有限元法分析不同固定方式在胫骨远端粉碎性骨折骨愈合中的生物力学差异

doi:10.12307/2024.607

中国组织工程研究 ›› 2024, Vol. 28 ›› Issue (24): 3814-3821.doi: 10.12307/2024.607

• 骨与关节生物力学 bone and joint biomechanics • 上一篇下一篇

有限元法分析不同固定方式在胫骨远端粉碎性骨折骨愈合中的生物力学差异

颜华东1，张中1，赵刚2，3 ，李杰1，宋华1，孙建华1，刘志1，王明明1，2

1济宁医学院附属滕州市中心人民医院骨科，山东省滕州市 277599；2 山东大学，山东省济南市 250100；3 济南市中心医院骨科，山东省济南市 250013

收稿日期:2023-05-13 接受日期:2023-07-08 出版日期:2024-08-28 发布日期:2023-11-20
通讯作者: 王明明，山东大学在读博士，主治医师，济宁医学院附属滕州市中心人民医院骨科，山东省滕州市 277599；山东大学，山东省济南市 250100
作者简介:颜华东，男，1985年生，山东省宁阳县人，2013年吉林大学白求恩医学院毕业，硕士，主治医师，主要从事创伤骨科及骨折生物力学研究。
基金资助:
枣庄市科技发展计划项目(2022NS34)，项目负责人：王明明；枣庄市科技发展计划项目(2022NS33)，项目负责人：宋华

Biomechanical difference of different fixation methods in bone healing of distal tibial comminuted fractures analyzed by finite element method

Yan Huadong1, Zhang Zhong1, Zhao Gang2, 3, Li Jie1, Song Hua1, Sun Jianhua1, Liu Zhi1, Wang Mingming1, 2

1Department of Orthopedics, Tengzhou Central People’s Hospital Affiliated to Jining Medical University, Tengzhou 277599, Shandong Province, China; 2Shandong University, Jinan 250100, Shandong Province, China; 3Department of Orthopedics, Jinan Central Hospital, Jinan 250013, Shandong Province, China

Received:2023-05-13 Accepted:2023-07-08 Online:2024-08-28 Published:2023-11-20
Contact: Wang Mingming, Doctoral candidate, Attending physician, Department of Orthopedics, Tengzhou Central People’s Hospital Affiliated to Jining Medical University, Tengzhou 277599, Shandong Province, China; Shandong University, Jinan 250100, Shandong Province, China
About author:Yan Huadong, Master, Attending physician, Department of Orthopedics, Tengzhou Central People’s Hospital Affiliated to Jining Medical University, Tengzhou 277599, Shandong Province, China
Supported by:
Science and Technology Development Plan Project of Zaozhuang, No. 2022NS34 (to WMM); Science and Technology Development Plan Project of Zaozhuang, No. 2022NS33 (to SH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

骨痂：骨痂生长包括3个阶段，即血肿机化期、骨痂形成期以及骨痂塑形期。血肿机化期在骨折后2周完成，骨痂形成期在4-8周完成，骨痂塑形期中原始骨痂被坚硬的板层骨替代需要8-12周，重建过程需要数月到数年。骨痂的弹性模量在不同时期不同，随着骨痂成熟而增大。
应力遮挡率：当2种或2种以上的材料形成一个机械系统时，弹性模量较大的材料会承受更多的载荷。使用具有高刚度和高弹性模量的接骨板、髓内钉等固定骨折，会导致大部分载荷由固定装置传递，而骨组织承担的载荷很少，断端的负荷刺激明显降低，骨折愈合或骨的生长缺乏应力刺激，引起相应骨段的骨量减少，从而导致骨质疏松、延迟愈合、固定装置拆除后易发生二次骨折等并发症。

背景：胫骨远端粉碎性骨折伴软组织损伤的治疗具有挑战性，新型逆行胫骨髓内钉、外置接骨板是重要的治疗手段，但其在骨折愈合不同时期、不同负重情况时的骨折端应变、应力遮挡情况未见报道。

