青壮年Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折3种内固定方案的生物力学分析

doi:10.12307/2025.849

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (33): 7102-7108.doi: 10.12307/2025.849

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

青壮年Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折3种内固定方案的生物力学分析

张子义1，2，覃祺1，2，阿里木江·玉苏甫1，2，刘宇哲1，2，玉素甫·热合曼1，2，冉建1，2

1新疆医科大学，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830054；2新疆医科大学第六附属医院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830092

收稿日期:2024-05-13 接受日期:2024-08-12 出版日期:2025-11-28 发布日期:2025-04-12
通讯作者: 冉建，主任医师，新疆医科大学，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830054；新疆医科大学第六附属医院，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830092
作者简介:张子义，男，1997年生，江苏省徐州市人，汉族，新疆医科大学在读硕士，主要从事骨科创伤方面的研究。
基金资助:
新疆维吾尔自治区研究生创新项目(XJ2023G186)，项目负责人：阿里木江·玉素甫

Biomechanical analysis of three internal fixation schemes for Pauwels type III femoral neck fractures in young adults

Zhang Ziyi1, 2, Qin Qi1, 2, Alimujiang·Yusufu1, 2, Liu Yuzhe1, 2, Yusufu·Reheman1, 2, Ran Jian1, 2

1Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, Xinjiang Uygur Autonomous region, China; 2Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830092, Xinjiang Uygur Autonomous region, China

Received:2024-05-13 Accepted:2024-08-12 Online:2025-11-28 Published:2025-04-12
Contact: Ran Jian, Chief physician, Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, Xinjiang Uygur Autonomous region, China; Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830092, Xinjiang Uygur Autonomous region, China
About author:Zhang Ziyi, Master candidate, Xinjiang Medical University, Urumqi 830054, Xinjiang Uygur Autonomous region, China; Sixth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumqi 830092, Xinjiang Uygur Autonomous region, China
Supported by:
Xinjiang Uygur Autonomous Region Graduate Innovation Project, No. XJ2023G186 (to AY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

PauwelsⅢ型股骨颈骨折：是指股骨颈骨折时远端骨折线与两髂嵴连线所形成的角度> 50°。
青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折的治疗方案：青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折首选内固定治疗，但因为这种骨折非常不稳定，由于角度接近垂直，骨折端存在较大的剪切应力和旋转应力，使得固定极为困难，内固定方式目前仍没有统一标准。

背景：青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折的治疗极为棘手，内固定治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折时，不仅需保障内固定物的机械稳固性，更要确保其能够抵抗剪切、压缩和张力的冲击，防止在骨折愈合过程中内固定物因疲劳而断裂或松动。然而，现有的内固定方式还不能完全满足要求。

目的：期望能够为临床治疗青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折时，提供更为合理、有效的内固定方式选择，从而优化治疗效果，减少并发症的发生，提高患者的康复速度和生活质量。
方法：利用志愿者股骨CT数据构建了Pauwels角为70°的股骨颈骨折模型，设置3种置入方式：①股骨颈动力交叉钉系统组：股骨颈动力交叉钉系统主钉位于股骨颈轴位中心；②联合组：股骨颈动力交叉钉系统主钉位于股骨颈轴位的偏下1/3，1枚空心钉位于股骨颈轴位的偏上1/3；③空心钉组：3枚空心钉的布置以经典的倒三角形状排列，确保固定效果的最大化。分析3种不同内固定方式下股骨近端骨折块和内固定装置的应力分布和位移；

