博古通今：髓内钉发展史
髓内钉发展史
髓内钉的出现彻底改变了长骨骨折的治疗。尽管该技术已经存在了几个世纪，但直到 20 世纪下半叶才取得现在的地位。成功之路并非一帆风顺，因为这项技术在 20 世纪上半叶遭到了很多学者的怀疑和驳斥。如今，通过冶金、手术技术和透视技巧的创新，髓内钉已成为长骨骨折的标准治疗方法。人类生物力学知识的进步使这种现代设计的创造成为可能。现代髓内钉的特点是感染率低、疤痕小、骨折稳定性好、患者可立即活动。本文进行的历史回顾旨在总结髓内钉的演变，突出其重要的里程碑意义，呈现髓内钉首次使用和随后演变过程的时代氛围，并介绍髓内钉在现代骨科学和创伤学中的地位（如图1）。
图1 髓内钉发展历史时间线及里程碑节点
古埃及人首次使用了类似于钉子的髓内装置。复杂的外科骨折护理在这么多年前是不太可能存在的。然而，可以确定的是，古埃及人拥有伟大的防腐技术，源于他们对来世身体复活的信仰。这就是在图坦卡蒙墓中发现的名为 Usermontu 的木乃伊的情况，在股骨和胫骨之间插入了一个螺纹钉，以稳定膝关节（如图2）。考古学家推测石棺内的木乃伊不是Usermontu本人，而是公元前600年被古代盗墓者替换的其他人。2000 年后，Hernando Cortes 探险队的人类学家 Bernardino de Sahagun 报告了墨西哥首次在活体患者中使用髓内钉。1524 年，他目睹了阿兹特克骨外科医生（名为“Tezalo”）使用黑曜石刀进行骨膜切开术，然后将树脂棒插入髓腔内以稳定骨折。由于缺乏足够的手术技术和消毒剂，这些手术的并发症发生率很高，死亡率很高。
图2 图坦卡蒙墓中发现的名为 Usermontu 的木乃伊右膝关节X线片
大约在 1800 年代中期，第一批医学期刊报道了髓内钉。据报道，Diefenbach、Langenbeck、Bardenheuer 和其他讲德语的外科医生在长骨髓内使用象牙钉治疗骨不连。与此同时，芝加哥的Nicholas Senn是一位研究员，同时也是一位狂热的军事外科医生，他进行了髓内固定实验。他将使用由牛骨制成空心穿孔夹板并将其插入髓内以治疗骨折后的“假关节病”。1886 年，瑞士的 Heinrich Bircher 在一次外科会议上描述了在髓内插入象牙钉用于复杂骨折的急性治疗（如图 3）。几年后，德国的Themistocles Gluck 创造了第一个象牙髓内钉，钉子的末端有孔，因此首次提出了互锁的概念。同一时期，挪威的 Julius Nicolaysen 是第一个撰写关于股骨近端骨折髓内钉生物力学原理的文章。他强调需要增加髓内钉的长度以获得更大的生物力学优势，并为几乎整个骨骼提供保护。他也是第一个提出近端和远端的钉/骨互锁来设计静态锁定的概念。被一些学者誉为髓内钉之父。
图3 Bircher髓内象牙钉进行股骨干骨折固定术的示意图
到 1800 年代中期，维也纳的 Ignaz Philipp Semmelweis 和格拉斯哥的 JosephLister 等先驱为外科消毒奠定了基础。这是一项开创性的成就，因为它允许在无菌条件下研发新的手术技术。
1912 年，英国外科医生Ernest Hay Groves是第一位使用实心金属棒作为髓内钉的外科医生，也是逆行髓内钉入路的先驱。他在第一次世界大战期间获得了经验，当时他治疗患有感染性假关节的患者，不愿截肢。他不仅描述了第一个允许通过最小创伤进行骨整合术的髓内钉技术，而且他还熟练使用髓内钉和较小的钉子来固定骨折。他试验了由铝、镁和钢制成的植入物，并认识到生物力学在骨折愈合中的重要性。即便如此，Ernest Hay Groves的技术仍受高感染率的影响，因此并没有受到同时代学者的欢迎。1931 年，美国整形外科医生 Smith-Petersen 推出了一种三翼不锈钢螺钉，用于治疗关节囊内股骨颈骨折。他设计了一种切开髂骨嵴前三分之一的开放入路，沿阔筋膜张肌的前缘进入术野，然后将骨折复位，使用冲击器将不锈钢螺钉打入股骨头内（如图 4）。由于Smith-Petersen试行的手术取得成功，许多外科医生开始尝试金属植入物治疗骨折。Sven Johansson 于 1932 年发明了空心髓内钉；他的巧妙创新使用了克氏针，允许在放射学引导下可控地插入髓内钉。他所应用的核心技术组件直到今天仍在使用。
