplateaus darstellt.

Die Tibiakopffraktur ist eine der häufigsten Frakturen bei Knieverletzungen und macht 1 % aller Frakturen aus1. Zur Behandlung solcher Verletzungen sind anatomische Reposition und starre Fixierung die erste Wahl. Eine schlechte Reposition und Fixierung kann jedoch zu traumatischer Arthritis und Bewegungsstörungen führen. Aufgrund der besonderen Geometrie und Biomechanik des Kniegelenks ereignen sich etwa 60 % der Tibiakopffrakturen im lateralen Bereich2,3. Die Analyse der morphologischen Merkmale der Frakturen, die sich aus der Computertomographie (CT) ergeben, ermöglicht die Klassifizierung von Schatzker-Typ-II-Frakturen in drei Untertypen: anterolaterale Einsäulenfrakturen (AC-Frakturen); posterolaterale Einsäulenfrakturen (PC); und sowohl die Frakturen der anterolateralen als auch der posterolateralen Säule (APC)4. Sun et al. berichteten, dass der Anteil einzelner PC-Frakturen etwa 15,0 % (28/187) betrug und die Inzidenz von Frakturen mit APC bis zu 23,4 % (123/525) betrug4. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Wahrscheinlichkeit einer APC-Fraktur bei der Behandlung von Tibiakopffrakturen Typ II nach Schatzker nicht vernachlässigt werden sollte.

Mehrere Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass bei Trümmerfrakturen des Tibiaplateaus, einschließlich anterolateraler und posterolateraler Säulenfragmente, auch das posterolaterale Fragment ordnungsgemäß fixiert werden sollte4,5. Derzeit besteht kein Konsens über die Ansätze und Implantate zur Behandlung von APC-Frakturen. Mehrere Experten haben eine Doppelplattenfixierung mit einem kombinierten anterolateralen und posteromedialen umgekehrten L-förmigen Ansatz vorgeschlagen, wobei sich der Patient in einer schwebenden Position befindet4. Unter 41 Patienten, die mit diesem Ansatz behandelt wurden, kam es bei drei Patienten zu einer Schnittdehiszenz oder -nekrose, und zwei Patienten erlitten iatrogene Nervenverletzungen. Während die Doppelplatten eine starre Fixierung ermöglichten, war es eine Herausforderung, das posterolaterale Frakturfragment über den posteromedialen Einschnitt direkt freizulegen, insbesondere bei Patienten mit gut entwickelten Wadenmuskeln oder Fettleibigkeit. Selbst wenn das posterolaterale Fragment freigelegt werden konnte, führte die Operation häufig zur Trennung der Kniekehlengefäße und des Nervus tibialis, was das Risiko von Gefäß- und Nervenzugverletzungen erhöhte. Zhang et al.6 stellten einen weiteren kombinierten Ansatz für APC-Frakturen vor, der aus einem konventionellen anterolateralen Zugang und einem umgekehrt L-förmigen posterolateralen Zugang besteht. Bei zwei von siebzehn Patienten, die mit diesem Ansatz behandelt wurden, kam es jedoch nach der Operation zu einer aseptischen Fettverflüssigung. Während dieser Ansatz eine direkte Freilegung des posterolateralen Fragments ermöglichte, führte er unweigerlich zu einigen iatrogenen Verletzungen an der posterolateralen Ecke des Kniegelenks. Darüber hinaus neigte die Hautbrücke zwischen den beiden Einschnitten zur Entwicklung einer ischämischen Nekrose. Zhu et al. verwendeten eine Barrel-Hoop-Platte in Kombination mit einer herkömmlichen lateralen Verriegelungsplatte, um APC-Frakturen über einen modifizierten Frosch-Ansatz zu fixieren7. Allerdings musste bei dieser Methode eine herkömmliche T-Platte mit einem Radius von 2,7 zugeschnitten und konturiert werden, um die Fassreifenplatte zu erhalten. Andere Wissenschaftler haben zusätzlich zu antero-posterioren Zugschraubentechniken seitliche Verriegelungsplatten zur Behandlung von APC-Frakturen verwendet8, es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um die Wirksamkeit dieser Fixierungsmethode zu überprüfen.