目的：通过有限元分析法探讨骨折愈合不同时期逆行髓内钉及外置接骨板的生物力学差异，为临床应用及康复锻炼提供科学参考。
方法：利用1名40岁健康男性的胫骨CT数据，建立胫骨远端粉碎骨折的有限元模型，构建胫骨逆行髓内钉、外置接骨板固定模型及骨痂模型并根据骨折的固定原则进行装配。使用ANSYS软件进行有限元分析，比较骨折愈合不同时期时逆行髓内钉及外置接骨板2种固定方式的骨折端位移、胫骨应力遮挡、骨痂应力、胫骨及固定装置应力分布情况。

结果与结论：①胫骨骨折端相对位移随着骨折愈合的进行逐渐减小，在术后3个月后位移明显减少；术后0，1个月，外置接骨板组的垂直位移及总位移均大于逆行髓内钉组，2种固定方式的Z轴位移(水平内外侧位移)均较X、Y轴位移明显，且接骨板模型的Z轴位移差异最明显；2种固定方式的Z轴位移最大位置均位于胫骨外侧，位移最小位置均位于胫骨内侧；②骨折愈合的应力遮挡率随骨折时间延长而逐渐降低；逆行髓内钉的应力遮挡率在骨折愈合不同时期均高于外置接骨板；术后3个月后外置接骨板的应力遮挡率降低到4%左右，逆行髓内钉的应力遮挡率降低到40%左右；③2种固定方式骨痂应力集中部位的应力随着载荷的增大而增加，外置接骨板组骨痂的应力始终大于逆行髓内钉组；2种固定方式中，骨痂最大应力大致分布一致，均位于胫骨外侧部分；④随着骨折愈合2种固定方式的胫骨最大应力逐渐降低，外置接骨板组的应力始终大于逆行髓内钉组；1 500 N载荷下外置接骨板组胫骨最大应力区域平均应力为285 MPa，而逆行髓内钉组为26 MPa；⑤随着骨折愈合2种固定模型中固定装置的应力逐渐降低，外置接骨板组的应力均明显高于逆行髓内钉组；术后3个月以后，2种固定装置的应力下降幅度明显变缓；⑥提示在骨折愈合早期，胫骨逆行髓内钉组中骨折端应变小、胫骨最大应力适中，允许早期负重；外置接骨板组骨折端存在应变过大、胫骨最大应力过大，需在保护下部分负重、不能完全负重；在骨折愈合中后期，胫骨逆行髓内钉及外置接骨板组均可完全负重，接骨板的应力遮挡率明显低于胫骨逆行髓内钉。

https://orcid.org/0000-0002-2743-3629 (王明明)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 胫骨远端骨折, 骨痂, 骨折愈合, 逆行髓内钉, 外置接骨板, 有限元分析, 生物力学, 应力遮挡

Abstract: BACKGROUND: The treatment of distal tibial comminuted fractures with soft tissue injury has always been challenging. The new retrograde tibial nailing and supercutaneous locking plate are important treatment methods, but their strain and stress shielding at the fracture end during different periods of fracture healing and different load conditions have not been reported.
OBJECTIVE: To explore the biomechanical stability of retrograde tibial nailing and supercutaneous locking plate in different periods of fracture healing by finite element analysis to offer a scientific foundation for clinical application and rehabilitation exercise.
METHODS: The finite element model of distal tibial comminuted fracture was established by utilizing the CT data of the tibia from a 40-year-old healthy male. Retrograde tibial nailing, supercutaneous locking plate, and callus models were assembled in accordance with the principle of fracture fixation. The finite element analysis was performed using ANSYS software to compare the displacement of the fracture end, the stress shielding of the tibia, the stress of the callus, and the stress distribution of the tibia and the fixation device during different periods of fracture healing.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The relative displacement of the tibial fracture decreased gradually with the healing of the fracture, and the displacement decreased significantly after 3 months. At 0 and 1 months after operation, the vertical displacement and total displacement of the supercutaneous locking plate group were higher than those in the retrograde intramedullary nail group. The Z-axis displacement (horizontal medial and lateral displacement) of the two fixation methods was more obvious than the X-axis and Y-axis, and the Z-axis displacement of supercutaneous locking plate group was the most obvious. The maximum Z-axis displacement of the two fixation methods was located on the outside of the tibia, and the minimum displacement was located on the inside of the tibia. (2) The stress shielding rate at different periods of fracture healing gradually decreased with time. The stress shielding rate of the retrograde intramedullary nail was higher than that of the supercutaneous locking plate at different stages of fracture healing. After 3 months, the stress shielding rate of the supercutaneous locking plate was reduced to about 4%, and the stress shielding rate of the retrograde intramedullary nail was reduced to about 40%. (3) The stress of the stress concentration site of the callus in the two fixation methods increased with the increase of the load, and the stress of the callus in the supercutaneous locking plate group was always greater than that in the retrograde intramedullary nail group. The maximum stress distribution of the callus was approximately equally distributed among the two modes of fixation, both in the lateral portion of the tibia. (4) As the fracture healed, the maximum stress of the tibia in the two groups decreased gradually, and the stress in the supercutaneous locking plate group was always greater than that in the retrograde intramedullary nail group. The average stress of the maximum stress area of the tibia in the supercutaneous locking plate group under 1 500 N load was 285 MPa, while that in the retrograde intramedullary nail group was 26 MPa. (5) As the fracture healed, the stress of the fixation device in the two groups decreased gradually, and the stress in the supercutaneous locking plate group was significantly higher than that in the retrograde intramedullary nail group. After 3 months, the stress of the two fixation devices decreased significantly. (6) It is indicated that in the early stage of fracture healing, the strain on the fracture end in the retrograde intramedullary nail group is small, and the maximum stress of the tibia is moderate, allowing early loaded. The fractured ends in the supercutaneous locking plate group had too large strain and too large maximum stress of the tibia, which needed to be partially loaded under protection and could not be fully loaded. In the middle and late stages of fracture healing, the tibial retrograde intramedullary nail and the supercutaneous locking plate could be completely loaded, and the stress shielding rate of the supercutaneous locking plate was significantly lower than the tibial retrograde intramedullary nail.