图4 Smith-Petersen螺钉和打压固定骨折模式的示意图
更进一步，Rush和他的兄弟于1937 年推出了弹性髓内钉的概念。他们使用弹性的、预弯曲的不锈钢髓内钉，并试图建立一种髓内三点固定结构，以对抗骨折周围轴向位移的趋势。在他们的概念中，完整的软组织区域起到了张力带的作用，可以抵抗由预弯曲弹性钉产生的张力。他们的构造受到不锈钢的弹性特性的限制，这种特性很早就从弹性形变转变为塑性变形。后者可能导致继发性移位和畸形愈合。此外，髓内钉往往会在入口处退出或穿透松质骨结构，甚至在关节内穿孔。尽管如此，维也纳的学者 Ender 继续采用这种技术作为 Ender 骨折固定学派的基础，并且直至今天仍然被用于小儿骨折的灵活固定。
1939 年，诺贝尔奖提名人德国外科医生Gerhard Küntscher研发了一种不锈钢髓内钉，用于治疗股骨干骨折。Küntscher等学者受到用于治疗股骨颈骨折的 Smith-Petersen 不锈钢螺钉的启发，并相信同样的原则可以应用于骨干骨折。他们研发的髓内钉横截面最初为 V 形，直径为 7-10 毫米。在进行尸体和动物研究后，他于 1940 年在柏林的一次外科会议上展示了髓内钉以及手术方法。最初，他的创新受到了德国同行的嘲笑，尽管他的方法在二战后得到了普及。
常被称为医学之父的古希腊时代医生希波克拉底（公元前 460-370 年），曾说过：“欲行外科手术的人必须去打仗”；Küntscher 的情况也是如此。在纳粹时期，Küntscher 驻扎在芬兰前线的一家医院。在那里，他能够为该地区的病人和战俘进行手术。他使用闭合式和开放式手术方法分别介绍骨髓钉概念。在闭合入路中，他将髓内钉顺行穿过大转子，置于用吊带操作的牵引台上。使用头部透视检查在两个平面的 X 光片中检查骨折的复位和髓内钉的进钉情况。在开放入路中，通过骨折线附近的切口将髓内钉钉穿过骨折置入髓内。Küntscher 使用骨髓钉治疗股骨干骨折以及胫骨和肱骨骨折。
Küntscher 的技术仅在盟军战俘被遣返后才获得国际认可。美国和英国的外科医生以这种方式熟悉 Küntscher 研发的髓内钉，并认识到它在这个时代的骨折治疗方式上的明显优势。在很短的时间内，全世界越来越多的医生开始采用他的方法。Küntscher 的骨髓钉将患者的恢复时间缩短了近一年，从而彻底改变了骨折的治疗。原本必须使用石膏固定数月的患者现在可以在几天内活动起来。迄今为止，这位德国外科医生被认为是髓内钉的关键研发者，他在创伤手术发展史中具有举足轻重的地位。
1942 年，Fisher 等学者首次描述了扩髓磨钻的使用，目的是增加髓内钉和骨骼之间的接触面积并提高骨折固定的稳定性。尽管如此，Küntscher 推出了至今仍在使用的柔性导向扩髓磨钻，并支持在整个骨干髓腔长度上进行磨钻扩髓，以方便插入更大直径的髓内钉。最初，髓内扩髓旨在显着增加骨与髓内钉的接触面积，以实现骨折的稳定固定和患者的快速活动。正如 Smith 等学者所描述，每扩髓1 毫米会使接触面积增加 38%。这允许使用更大更硬的髓内钉，增强了骨折固定结构的整体稳定性。然而，尽管具有灵活髓内扩髓磨钻的 Küntscher 髓内钉成为一种合适的接骨术内固定器械选择，但学术界在 1960 年代后期失去对其的宠爱，转而青睐Arbeitsgemeinschaft für Osteosynthesefragen (AO) 新研发的钢板。
1960 年代，髓内钉突然被淘汰，转而采用钢板和螺钉骨折固定术。尽管 Küntscher 的方法操作过程顺利，但由于术后效果不佳，世界各地的外科医生都拒绝了它们。此外，一些外科医生开始放弃放射技术，例如头戴式透视，因为外科医生会因辐射带来的不良副作用而产生厌恶的情绪。尽管国际上普遍共识为使用钢板内固定系统，但是髓内钉的发展并没有停止。德国医生Küntscher 认识到互锁的优点并开发了一种三叶草形交锁髓内钉，他将其命名为“detention nail”。那个时代髓内钉设计的致命弱点是无法稳定非常粉碎的骨折或移位成角大的骨折。这个问题的解决方案是通过锁定螺钉来稳定髓内钉。通过这种方式，植入物可以更好地抵抗弯曲和扭转力，同时防止肢体缩短。综合采用Küntscher、Klaus Klemm 和 Wolf-Dieter Schellmann 等学者的观点和想法，通过在髓内钉的近端和远端预留螺钉孔，髓内钉与置入的螺钉进行锁定提供更强的稳定性，三叶草形（也就是后来所谓的梅花形）髓内钉随之研发面世。在接下来的几年里，透视图像清晰度的进步允许重新选择骨折闭合复位技术成为可能。