In dieser Studie hat unser Team eine neuartige verriegelbare anatomische Platte (Abb. 1) speziell für APC-Frakturen des Tibiaplateaus entwickelt. Unser Ziel war es, die biomechanische Leistung der neu entwickelten Platte zur Behandlung solcher Frakturen zu testen. Darüber hinaus haben wir eine Finite-Elemente-Analyse durchgeführt, um die Wirksamkeit dieser Platte zu untersuchen. Unsere Hypothese war, dass die neu gestaltete Platte eine ausreichende Stabilität bieten und eine überlegene biomechanische Festigkeit und Leistung bei der Finite-Elemente-Analyse aufweisen würde.

Modelle der neu gestalteten Platte aus synthetischen Knochen. (A) Seitenansicht der neu gestalteten Platte. (B) Anteroposterior-Ansicht der neu gestalteten Platte. (C) Seitenansicht des Röntgenbildes. (D) Anteroposteriore Ansicht des Röntgenbildes.

Die Genehmigung des Institutional Review Board (IRB) wurde von der Ethikkommission des Xi'an Hong Hui Krankenhauses eingeholt. Eine schriftliche Einverständniserklärung des Freiwilligen wurde eingeholt. Alle Methoden wurden auf Basis relevanter Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Dreißig synthetische linke Tibias (Typ 3401; Sawbones AG, Vashon Island, WA, USA) wurden zur Herstellung von APC-Frakturmodellen verwendet. Zur Fixierung der Frakturmodelle wurden die neu gestalteten Platten, 3,5-mm-Kanülierungsschrauben und seitlichen Verriegelungsplatten (Titanlegierung, Naton Medical Instrument Co., Ltd., Tianjin, China) verwendet. Die elektronische Universal-Materialprüfmaschine Electroforce 3520-AT (TA Instruments, New Castle, DE, USA) wurde verwendet, um die biomechanische Leistung von APC-Frakturmodellen zu ermitteln. Die vertikale Verschiebung wurde mit einem Laser-Verschiebungssensor (LN-030-N, Shenzhen Leraun Technology Co., Ltd, China) mit einer Genauigkeit von 0,01 mm getestet.

Gemäß früherer Studien und unserem Design für APC-Frakturen wurden dreißig synthetische Tibias zur Konstruktion von APC-Frakturmodellen verwendet. Die Osteotomie wurde mit einer dünnen Blattsäge durchgeführt. Wie in Abb. 2 dargestellt, betrug der breiteste Teil des lateralen Tibiaplateau-Fragments 20 mm. Parallel zur Koronarebene wurde das laterale Fragment in zwei gleich große Teile geteilt, wodurch die anterolateralen und posterolateralen Frakturfragmente entstanden. Die Höhe der APC-Fragmente betrug 17 mm. Um die Auswirkungen der Frakturdepression und der anschließenden Reposition zu simulieren, wurde der gelb schattierte Abschnitt in Abb. 2 entfernt, was zu einem vereinfachten APC-Frakturmodell führte. Diese Modelle wurden zufällig in drei Gruppen mit zehn in jeder Gruppe eingeteilt.

Modell einer Schatzker-Typ-II-Split-Depression-Fraktur des Tibiaplateaus mit Beteiligung der anterolateralen und posterolateralen Säule.

Wie in Abb. 3A gezeigt, wurde Gruppe A mit einer 3,5 mm starken seitlichen Verriegelungsplatte fixiert. Vier Verriegelungsschrauben wurden parallel zur Gelenkfläche eingebracht, gefolgt von der Einführung von drei aufeinanderfolgenden Verriegelungsschrauben in die distalen Schraubenlöcher. Gruppe B wurde mit einer 3,5-mm-lateralen Verriegelungsplatte zusammen mit zwei antero-posterioren 3,5-mm-Kanülenschrauben fixiert (Abb. 3B). Die 3,5-mm-laterale Verriegelungsplatte wurde an der Seitenfläche eingesetzt und 2 mm unterhalb der kanülierten Schrauben positioniert. Abbildung 3C zeigt die neu gestaltete Platte. Diese Platte wurde zur Fixierung der anterolateralen und posterolateralen Frakturfragmente über den anterolateralen suprafibulären Kopfzugang verwendet. Der horizontale Arm der Platte wies sechs Löcher auf, darunter vier Verriegelungslöcher und zwei Universallöcher. Die Schrauben könnten sich bogenförmig um das laterale Tibiaplateau legen. Sechs proximale Verriegelungsschrauben wurden parallel zur Gelenkfläche eingebracht. Die Universallöcher dienten der korrekten Fixierung des posterolateralen Fragments durch den Raum über dem Fibulaköpfchen. Frühere Literatur hat gezeigt, dass der Raum zwischen der Spitze des Fibulaköpfchens und der Seitenwand des Plateaus ausreicht, damit der horizontale Arm der Platte hindurchpasst9. Derselbe Bediener reduzierte und fixierte diese Frakturmodelle gemäß den Standardverfahren.