Key words: distal tibia fracture, callus, fracture healing, retrograde nailing, supercutaneous locking plate, finite element analysis, biomechanics, stress shielding

中图分类号:

颜华东, 张中, 赵刚, 李杰, 宋华, 孙建华, 刘志, 王明明. 有限元法分析不同固定方式在胫骨远端粉碎性骨折骨愈合中的生物力学差异[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(24): 3814-3821.

Yan Huadong, Zhang Zhong, Zhao Gang, Li Jie, Song Hua, Sun Jianhua, Liu Zhi, Wang Mingming. Biomechanical difference of different fixation methods in bone healing of distal tibial comminuted fractures analyzed by finite element method[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2024, 28(24): 3814-3821.

图/表（结果） 11

2.1 骨折愈合不同时期各模型中胫骨骨折端相对位移情况胫骨骨折端相对位移随着骨折愈合的进行逐渐减小，在术后3个月(不成熟骨痂)后，位移程度明显减少。2种固定方式在骨痂愈合不同时期的相对位移量，在800，1 500 N的垂直载荷中，基本呈线性关系增加，具体见表4，5。术后0，1个月，外置接骨板组的垂直位移及总位移均高于逆行髓内钉组，其中总位移差异明显。具体见图3。

在2种固定方式中在0个月时，Z轴位移(水平内外侧位移)均较X、Y轴位移明显，且接骨板模型的Z轴位移差异最明显。2种固定方式的Z轴位移最大位置均位于胫骨外侧，位移最小位置均位于胫骨内侧。具体见图4。在术后1个月纤维组织骨痂时期，2种固定方式的Z轴位移均较X、Y轴位移明显，Z轴位移最大位置均位于胫骨外侧、位移最小位置均位于胫骨内侧。从0-1个月，接骨板模型的Z轴位移降低非常明显，且X、Y轴位移均出现降低。但0-1个月，逆行髓内钉模型的X、Y、Z轴位移变化较小。具体见图5。

2.2 应力遮挡率情况应力遮挡率公式为：η=(1-σ1/σ2)100%，σ1为固定状态时胫骨骨折断端部位的应力大小，σ2为无固定装置模型中胫骨骨折断端部位的应力大小[18-19]。此次研究对比轴向载荷时骨折端应力遮挡效应的严重程度。无固定装置组、逆行髓内钉组、外置接骨板组的应力值见表6，7。骨折愈合不同时期的应力遮挡率随时间延长而逐渐降低，外置接骨板的应力遮挡率在3个月后明显下降；逆行髓内钉的应力遮挡率在骨折愈合不同时期均高于外置接骨板。2种固定装置在不同的应力下，应力遮挡率均一致。具体应力遮挡率情况见表8。