结果与结论：①3组股骨近端模型的应力均集中在骨折线附近，联合组(201.10 MPa) <股骨颈动力交叉钉系统组(222.25 MPa) <空心钉组(271.25 MPa)；②股骨近端移位峰值均位于顶部，联合组(6.33 mm) <股骨颈动力交叉钉系统组(9.37 mm) <空心钉组(9.92 mm)；③内固定应力均集中于骨折断端处的螺钉表面，并从该处向两侧逐渐延伸，空心钉组(136.67 MPa) <联合组(201.10 MPa) < 股骨颈动力交叉钉系统组(222.25 MPa)； ④内固定装置模型位移最大处均位于内固定物的最顶端，3组均由顶部至远端逐渐减小，位移峰值分别为：联合组(6.21 mm) <股骨颈动力交叉钉系统组(9.19 mm) <空心钉组(9.51 mm)；⑤3组模型的近端骨块应力主要集中在骨折断端，特别是在骨折端靠下方的区域，这表明这些区域在力学传递过程中承受了较大的应力和应变，联合组(24.96 MPa) <股骨颈动力交叉钉系统组(39.69 MPa) <空心钉组(44.47 MPa)；⑥结果说明股骨颈动力交叉钉系统联合空心钉在冠状面呈平行排列的内固定策略，相较于单一的股骨颈动力交叉钉系统固定或倒三角形空心钉固定，展现出了更高的生物力学稳定性，为青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折提供了更为可靠和有效的治疗方案。

https://orcid.org/0009-0005-4986-0129 (张子义)

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: 股骨颈骨折, 股骨颈系统, 空心钉, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: The treatment of Pauwels type III femoral neck fractures in young adults is extremely difficult. When treating Pauwels type III femoral neck fractures with internal fixation, it is not only necessary to ensure the mechanical stability of the internal fixation, but also to ensure that it can resist the impact of shear, compression and tension, so as to prevent the internal fixation from breaking or loosening due to fatigue during the fracture healing process. However, existing internal fixation methods do not fully meet our requirements for the treatment of this fracture.
OBJECTIVE: To provide a more reasonable and effective choice of internal fixation mode for clinicians in the treatment of young adults with Pauwels type III femoral neck fracture, so as to optimize the treatment effect, reduce the occurrence of complications, and improve the recovery speed and quality of life of patients.
METHODS: A femoral neck fracture model with Pauwels angle of 70° was constructed using CT data extracted from volunteers, and three placement modes were set up: (1) femoral neck system group: the main nail of femoral neck system was located in the center of the femoral neck axis. (2) Combination group: The main nail of femoral neck system was located in the lower third of the femoral neck axis, and a cannulated compression screw was located in the upper third of the femoral neck axis. (3) Cannulated compression screw group: The arrangement of three cannulated compression screws was arranged in the classic inverted triangle shape to ensure the maximum fixed effect. Stress distribution and displacement of proximal femoral fracture fragments and internal fixation devices were analyzed under three different internal fixation methods.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The stress of the proximal femur models in the three groups was concentrated near the fracture line: combination group (201.10 MPa) < femoral neck system group (222.25 MPa) < cannulated compression screw group (271.25 MPa). (2) The peak value of proximal femur displacement was located at the top: combination group (6.33 mm) < femoral neck system group (9.37 mm) < cannulated compression screw group (9.92 mm). (3) The internal fixation stress was concentrated on the screw surface at the broken end of the fracture and gradually extended from there to both sides; cannulated compression screw group (136.67 MPa) < combination group (201.10 MPa) < femoral neck system group (222.25 MPa). (4) The maximum displacement of the internal fixation device model was located at the very top of the internal fixation. The three groups gradually decreased from the top to the far end. The peak displacement values of combination group (6.21 mm) < femoral neck system group (9.19 mm) < cannulated compression screw group (9.51 mm). (5) The stress of proximal bone mass in the three models was mainly concentrated in the fracture end, especially in the lower part of the fracture end. This indicates that these regions were subjected to greater stress and strain during mechanical transfer; combination group (24.96 MPa) < femoral neck system group (39.69 MPa) < cannulated compression screw group (44.47 MPa). (6) The results indicate that the internal fixation strategy of femoral neck system combined with cannulated compression screw arranged in parallel coronal surface shows higher biomechanical stability than single femoral neck system fixation or cannulated compression screw in inverted triangle arrangement fixation, and provides a more reliable and effective solution for the treatment of Pauwels type III femoral neck fracture in young adults.