APC-Frakturmodelle mit drei verschiedenen Fixierungsmethoden in biomechanischen Tests. (A) Fixierung der 3,5-mm-lateralen Verriegelungsplatte in der APC-Fraktur. (B) Fixierung einer 3,5-mm-lateralen Verriegelungsplatte und zweier 3,5-mm-kanülierten Schrauben in der APC-Fraktur. (C) Fixierung der neu gestalteten Platte in der APC-Fraktur. APC steht für Schatzker-Typ-II-Split-depressive-Tibial-Plateau-Fraktur mit Beteiligung der anterolateralen und posterolateralen Säule.

Jedes zusammengebaute synthetische Tibiamodell wurde vertikal in der biomechanischen Ausrüstung befestigt. Mit einem speziell angefertigten zylindrischen Eindringkörper mit einem Durchmesser von 30 mm wurde eine vertikale Belastung auf die Mitte des seitlichen Tibiaplateaus ausgeübt. Frühere Studien haben gezeigt, dass bei normalem Gang die biomechanische Belastung des Kniegelenks etwa das Zwei- bis Dreifache des Körpergewichts beträgt10. Das laterale Tibiaplateau trägt etwa 45 % dieser Belastung, während das mediale Tibiaplateau etwa 55 % trägt11. Zur Simulation der auf das laterale Plateau wirkenden Belastungen wurden für die synthetischen Bruchmodelle axiale Spitzenlasten von 250 N, 500 N und 750 N eingestellt. Diese Belastungswerte entsprachen etwa dem Ein- bis Dreifachen des Körpergewichts, das das seitliche Schienbeinplateau von Erwachsenen (Gewicht 60 kg) trägt. Die biomechanische Ausrüstung simulierte die statische Phase für die drei oben genannten Fixierungsmethoden. Nach dem Zusammenbau des APC-Bruchmodells auf der Anlage wurden schrittweise steigende Axiallasten mit einer Lastgeschwindigkeit von 10 N/s auf das Modell ausgeübt. Die vertikale Verschiebung wurde mit dem Laser-Verschiebungssensor gemessen. Die Verschiebungswerte wurden von einer speziellen Software aufgezeichnet. Für jedes Bruchmodell wurde eine Last-Verschiebungs-Kurve erstellt. Darüber hinaus wurde ein Versagen als der Punkt definiert, an dem die vertikale Verschiebung der APC-Fragmente 3 mm12 betrug. Die maximalen Spitzenlasten wurden auf 750 N bzw. auf die Lasten eingestellt, die einer Verschiebung der APC-Fragmente von 3 mm entsprechen. Zur Beurteilung der Wirksamkeit der drei Implantate wurden die vertikalen Verschiebungen bei drei angegebenen Belastungen und Versagenslasten herangezogen.