2.3 骨折愈合不同时期各模型中骨痂的应力分布情况不同载荷下，2种固定方式的骨痂最大应力位置大致一致，均位于胫骨外侧部分，跟愈合时期无明显相关性。2种固定方式骨痂应力集中部位的应力随着载荷增大而增加。骨痂应力均随着骨折的愈合而增大，外置接骨板组应力始终大于逆行髓内钉组。应力大小具体见表9，应力分布云图见图6。

2.4 骨折愈合不同时期各模型中胫骨的应力分布情况随着骨折愈合，2组固定方式的胫骨最大应力逐渐降低，外置接骨板组的应力始终大于逆行髓内钉组。骨折愈合不同时期的胫骨应力集中区域的应力均随着载荷增加而增加，且应力与载荷基本呈线性关系。具体见表10。

2组的胫骨最大应力部位在同一时间不随载荷大小改变、保持在同一位置。在0，1个月时逆行髓内钉组胫骨应力集中部位位于髓内钉次近端锁钉钉孔部位，3个月及以后应力集中部位位于髓内钉最近端锁钉钉孔部位。在0，1个月时外置接骨板组应力集中部位位于骨折近端部分最远端的螺钉钉孔部位，3个月及以后应力集中部位位于骨折近端部分中间螺钉钉孔部位。骨折愈合不同时期各模型胫骨应力集中部位应力情况见表10，应力云图见图7。

2.5 骨折愈合不同时期各模型中固定装置的应力分布情况骨折愈合不同时期中，随着骨痂的成熟，2组固定模型中固定装置的应力逐渐降低。2种载荷下，外置接骨板组的应力均明显高于逆行髓内钉。术后3个月及以后，2种固定装置的应力明显降低，且在同一负荷下应力基本相同。
2组固定装置最大应力部位在同一时间不随载荷大小改变、保持在同一位置。在0，1个月时逆行髓内钉组应力集中部位位于髓内钉次近端螺钉和髓内钉之间的交点上，3个月及以后应力集中部位位于髓内钉最近端。在0，1个月时外置接骨板组应力集中部位位于骨折远端部分最近端螺钉和板孔之间的交点上，3个月及以后应力集中部位位于最近端螺钉和板孔之间的交点上。骨折愈合不同时期各模型胫骨应力集中部位应力情况见表11，应力云图见图8。