Key words: femoral neck fracture, femoral neck system, cannulated compression screw, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

张子义, 覃祺, 阿里木江·玉苏甫, 刘宇哲, 玉素甫·热合曼, 冉建. 青壮年Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折3种内固定方案的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(33): 7102-7108.

Zhang Ziyi, Qin Qi, Alimujiang·Yusufu, Liu Yuzhe, Yusufu·Reheman, Ran Jian. Biomechanical analysis of three internal fixation schemes for Pauwels type III femoral neck fractures in young adults[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(33): 7102-7108.

图/表（结果） 6

2.1 股骨近端的应力分布及峰值 3种固定模型整体的主要应力分布都集中在骨折端周围，特别是靠近骨折端下方的区域。这是因为骨折端是力学传递的关键点，承受着骨折两端相对运动所产生的应力和应变。空心钉组的应力峰值最高，为271.25 MPa，提示在空心钉组内固定模型下，骨折端及其周围区域可能面临更高的应力风险，需要特别注意骨折愈合过程中的力学环境。FNS组的应力峰值为222.25 MPa，较空心钉组低，这个峰值表明在FNS组内固定模型下，骨折端及其周围区域承受了相对较低的应力。联合组的应力峰值为201.1 MPa，与FNS组相比更低，意味着联合组的内固定模型在分散应力或降低应力集中方面表现最好。见图4及表2。

2.2 股骨近端模型的位移及峰值 3种内固定模型的股骨位移均集中于股骨头顶部，自顶部至股骨远端位移逐渐减小。位移峰值：FNS组为9.368 2 mm，联合组为6.329 6 mm，空心钉组为9.916 4 mm，其中空心钉组最大，联合组最小。见图5及表2。

2.3 内固定装置的应力分布及峰值在对比3种不同的内固定装置模型时，发现这些模型的应力分布主要集中在骨折断端处的螺钉表面，并从该处向两侧逐渐延伸。空心钉组的应力主要分布在骨折端周围，最下方的螺钉承受着较最高的应力，实现了较好的应力分散效果，应力峰值达到136.67 MPa，是3组中应力峰值最低的，但是从应力分布云图上看，其显示出较高的应力集中。FNS组的应力主要集中在支撑棒与拉力螺钉的上下表面，表明该区域的应力承受较为集中，应力峰值为222.25 MPa，相较于空心钉组明显升高，但从应力分布云图中分析，其整体的应力分布较空心钉组均匀，且能够更好地将应力向远端传导。联合组从云图整体上分析，这种应力分布方式在3组模型中最为均匀，主要集中在2枚交叉钉与空心钉的上下表面，应力峰值为201.10 MPa，相比于FNS组也更低，显示出最好的应力分散和承载效果。见图6及表2。

2.4 内固定装置的位移及峰值 3种模型内固定装置位移最大处均位于内固定物的最顶端。3组均由顶部至远端逐渐减小。位移峰值：FNS组为9.187 5 mm，联合组为6.209 4 mm，空心钉组为9.508 9 mm，其中空心钉组最大，联合组最小。见图7及表2。

2.5 近端骨块的应力分布及应力峰值在评估3组不同的内固定装置模型对近端骨块应力的影响时，观察到以下应力分布和峰值特点：3组模型的近端骨块应力主要集中在骨折断端，特别是在骨折端靠下方的区域，这表明这些区域在力学传递过程中承受了较大的应力和应变。空心钉组的应力峰值达到了44.473 MPa，是3组中最高的，这表明在空心钉组的内固定方式下，近端骨块在骨折端下方区域的应力集中现象最为明显。FNS组的应力峰值相对较低，为39.693 MPa，这一结果说明FNS组在减少应力集中、优化应力分布方面表现出较空心钉组更好的性能。联合组的应力峰值为24.959 MPa，应力峰值最低，且从云图上看，其近端骨块的应力分布也更均匀合理。综上所述，虽然3组模型在近端骨块的应力分布上表现出相似的特点，但应力峰值的大小和分布却存在明显差异。见图8及表2。