在1970年代，人们对德国医生Küntscher 的髓内钉概念产生了浓厚的兴趣。闭合复位髓内钉固定术治疗骨折，其灵活的扩髓和互锁概念的交汇融合以及透视技术清晰度的增强的推动这一项效果优良的手术技术的进步和推广，其特点是软组织损伤最小，稳定性好，患者可以立即活动。当时，学术界卷起了风潮，进行一系列创新，推动第二代髓内钉的研发。1976 年，Grosse 和Kempf 创造了一种部分开槽的髓内钉来解决髓内钉弹性模量的问题，髓内钉在近端区域没有开槽，有用于安装近端螺钉的钉孔，近端螺钉以 45 度角插入，可以增加髓内钉内固定结构的稳定强度。几年后，AO公司也通过研发理念相似的髓内钉加入了髓内钉研发的潮流中（如图 5）。
图5 髓内钉横截面发展变化时间线
1984 年，温奎斯特等学者提出动态化方法，该方法是通过应用更大的锁定螺钉孔、移除静态锁定螺钉来增强骨折端愈合，随后在更现代的设计中将锁定螺钉孔改造为椭圆形钉孔。动态化方法目的是促进骨折愈合并避免由于晚期活动而导致的骨不连。目前，髓内钉动态化作为一种独立的技术已经失去了它的拥护者，它目前仅作为治疗骨折不愈合病例时，相较于完全更换内固定系统而言一种更为经济的解决方案。在一项生物力学研究中，Gimeno 等学者报道髓内钉的非开槽和开槽部分之间的过渡区导致了内固定植入物的应力集中和手术失败。为解决这些问题，Russel 和Taylor 等学者在1986年设计出第一个非开槽不扩髓的髓内钉，取得了令人满意的结果。在此期间，髓内钉交锁问题也在继续取得进展，正如我们今天所知，通过髓内钉预留钉孔与螺钉进行交锁，是德国 Klemm 和 Schleman 的设计。螺钉的插入将在徒手透视引导下进行，这会使外科医生暴露在大量辐射下。如今，该问题已通过远端瞄准系统进行解决，该系统包含了电磁场跟踪技术、透视引导徒手技术和精确的近端钉安装导向器技术。
在接下来的十年中，Russel-Taylor髓内钉在国际骨科界非常流行。正如 Brumback 等学者的研究结果所示，治疗标准慢慢变成了髓内钉与螺钉静态锁定。在这项前瞻性研究中，结果报道锁定在大多数情况下产生良好的结果，并且与骨折不愈合的无关。冶金学的进步促使了钛合金髓内钉的出现，钛合金由于强度好、良好的耐腐蚀性和生物相容性而被广泛应用于生物医学行业。Alta髓内钉系统是第一个可用的钛合金髓内钉，由于钛的机械性能，它受到了医学界极大的欢迎，钛金属比不锈钢金属更坚固，但硬度更低。然而，目前的文献对钛金属是否是比不锈钢金属更合适作为内固定材料持怀疑态度，尤其是由于钛金属的使用导致成本增加。然而，钛合金的某些优势，例如接近皮质骨的弹性模量和磁共振成像兼容性，使其成为一个有吸引力的选择。此外，当需要较小直径的髓内钉时，钛是一种非常有吸引力的选择。
经过前几十年的成功和失败，骨科医生对髓内钉的经验大大增加。股骨、胫骨和肱骨骨折的髓内钉固定已成为大多数闭合性骨折以及部分开放性骨折的标准治疗方法。新的瞄准定位系统使该过程变得简单且可重复，即使是最缺乏经验的外科医生也是如此。最新趋势表明，钛金属和不锈钢金属具有非常高的弹性模量，应力遮挡了骨骼愈合所需的刺激性压力。目前学术界正在测试新型生物材料，例如镁合金、形状记忆合金和可再吸收材料。目前可以使用由连续碳纤维增强聚合物制成的髓内钉，该聚合物具有改进的弹性模量和极大的疲劳强度。镁合金具有类似于皮质骨的弹性模量，并且是可生物降解的。最近对 Li 等学者的研究，在动物模型中显示出治疗骨质疏松性骨折的明显优势，这归因于镁与唑来膦酸盐涂层组合的骨折修复，该模式未来可能成为骨质疏松性骨折的治疗方法。
多年来，随着髓内钉设计、冶金技术和手术技术的显著改进，髓内钉发展成为目前大多数长骨骨折的标准治疗方法，是一种有效、微创和可重复的手术。然而，由于髓内钉设计众多，缺乏有关其术后效果的大量信息。需要做更多的研究来确定最佳的髓内钉型号大小、特征和曲率半径。我们预测在生物材料领域的创新，将催生新的髓内钉设计的出现。