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引言

胫骨远端骨折通常与高能量创伤有关，多由高处坠落或机动车事故引起，其中20%-40%是开放性骨折[1]。伴有软组织严重挫伤及GustiloⅠ、Ⅱ型，未累及关节面的胫骨远端粉碎性骨折(AO分型，A型)。为保护软组织、避免其进一步损伤、坏死，常选择尽可能不损伤软组织的微创治疗方案。顺行髓内钉由于置入锁钉螺钉范围受限及固定后远端稳定性欠佳有一定局限性。2014年QIU 等[2]、2022 年HIDAYAT等[3]使用锁定板作为外固定装置治疗胫骨远端骨折，均取得了良好效果。2014年KUHN等[4]提出了新型逆行胫骨髓内钉的概念，2022年有学者使用新型逆行胫骨髓内钉治疗胫骨远端骨折，取得良好效果。新型逆行胫骨钉及外置接骨板技术成为治疗胫骨远端粉碎性骨折伴软组织损伤重要措施。
高能量损伤的胫骨远端粉碎性骨折，出现畸形愈合、不愈合等不良结局的风险较高。手术后胫骨、固定装置及骨痂形成了复杂的生物力学系统，而骨折愈合与局部的生物力学环境有着密切相关性：骨折断端应力、应变的大小与骨痂强度、固定装置刚度、固定方式相关。随着时间推移，骨痂逐渐成熟，由纤维骨痂转变为骨性骨痂，强度逐渐增加，断端的应力、应变也发生变化。
钛合金等传统植入材料的弹性模量是皮质骨的5-10倍，金属植入物和皮质骨的模量差异导致应力遮挡效应。骨折愈合早期最大负荷由固定装置分担，而不是骨折断端的骨痂组织[5]，导致断端的负荷刺激明显降低；而动态机械负荷刺激骨折断端间充质干细胞的分化[6]。压应变有助于骨母细胞和成纤维细胞的生长，而切应变会刺激成纤维细胞产生增殖，导致骨表面应力的分布不均，从而阻碍骨折的愈合[7]。
胫骨远端粉碎性骨折为二期愈合，由骨折断端间微动诱导，最佳微动范围为0.2-1.0 mm[8-9]，骨折断端的轴向微动促进骨痂组织的形成，而横向微动会抑制骨痂组织的产生[10]。骨痂组织形成不足可导致延迟愈合或不愈合。
逆行髓内钉及外置接骨板治疗胫骨远端干骺端粉碎性骨折，在骨折愈合不同时期、不同负重情况时骨折端应变、应力遮挡情况未见报道。此次研究采用有限元方法，比较骨折愈合不同时期逆行髓内钉及外置接骨板2种固定方式的生物力学差异，旨在为胫骨远端粉碎性骨折的治疗方案选择及康复锻炼提供生物力学依据。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计有限元力学分析实验。
1.2 时间及地点实验于2023年1-4月在济宁医学院附属滕州市中心人民医院完成。
1.3 对象选择1名40岁男性志愿者，身高176 cm，体质量75 kg。发育正常，排除肿瘤、骨质疏松等骨质异常情况。志愿者对实验方案知情同意并签署知情同意书。此次研究符合济宁医学院附属滕州市中心人民医院相关伦理要求(医院伦理批件号：2023-伦理审查-33)。
1.4 仪器和软件 128排双源螺旋CT(德国Siemens公司)，Mimics 21.0软件(比利时Materialise公司)，Geomagic 2017软件(美国Geomagic公司)，Solidworks 2021(美国达索公司)，ANSYS Workbench 2019(美国ANSYS公司)。
1.5 实验方法
1.5.1 胫骨三维模型的构建使用128排双源螺旋CT对志愿者进行小腿扫描，获取右胫骨原始素DICOM数据。扫描条件：120 kV，100 mAs，层厚0.625 mm。将DICOM数据导入Mimics软件中，确定阈值。根据CT值分离出骨组织，然后对其进行区域增长、腔隙填充、编辑蒙罩、包裹和光滑等步骤生成stl文件。然后导入Geomagic软件中进行精确曲面、表面拟合等操作生成stp格式的实体模型。用Solidworks软件分割，切除5 mm胫骨(具体位置：胫骨远端关节线以上4.0-4.5 cm)，模拟胫骨远端粉碎骨折。

1.5.2 固定系统及骨痂建模建立2种固定装置模型：胫骨逆行髓内钉、股骨远端外侧接骨板。根据固定装置参数，1∶1建立胫骨逆行髓内钉、股骨远端接骨板及锁定螺钉模型。使用Solidworks软件绘制了胫骨远端逆行髓内钉(大博，Φ8 mm×120 mm)、股骨远端外侧LISS接骨板(强生，9孔)及螺钉。骨痂根据骨折愈合后形成骨痂的实际形状，将骨痂组织设计为梭形，置于骨折断端[11]。胫骨骨折骨、骨痂模型见图1。

1.5.3 有限元模型装配、分组模型分为3组：①无固定装置组；②逆行髓内钉固定组：骨折近端2枚螺钉、远端3枚螺钉；③外置接骨板固定组：骨折两端各3枚螺钉，接骨板至骨皮质的距离20 mm，接骨板最远端螺钉到关节面的距离为5 mm，螺钉分布符合AO治疗原则。固定组均常规标准手术固定方式进行装配。装配后模型见图2。

1.5.4 材料属性设置及网格划分装配体导入Ansys软件中，对骨折固定模型中各材料进行赋值，各材料弹性模量及泊松比[12-13]，见表1。螺钉与接骨板、髓内钉之间及固定装置与胫骨之间设置为绑定关系。骨痂组织不断成熟，在术后9个月分为松质骨骨痂及皮质骨骨痂，设置不同的弹性模量及泊松比[14-15]，见表2。胫骨、髓内钉、钢板、螺钉均采用网格划分采用四面体网格(C3D4)，见表3。

1.5.5 约束条件及载荷设置固定胫骨远端关节面所有单元节点6个自由度作为约束，在胫骨平台施加载荷，胫骨平台内侧承受总载荷的60%，外侧为40%[16-17]。在胫骨平台上施加800 N的垂直载荷模拟正常成人在站立及缓慢行走主要应力，在胫骨平台上施加1 500 N的垂直载荷模拟快速行走时的主要应力。模型坐标方向见图1。