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引言

青壮年股骨颈骨折多由高能量创伤所致，如车祸伤、高处坠落伤等[1-3]，其损伤较为严重，骨折断端移位明显、皮质碎裂厉害，骨折难以复位，股骨近端血运破坏严重，出现并发症的概率较高[4-5]。PauwelsⅢ型股骨颈骨折多见于青壮年患者[6-7]，这种骨折非常不稳定，由于角度接近垂直，骨折端存在较大的剪切应力和旋转应力，使得固定极为困难，容易导致骨折端移位、骨不连和股骨头坏死等各种并发症[8]。根据以往的研究，PauwelsⅢ型骨折不愈合和股骨头坏死的发生率分别为16%-59%和11%-86%[6]。因此，青壮年股骨颈骨折被称为“未解决骨折”[9]。
对于青壮年股骨颈骨折患者，治疗目的首要是尽早实现解剖复位固定，促进骨折愈合。决定内固定成功的几个因素包括骨密度、Pauwels类型、复位质量、植入物类型和植入物定位，刚性固定是其中之一[10-11]。
众所周知，尽可能达到解剖复位和稳定牢靠的内固定是使骨折成功愈合极为重要的因素。目前临床上，针对青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折的主流治疗手段包括采用空心钉、股骨颈动力交叉钉系统(femoral neck system，FNS)等内固定技术，这些方法的共同目标都是为了确保骨折端的稳定，促进骨折愈合，同时减少并发症的发生。由于PauwelsⅢ型股骨颈骨折断端更大的剪应力，这些治疗方法仍可能导致许多术后并发症。
传统3枚平行空心钉治疗PauwelsⅠ、Ⅱ型骨折，是临床上常用的选择[12]。但在治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折时，由于其股骨头内翻、垂直剪切力较大等独特的生物力学特点，难以形成稳定的固定[13]，表现出较高的股骨头坏死和骨不连的风险。
最新开发的FNS由支撑棒、拉力螺钉、锁定板及锁定钉组成，其稳定性归因于由支撑棒和锁定板之间有130°的颈干角，可确保角稳定性；支撑棒与拉力螺钉成7.5°发散角，具有抗旋稳定性，其设计旨在结合现有不同内固定方式的优点，结合压缩和抗旋转能力，具有切口小、创伤小、内固定占位小、生物力学强度高等优势。最近报道的临床结果显示，FNS治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折实现了类似于多头拉力螺钉技术的微创固定，并具有与动力髋螺钉相当的机械强度[14-15]。然而，有学者认为，FNS对骨折断端的固定属于单平面稳定，单平面稳定的FNS不能对不稳定型股骨颈骨折提供完整、有效的力学支持，可能会有一部分病例术后出现髋内翻、螺钉切出及骨折复位丢失等情况[16]。FNS作为一款新的内固定装置，虽然生物力学测试优于空心钉，但有回顾性研究显示，与空心钉相比，FNS在预防股骨颈缩短方面存在缺陷，未来的研究应侧重于在预防股骨颈缩短方面改善FNS[17]。
目前关于FNS联合空心钉的应用报道较少，葛双雷等[16]通过回顾性队列研究发现FNS联合空心钉在治疗伴后内侧粉碎的中青年股骨颈骨折方面较单纯FNS有一定的优势。该方案具有以下优点：①加用1枚空心钉，有利于将骨折块之间的剪切力转化为骨折断端的加压力，从而促进骨折愈合；②可降低骨缺损不稳定导致的复位丢失的可能性，使得复位后整体稳定性得到保障；③加用的1枚空心钉可与FNS支撑棒及拉力螺钉形成更稳定的空间构型，使其抗旋力明显提高。此空间构型使FNS固有的抗剪切力与抗滑移的特性增强，有效降低了髋关节内翻、骨折复位丢失、股骨颈短缩等情况的发生，防止退钉引起的股骨颈短缩。通过尽可能的解剖复位和对骨折部位合理且坚强的固定，可降低骨量减少，最大程度地减少对股骨颈、股骨头血供的破坏，减轻关节内压力，促进血管重建，进而促进骨折愈合及髋关节功能恢复。
这种新兴的FNS联合空心钉的内固定方式在目前的研究中关注度较少，因而，此次研究采用有限元分析技术，分析了3种不同内固定方式在治疗青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折时对骨折部位生物力学稳定性和应力分布特性的影响，从而为临床医生选择手术方式、患者术后早期功能锻炼及减少术后并发症提供理论依据。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 设计有限元分析实验。
1.2 时间及地点实验于2023年6-10月在新疆医科大学第六附属医院完成。
1.3 对象选择1名30岁没有股骨和髋关节疾患和创伤病史的中国青壮年男性，身高175 cm，体质量70 kg，无骨质疏松、肿瘤等疾病。
志愿者对实验方案知情同意，实验方案符合新疆医科大学第六附属医院伦理审查标准(审批号：LFYLLSC20240718-01)。
实验软件：Mimics Medical 21.0、Geomagic wrap 2021、SOLIDWORKS 2019、Workbench 2021 R2(Ansys)，均由新疆医科大学第六临床医学院生物力学实验室提供。
1.4 方法
1.4.1 建立股骨模型将从志愿者获得的股骨CT数据导入Mimics 21.0(Materialise公司，比利时)，通过阈值分割、区域增长等命令建立粗略股骨模型，将其导入到Geomagic 2021(Raindrop Geomagic公司，美国)中，对模型进行三角面片细分、降噪、光滑等处理，通过精确曲面等过程对其进行曲面化，并构建得到股骨松质骨与皮质骨的三维模型，上述模型导入Solidworks(Dassault Systemes公司，法国)软件中，进行实体重构，根据改良的Pauwels分型[18]，切割骨折线为Pauwels角=70°(图1)。