Es wurde ein gesunder männlicher Freiwilliger ohne Vorgeschichte von Kniegelenks- oder systemischen Erkrankungen rekrutiert. Mit einem Spiral-CT-Gerät mit 64 Reihen und einer Schichtdicke von 0,625 mm wurde ein CT-Scan im Knie- bis Knöchelbereich durchgeführt. Die CT-Bilder wurden als Datei im DICOM-Format im interaktiven medizinischen Bildsteuerungssystem (Mimics 19.0, Materialise, Leuven, Belgien) gespeichert. Basierend auf den Grauwerten der Gewebe und der Segmentierung der Regionen wurde ein 3D-Rekonstruktionsmodell der Tibia erstellt. Die 3D-Bilder wurden dann mit dem Rigid-Gitter-Teilungsprogramm Magics 9.9 von Mimics in Oberflächennetze unterteilt. Anschließend wurden die FEA-Module der Mimics-Software verwendet, um diese 3D-Modelle zu optimieren und Oberflächennetzmodelle zu erstellen. Diese Oberflächennetzmodelle wurden mit dem Mesh-Tool (ANSYS, Inc., Canonsburg, PA, USA) weiter in Volumennetzmodelle umgewandelt. Die Volumennetzmodelle wurden zurück in Mimics importiert, um Materialleistungen zuzuweisen. Eine Konvergenzstudie wurde mit quadratischen Tetraederelementen mit 10 Knoten und linearen Elementen mit 4 Knoten durchgeführt. Der maximale Freiheitsgrad wurde für verschiedene Variablen wie Dehnungsenergie und Verschiebung überprüft, um sicherzustellen, dass sie für beide Elementtypen innerhalb von 5 % lagen und keine maximalen Spannungspunkte identifiziert wurden.

Der Elastizitätsmodul wurde für kortikale Knochen auf 14.000 MPa, für Spongiosa auf 700 MPa und für Platten und Schrauben auf 110.000 MPa festgelegt. Die Poissonzahl für diese Materialien wurde basierend auf früherer Literatur auf 0,3 festgelegt13,14. Alle in der Studie verwendeten Platten und Schrauben bestanden aus einer Titanlegierung. Die 3D-Modelle dieser Platten und Schrauben wurden nach konkreten Angaben des Herstellers mit einer computergestützten Konstruktionssoftware erstellt. Für alle Kontaktsituationen wurden Reibkontakte definiert. Basierend auf der Literatur wurde ein Reibungskoeffizient von 0,4 gewählt15. Die Bruchlinien wurden geschnitten, um die APC-Frakturmodelle zu erhalten (Abb. 4). Auf den Frakturmodellen wurden verschiedene Implantate montiert. Diese Modelle wurden in drei Gruppen eingeteilt und durch die 3,5-mm-laterale Verriegelungsplatte, Hybridfixierungsgeräte bzw. die neu gestaltete Platte fixiert. Tabelle 1 zeigt die Anzahl der Elemente und Knoten für die drei Fixierungsmodelle.

Drei verschiedene interne Fixierungen nach dem Zusammenbau des Finite-Elemente-Modells. (A) Fixierung der 3,5-mm-lateralen Verriegelungsplatte bei APC-Fraktur. (B) Fixierung einer 3,5-mm-lateralen Verriegelungsplatte und zweier 3,5-mm-kanülierten Schrauben in der APC-Fraktur. (C) Fixierung der neu gestalteten Platte in der APC-Fraktur. APC steht für Schatzker-Typ-II-Split-depressive-Tibial-Plateau-Fraktur mit Beteiligung der anterolateralen und posterolateralen Säule.

Der untere Teil des Tibiaschafts wurde in allen Freiheitsgraden fixiert. Die APC-Fragmente wurden durch axiale Belastungen von 250 N, 500 N und 750 N komprimiert. Alle Bruchmodelle wurden mit der Software ANSYS Mechanical APDL 19.0 (ANSYS, Inc., USA) analysiert. Die FEA wurde durchgeführt, um ein statisches Experiment für die drei Fixierungsmethoden zu simulieren. Die maximale vertikale Verschiebung jedes Modells wurde analysiert. Darüber hinaus wurden auch die Von-Mises-Spannungsverteilung und die maximale Von-Mises-Spannung jedes Modells getestet.

Die Daten wurden einer einseitigen Varianzanalyse unterzogen, um festzustellen, ob sich die vertikale Verschiebung der Fragmente und die Versagenslasten bei den drei Befestigungsmethoden unterschieden. Für den Vergleich mehrerer Gruppen wurden der Post-hoc-Test nach Fisher und das LSD-Kriterium (Least-Significant Difference) angewendet. p < 0,05 wurde verwendet, um die statistische Signifikanz anzuzeigen. Die Daten wurden mit SPSS 22.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL, USA) analysiert.