1.6 主要观察指标骨折愈合不同时期(术后0，1，3，6，9个月)，不同固定方式下骨折端位移、胫骨应力遮挡、骨痂应力、胫骨及固定装置应力分布情况；测量胫骨上段的下表面(即骨痂的上表面)的应力遮挡率，应力集中部位应力定义为最大应力部位及其周围10个点应力的平均值。

讨论

高能量损伤容易导致多发伤，如暴力直接作用于小腿，其损伤常表现为胫骨远端干骺端粉碎性骨折伴软组织损伤。该类型损伤其局部软组织覆盖和血供较差，延迟愈合和骨不连的并发症较高，处置较为困难。
对于软组织严重挫伤及GustiloⅠ、Ⅱ型，未累及关节面的胫骨远端粉碎性骨折，可采用外固定治疗。使用锁定板作为外固定装置治疗该类型损伤，可减少对软组织的损伤，保护血液循环，减少医源性损伤，同时具有低剖面和角度稳定性，可隐藏在衣服下，更容易被患者接受。逆行髓内钉由内踝微创置入，具有远端段的角度稳定锁定，是胫骨远端粉碎骨折的新方案。
骨折的愈合分为血肿机化期、骨痂形成期以及骨痂塑形期。骨折行复位固定术后，胫骨、骨痂、固定装置形成复杂的生物力学系统，骨痂及固定装置周围的局部生物力学环境可能会影响骨折愈合的生物反应，表现为随着骨折愈合，骨折断端的弹性模量变化和时间呈强非线性关系，而骨折愈合需要适度的力学刺激，与骨折固定方式等因素密切相关[20]。
胫骨骨折固定后，固定装置作为骨折断端之间的机械桥梁进行骨折之间的负荷传递，并稳定骨折端、减少断端间的相对移动，这为骨折愈合创造了有利的力学环境。而下肢负荷由断裂的胫骨及固定装置承担，且与固定装置和骨痂的相对刚度成比例[21]。
粉碎性骨折的愈合取决于骨痂组织的形成。骨折发生后间充质干细胞集中在骨痂部位，其根据机械刺激分化为不同的细胞：压缩应力刺激软骨形成，拉伸应力刺激结缔组织的产生，两者结合导致纤维软骨的产生。骨由软骨(软骨内骨化)或结缔组织(膜内骨化)发育而来[22]，在稳定的机械环境中，骨折部位的微动可以刺激外骨痂和内骨痂的形成。轴向压缩载荷引起的微动有利于骨折愈合，适宜的微动距离是0.2-1.0 mm，如果超过2 mm，将对骨折愈合产生负面影响[9，18，23-25]。骨断端应变为2%-10%时，有利于骨痂生长；而当骨痂应变小于2%时，骨痂生长得不到充分的刺激；当应变大于10%时，会影响到固定系统的稳定性，可能引起固定失效或骨痂处二次断裂等问题[6]。在骨折愈合过程中，首先由软骨和结缔组织组成的软骨痂代替血肿，然后软骨内成骨从外部形成坚硬的骨痂。骨折愈合后，根据功能负荷进行重塑，骨骼重塑是由动态负荷驱动的，循环压缩导致更快的骨折愈合，而静态载荷不会加速骨折愈合[26]。
骨折部位运动在愈合组织上产生影响骨形成的机械应变。轴向微运动使扩张应变最大化，而剪切运动使愈合组织上的偏差应变最大化，扩张应变促进骨愈合，偏差应变延缓骨愈合[27]。通过分析在载荷作用下骨断端间隙大小的变化，能够量化骨痂被压缩的程度，进而评估骨折固定的稳定性和骨痂所受到的力学刺激[28]。此次研究中，在正常负重行走模型中，逆行髓内钉及外置接骨板组断端垂直位移均在1 mm内；2种固定方式的水平内外方向位移最大，但逆行髓内钉组断端各方向的微动距离均在适宜范围。术后0，1个月时外置接骨板组的水平方向位移明显大于2 mm，考虑为外置接骨板放置在胫骨内侧、进行偏心固定，胫骨外侧无支撑，导致外侧移位过大。逆行髓内钉组在800 N及1 500 N负荷中，断端总位移均小于2 mm，表明逆行髓内钉固定允许胫骨远端粉碎骨折术后早期负重活动。外置接骨板组在800 N负荷时术后断端总位移均明显大于2 mm、术后1个月小于2 mm，1 500 N负荷时术后1个月位移大于2 mm，表明外置接骨板固定不允许早期完全负重活动，需要在拐杖等保护下部分负重活动，术后1个月后方可在保护下完全负重缓慢行走。