1.4.2 内固定模型的建立及分组利用SolidWorks软件，参照FNS产品手册，构建了直径为10 mm的支撑棒，并确保其与锁定板之间形成130°的夹角。同时，设计了直径为6.5 mm的拉力螺钉，并使其与支撑棒之间保持7.5°的夹角。此外，还组装了包括锁定板和锁定钉在内的股骨颈系统模型，所有组件均采用钛合金材料制成。为了简化实验过程，构建了6.5 mm和7.3 mm的空心钉，并将螺纹截面简化为圆柱体，因为实验的重点并不在于螺纹的详细结构。在完成这些步骤后，利用SolidWorks软件将这些内固定模型准确地置入股骨模型中，以便进行后续的生物力学分析。控制软骨下骨与尖顶距(< 25 mm)之间的距离保持不变。在股骨颈的正位X射线片中沿着股骨颈皮质做2条平行线进行三等分(图2)，来确定内植物在股骨颈内的位置。分为3种置入方式(图3)：

FNS组：FNS主钉位于股骨颈轴位的中心(有研究表明在进行临床股骨颈动力交叉钉系统内固定手术时，植入物的最优置入位置还是应该位于股骨中心处，此位置下应力分布更为均匀，内固定系统生物力学稳定性更好)。
联合组：FNS主钉位于股骨颈轴位的偏下1/3(由于股骨颈解剖上的个体差异及术者的临床操作水平不同，为空心钉预留空间，有时将植入物置于靠近股骨中心下方和后方时，从生物力学的角度对整个内固定系统的稳定性并不会产生太大的影响，尽量贴近股骨颈下缘。股骨颈中下部骨质量更好，更贴近股骨矩，内固定强度大，生物力学稳定)，1枚6.5 mm全螺纹空心钉位于股骨颈轴位偏上1/3。
空心钉组：3枚空心钉的布置以倒三角形状排列，确保固定效果的最大化。具体而言，1枚空心钉被精准地置入股骨距处的皮质中，以提供基础支撑；而另外2枚空心钉则分别紧贴股骨颈的后上侧和前上侧皮质，以增强整体的稳定性。这3枚空心钉在放置时均保持了与股骨颈轴线的平行，并且尽可能分散，以分散应力并优化力学分布。
1.4.3 内固定置入将3种内固定方式在Solidworks的装配体功能下分别置入之前建立好的骨折模型中，利用布尔运算构建出内固定置入后形成的带缺损的骨折模型，置入内固定。保存为X-t格式后在ANSYS 2021软件中进行下一步处理。