Die vertikalen Verschiebungen der drei Gruppen unter axialen Belastungen von 250 N, 500 N und 750 N sind in Tabelle 2 dargestellt. Es gibt eine klare Verschiebungshierarchie zwischen den Fragmenten in den APC-Frakturmodellen bei diesen Belastungsniveaus: die neu gestaltete Platte (Gruppe C) zeigte die geringste Verschiebung, gefolgt von der Hybridfixierungsgruppe (Gruppe B), während die 3,5-mm-laterale Verriegelungsplatte (Gruppe A) die höchste Verschiebung aufwies. Statistisch signifikante Unterschiede wurden zwischen den drei Gruppen beobachtet (p < 0,05).

Die Versagenslasten für jedes Frakturmodell sind ebenfalls in Tabelle 2 zusammengefasst. Gruppe C wies die höchsten Versagenslasten auf, mit deutlich höheren Werten als die der beiden anderen Fixierungsmethoden (p < 0,05). Die Hybridfixierungsgruppe (Gruppe B) war in der Lage, mehr Lasten zu tragen als Gruppe A. Die Versagenslasten für Gruppe A betrugen 628,50 ± 33,51 N, für Gruppe B 759,84 ± 30,87 N und für Gruppe C 911,52 ± 27,93 N. Diese Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die neu gestaltete Platte im Vergleich zur 3,5-mm-lateralen Verriegelungsplatte und den Hybrid-Fixierungsimplantaten hinsichtlich vertikaler Verschiebung und Versagenslasten überlegene biomechanische Eigenschaften besitzt.

Tabelle 3 zeigt die maximalen Verschiebungen der Finite-Elemente-Modelle für APC-Frakturen. Unter Axiallasten von 750 N betrugen die maximalen Verschiebungen für die Gruppen A, B und C 3,06 mm, 2,74 mm bzw. 2,08 mm (Abb. 5D, E, F). Die Verschiebungstrends von 250 bis 750 N waren konsistent, wobei die Verschiebungen der APC-Fragmente in jedem Fixierungsmodell mit zunehmender axialer Belastung allmählich zunahmen.

Spannungsverteilungsdiagramm und Verschiebungsfeld der drei Finite-Elemente-Modelle. (A) Spannungsverteilung von Modell A bei APC-Fraktur. (B) Spannungsverteilung von Modell B bei APC-Fraktur. (C) Spannungsverteilung von Modell C bei APC-Fraktur. (D) Verschiebungsfeld von Modell A bei APC-Fraktur. (E) Verschiebungsfeld von Modell B bei APC-Fraktur. (F) Verschiebungsfeld von Modell C bei APC-Fraktur. APC steht für Schatzker-Typ-II-Split-depressive-Tibial-Plateau-Fraktur mit Beteiligung der anterolateralen und posterolateralen Säule.

Die von Mises-Spannungsverteilungen für die 3,5-mm-laterale Verriegelungsplatte (Gruppe A) konzentrierten sich hauptsächlich auf die beiden Verriegelungsschrauben des horizontalen Arms in Kontakt mit der koronalen Bruchlinie und der Ecke der L-förmigen Platte (Abb. 5A). Bei den Hybrid-Fixierungsimplantaten (Gruppe B) konzentrierten sich die von Mises-Spannungsverteilungen auf die Ecke der L-förmigen Platte und den Mittelteil der äußeren kanülierten Schraube (Abb. 5B). Bei der neu gestalteten Platte (Gruppe C) wurde die von Mises-Spannungsverteilung gleichmäßig im Mittelteil der proximalen sechs Schrauben und an der Eckverbindung der horizontalen und longitudinalen Arme beobachtet (Abb. 5C). Die von Mises-Belastung nahm bei allen drei Fixierungsimplantaten mit zunehmender axialer Belastung zu. Bei einer Belastung von 750 N auf die Modelle betrugen die maximalen Von-Mises-Spannungswerte für Gruppe A, B und C 208,32 MPa, 299,59 MPa bzw. 143,26 MPa. Die Von-Mises-Spannungsverteilung folgte einem ähnlichen Muster, als die Belastungen von 250 auf 500 N anstiegen. Die Von-Mises-Spannungswerte unter den angegebenen Belastungen sind in Tabelle 4 aufgeführt Die Knochenbelastung unter der Belastung von 750 N betrug 47,12 MPa, 74,36 MPa und 40,01 MPa für Gruppe A, B und C.