最大应力是评估植入物轴承安全性的重要指标。如果最大应力超过植入物的屈服强度，它们将弯曲甚至断裂。胫骨最大应力随着骨折的愈合逐渐降低，在快速行走时，逆行髓内钉固定组胫骨最大应力为26 MPa，外置接骨板固定组胫骨最大应力为285 MPa，出现在螺钉钉孔处。正常缓慢行走时，外置接骨板固定组胫骨最大应力为158 MPa，出现在螺钉钉孔处。而皮质骨的牵张强度为(135±15.6) MPa，压缩强度(205±17.3) MPa[20]。表明使用逆行髓内钉治疗胫骨远端粉碎骨折允许早期负重活动；而使用外置接骨板，早期只能在保护下进行部分负重，术后1个月后方能完全负重缓慢行走，避免出现术后胫骨最大应力大于胫骨屈服强度，在螺钉钉孔处发生骨质破坏甚至断裂。
根据Wolff理论，应力刺激可以影响骨骼的成形和重建。当2种或2种以上的材料形成一个机械系统时，弹性模量较大的材料会承受更多的载荷[18，29]。使用具有高刚度和高弹性模量的钢板等固定骨折，会导致大部分载荷由钢板传递，而骨组织承担的载荷很少[30]。骨痂组织在固定装置和胫骨之间的负荷分布中起重要作用，随着骨痂组织的成熟，固定装置和骨骼之间的负荷分布发生变化，压力逐渐从固定器转移到骨骼，到后期，应力主要集中在骨骼上，骨骼能够承受相当一部分负荷[11]。此次研究显示骨折术后早期逆行髓内钉及外置接骨板的应力遮挡率大致相同，骨折端应力在20%左右，处于较理想范围。术后3个月后接骨板应力遮挡率明显降低，维持在4%左右；而逆行髓内钉的应力遮挡率维持在30%-40%。此次研究表明不同载荷下固定装置的应力遮挡率是一致的。
适宜的动态负荷可以促进骨痂的形成和矿化，加速骨折愈合，早期进行动态负荷更有利于骨折愈合[25]。使用逆行髓内钉治疗胫骨远端粉碎骨折，早期负重活动时骨折断端间的应变及应力均在适宜范围内，鼓励早期进行负重活动，但仍需在保护下进行。在骨折愈合后期，其仍存在30%-40%的应力遮挡，应加强负重活动的强度，促进骨折断端更好的愈合。而使用外置接骨板，早期完全负重行走时，其应变过大、螺钉孔部位应力过大，需避免完全负重活动，应在保护下进行部分负重的功能锻炼。在骨折愈合后期，接骨板应力遮挡率仅在4%左右可进行正常活动，可能无需增加锻炼时的负重载荷。
此次研究的局限性：首先此次研究仅对胫骨远端骨折中的粉碎性骨折进行了分析，分析了垂直应力的情况、没有研究膝关节旋转时的应力情况；同时忽略了腓骨对小腿稳定的辅助支撑作用。而外置接骨板的螺钉数量、螺钉间的跨度也对骨折端的应力、应变产生影响，可行进一步力学研究。同时该研究模拟骨痂愈合的过程，并非完全真实的复杂骨愈合过程。
综上所述，在胫骨远端粉碎性骨折伴软组织损伤的治疗中，在骨折愈合早期，胫骨逆行髓内钉组中骨折端应变小、胫骨最大应力适中，允许早期负重；外置接骨板组骨折端存在应变过大、胫骨最大应力过大，需在保护下部分负重、不能完全负重。在骨折愈合中后期，胫骨逆行髓内钉及外置接骨板组骨折端应变、胫骨最大应力均变小，且接骨板的应力遮挡率明显低于胫骨逆行髓内钉。中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

有限元法分析不同固定方式在胫骨远端粉碎性骨折骨愈合中的生物力学差异

Biomechanical difference of different fixation methods in bone healing of distal tibial comminuted fractures analyzed by finite element method

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