1.4.4 材料属性及边界条件根据文献报道[19-22]，对股骨骨皮质、骨松质以及内固定模型分配不同的材料属性，详情见表1。将内固定和骨、内固定之间设为绑定接触，骨折表面上使用摩擦接触，摩擦系数设定为0.46 [23]。根据VAN HOUCKE等[24]报道结果(根据杠杆原理，人体在一条腿站立时髋关节的受力为体质量的 3.3倍)进行载荷力的设置。对股骨远端分割面节点施加全约束，约束 X、Y、Z 3个方向的自由度，以防止刚体运动。

1.5 主要观察指标观察3种不同内固定方式下股骨近端及内固定装置的应力分布、峰值应力和峰值位移。

讨论

此次实验采用有限元法分析了倒三角形排列的空心钉、单独FNS内固定装置以及FNS与空心钉在冠状面平行组合这3种方式治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的应力、移位、应变等特点，结果显示在模拟单腿站立(2 310 N)的载荷下，联合组股骨颈下1/3 FNS+上1/3螺钉的内固定模型所受到的应力最小，应力最为分散，且应力峰值均在骨折线附近，向远端逐渐递减，这说明起到了更好的抗压缩与抗剪切的作用；说明和另外两组相比，用FNS+空心钉在冠状面上平行的组合(联合组)固定时，发生髋内翻、螺钉切出及骨折复位丢失等情况的风险更小，该方案的生物力学结构更合理，应力分布更均匀、力学传导特性更优异。这种FNS+空心钉在冠状面上平行的组合，位于股骨颈下1/3的主钉能有效地将股骨距受到的压应力分散，位于股骨颈上1/3的空心钉能够增加股骨颈骨折处的防旋能力，可为股骨骨折的愈合提供优越的力学环境。
股骨头与髋臼构成的髋关节是典型的球窝式关节。股骨颈位于关节囊的深处，被关节囊所包裹。股骨颈的血液供应主要来源于旋股内侧动脉和旋股外侧动脉的分支，以及支持带动脉和闭孔动脉发出的圆韧带动脉，这些血管网络共同维持着股骨颈的血液循环，对其生长、修复和日常功能至关重要。股骨颈骨折的发病率越来越高，其发病已不再局限于老年人，尤其是高能量引起的垂直骨折，以青壮年最多见[25]。由于股骨颈的血供相对较差，一旦受到外力作用导致骨折，这些血运系统将遭到严重破坏，尤其是随着Pauwels角的增大，血供的破坏也就更加严重，很容易导致骨不连、股骨头坏死等并发症。对于年轻的股骨颈骨折患者，最常用的治疗方案无疑是保留髋关节的内固定手术，近年来，股骨颈骨折内固定术后并发症居高不下[26-27]，牢固可靠的内固定与解剖复位极其关键。虽然已有多种手术方案如空心钉、股骨颈系统等被广泛应用。然而，关于青壮年PaulwelsⅢ型股骨颈骨折的最佳固定方式仍然存在争议。
空心钉具有置入微创、操作简便、骨量丢失少以及血供保护等优点，受到了临床医师的推崇和认可[28]。根据以往的研究，仅空心钉固定后骨不连的发生率为7.4%-19%，股骨头坏死率为11.5%-14.3%，内固定失败率为9.7%-13.1%[29-31]。倒三角形平行进钉的方式允许骨折端沿着股骨颈长轴的方向上滑动，使断端有持续的加压；然而，平行进钉的方式仅能够在股骨颈轴线的方向上提供足够的压力，随着Pauwels角的增大，骨折线更加垂直于地面，断端承担的剪切力更大，平行排列的空心钉无法有效地将剪切力均匀分散，断端局部的应力过于集中，使得骨痂的形成不连续、不均匀。在应对伴有内侧缺损的股骨颈骨折时，内侧支撑不足较易发生内翻畸形。同时，倒三角形平行进钉方式的各个空心钉之间无关联，抗旋能力较差。此次研究结果发现，相对于另外两组，空心钉组的骨质(271.25 MPa)与内固定物(136.67 MPa)上应力均过于集中在断端周围，近端骨块的应力峰值(44.47 MPa)更高，移位(9.92 mm)更大。