Mehrere Chirurgen haben die laterale Plattenfixierung erfolgreich angewendet, um PC-Frakturen über einen erweiterten anterolateralen oder anterolateralen suprafibulären Kopfansatz zu behandeln9,16. Anterolaterale Zugänge bieten die Vorteile einer einfachen Operation und eines geringen Risikos der Beschädigung wichtiger anatomischer Strukturen an der posterolateralen Ecke. Auf dieser Grundlage schlägt unser Team vor, dass der anterolaterale suprafibuläre Kopfansatz eine gute Wahl für Split-Depression-Frakturen des Tibiaplateaus vom Typ II nach Schatzker sein könnte, an denen die anterolaterale und posterolaterale Säule beteiligt ist (APC-Frakturen). Derzeit konzentrieren sich Experten für die Behandlung von APC-Frakturen hauptsächlich auf unterschiedliche Ansätze, und es gibt nur wenige Berichte über speziell entwickelte Platten für APC-Frakturen. Obwohl die herkömmliche 3,5-mm-laterale Verriegelungsplatte eine gute Unterstützung für einzelne AC- oder PC-Frakturen bieten kann, ist sie für APC-Frakturen möglicherweise nicht geeignet. Darüber hinaus sind die verfügbaren Arten von Fixierungsgeräten sowohl für anterolaterale als auch für posterolaterale Säulenfragmente relativ begrenzt. Es besteht kein Konsens über die optimale Fixierungsmethode für APC-Frakturen des Tibiaplateaus.

Um die schwierige Situation bei der Behandlung von APC-Frakturen zu verbessern, hat unser Team eine neuartige Platte über den anterolateralen suprafibulären Kopfansatz entwickelt. Die neu gestaltete Platte hat eine umgekehrte L-Form, wobei sechs Löcher am horizontalen Arm einen Bogen bilden, der die gesamten anterolateralen und posterolateralen Säulen des Tibiaplateaus umfasst. Diese Platte fixiert das posterolaterale Fragment effektiv von oberhalb des Fibulaköpfchens. Das Designkonzept ähnelt der „Barrel-Hoop-Platte“, die in früheren Studien für PC-Frakturen7 verwendet wurde. Allerdings fehlt der Barrel-Hoop-Platte im Vergleich zu unserer neu entwickelten Platte ein Plattenkörper, der bis zum Tibiaschaft reicht, was die alleinige Verwendung in der klinischen Praxis erschwert. Darüber hinaus wird die Barrel-Hoop-Platte typischerweise durch Vorbiegen und Zuschneiden einer dünnen distalen Radiusplatte hergestellt, die möglicherweise keine ausreichende Unterstützung oder starre Fixierung bietet. Außerdem ist der horizontale Arm der Laufbügelplatte nicht lang genug. Wenn sowohl die anterolaterale als auch die posterolaterale Säule des Tibiaplateaus betroffen sind, muss die Barrel-Hoop-Platte mit anderen internen Fixierungen kombiniert werden, was das chirurgische Trauma erhöht und die Operationszeit verlängert. Im Gegensatz dazu kann der lange horizontale Arm unserer neu entwickelten Platte gleichzeitig die anterolateralen und posterolateralen Säulen fixieren. Die Platte ist anatomisch so gestaltet, dass sie sich optimal an das seitliche Tibiaplateau anschmiegt. Die hinteren beiden Löcher des Horizontalarms sind Universallöcher, die einen winkelstabilen Halt bieten und verhindern, dass Schrauben in die Kortikalis eindringen.

Biomechanische Tests haben gezeigt, dass die neu entwickelte Platte im Vergleich zur 3,5-mm-lateralen Verriegelungsplatte und den Hybridfixierungsimplantaten eine bessere Festigkeit bei APC-Frakturen aufweist. Die FEA-Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass die neu gestaltete Plattengruppe die geringste Verschiebung für APC-Fragmente erfährt, was mit den biomechanischen Erkenntnissen übereinstimmt. Darüber hinaus hat unser Team durch die Analyse der maximalen Von-Mises-Spannung und der Spannungsverteilung mithilfe von 3D-Modellen festgestellt, dass die neu gestaltete Platte im Vergleich zur 3,5-mm-lateralen Verriegelungsplatte und den Hybridfixierungsimplantaten eine geringere maximale Von-Mises-Spannung und eine ausgewogenere Spannungsverteilung aufweist . Diese Ergebnisse legen nahe, dass das neu entwickelte Implantat ein geringes biomechanisches Versagensrisiko birgt und ein vernünftiges Design darstellt.

Es gibt mehrere Einschränkungen dieser Forschung. Während Leichenknochen als optimales Testmaterial gelten, verwendete unser Team stattdessen synthetische Schienbeine. Allerdings bieten synthetische Knochen gegenüber Leichenknochen gewisse Vorteile, wie zum Beispiel standardisierte Abmessungen und Eigenschaften für jede Probe. Darüber hinaus berücksichtigte diese Studie nicht die Faktoren, die die Belastung und Stabilität des Knies beeinflussen, einschließlich Bänder, Muskeln und andere Weichteile. Die in dieser Forschung durchgeführten biomechanischen Tests waren relativ einfach. Klinische Arbeiten zeigen unterschiedliche Morphologien von APC-Frakturen, die unser Frakturmodell nicht vollständig simulieren kann. Darüber hinaus wurde die Anwendbarkeit der neu entwickelten Platte auf verschiedene APC-Frakturmodelle nicht überprüft. Ein weiterer Entwurf von APC-Frakturmodellen wird erforderlich sein. Schließlich bedarf die klinische Anwendung der neu entwickelten Platte bei APC-Frakturen des Tibiaplateaus einer weiteren Überprüfung.

Die neu gestaltete Platte, die über den anterolateralen suprafibulären Kopfansatz eingeführt wird, zeigt eine hervorragende biomechanische Leistung und FEA-Ergebnisse, was sie zu einer vielversprechenden Wahl für die Behandlung von APC-Frakturen macht. Bei dieser Operationstechnik besteht ein geringes Risiko einer iatrogenen Verletzung wichtiger anatomischer Strukturen in der Region. Daher besteht ein großes Potenzial für eine breite klinische Anwendung bei der Behandlung von APC-Frakturen des Tibiaplateaus.

Die im Rahmen der aktuellen Studie analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Studie wurde von der Clinical Application-Oriented Medical Innovation Foundation des National Clinical Research Center for Orthopaedics, Sports Medicine & Rehabilitation und der Jiangsu China-Israel Industrial Technical Research Institute Foundation (2021-NCRC-CXJJ-PY-11) sowie der National unterstützt Naturwissenschaftliche Stiftung der Provinz Shaanxi (2022JQ-757). Die Finanzierungsquelle spielt keine Rolle bei Studiendesign, -durchführung, Datenerfassung oder statistischer Analyse.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Yao Lu, HuanAn Bai und Qian Wang.

Abteilung für Orthopädie, Hong Hui Hospital, Xi'an Jiaotong University, Xi'an, 710054, Shaanxi, China

Yao Lu, HuanAn Bai, Qian Wang, Cheng Ren, Ming Li, Zhong Li, Kun Zhang, Qiang Huang und Teng Ma

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QH und TM haben die Studie entworfen. YL, HB, QH, CR, QW, ML, ZL und KZ suchten nach relevanten klinischen Daten, analysierten und interpretierten die Daten. QH hat das Manuskript geschrieben. YL und TM haben am meisten zur Überarbeitung dieses Manuskripts beigetragen. Alle Autoren stimmten der endgültigen Fassung des Manuskripts zu.

Korrespondenz mit Qiang Huang oder Teng Ma.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lu, Y., Bai, H., Wang, Q. et al. Das Studium der Biomechanik und der Finite-Elemente-Analyse an einer neuartigen Platte für Tibiaplateau-Frakturen mittels anterolateralem suprafibulärem Kopfansatz. Sci Rep 13, 13516 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40842-x

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Eingegangen: 22. Oktober 2022

Angenommen: 17. August 2023

Veröffentlicht: 19. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40842-x

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