FNS作为解决股骨颈骨折的新型内固定物，自在临床应用以来表现优异，支撑棒与拉力螺钉呈7.5°发散角且相互锁定，提供足够的抗旋力；交叉钉与锁定板呈固定的130°，能够有效地将断端的剪切力沿着动力棒、锁定板向下传导，同时提供一定的角稳定性。有研究表明，当主钉角度为130°时，FNS具有最优的应力分布特性、最小的股骨近端位移和治疗亚洲人群股骨颈骨折的最佳稳定
性[32]。生物力学和临床研究表明，FNS的抗剪切性较空心钉略有改善[33]。此次实验结果中，FNS生物力学测试优于空心钉。近日，一项荟萃分析纳入了448例股骨颈骨折患者，分别接受FNS与空心钉治疗，结果显示，在X射线暴露次数、骨折愈合时间、股骨头坏死率、置入失败率等方面，与空心钉相比，FNS在治疗股骨颈骨折时表现出更好的临床疗效和安全性[34]。但总体来说，FNS在降低股骨头缺血坏死和骨不连这两类主要术后并发症方面并未体现出明显优势，对能否缩短手术时间和减少X射线辐射量也存在争议[35-38]。FNS自2017年引入国内后，临床应用研究中的比较结果显示，经FNS治疗的患者早期预后优于空心钉和动力髋螺钉[39-40]。交叉钉与锁定板有约2 cm的滑动加压距离，虽然骨折端滑动加压技术提供利于愈合的力学环境，但也增加了股骨颈短缩、螺钉切出等风险，从而导致外展肌力臂缩短、偏心距减少，对髋关节功能、步态等产生影响[41]。在术后随访过程中有相当一部分移位型股骨颈骨折患者在影像学上表现出股骨颈短缩，步态表现为跛行。有学者在有限元实验中发现，股骨颈系统内固定模型的股骨近端、骨折端、股骨距、Ward 三角的应力峰值以及股骨近端、内固定装置的位移峰值均低于空心加压螺钉和动力髋螺钉内固定模型[42]。此次实验结果也显示，FNS组相对于空心钉组表现出更均匀的应力分布与更低的断端移位。
FNS在置入过程中对位置的精准度有很高的要求，在其上方新增1枚空心钉会增加更多的术中透视次数、手术时间及出血量。但是随着手术机器人更多地应用于临床，可明显减少该弊端。荆玉龙等[43]使用第3代手术机器人辅助定位并置入FNS配套导针，与徒手置入导针相比，机器人辅助定位并置入导针显著减少了导针置入次数和术中出血量，提高了手术效率。
FNS与空心钉在冠状面上平行置入的组合在此次实验中表现最佳，分析原因可能是该组合在FNS优势上有所保留，新增的1枚上方的螺钉增加了对股骨颈外侧的把持力，可将外侧的张应力有效转化为压应力，进一步提升抗剪切力与抗内翻力。近期有报道显示，应用FNS联合支撑空心钉治疗伴后内侧粉碎的中青年股骨颈骨折，能降低FNS固定术后骨折复位丢失、螺钉切出、髋内翻及股骨颈短缩等并发症[1]。此次实验结果也显示，相对于另外两组，FNS与空心钉在冠状面上的平行置入的组合表现出极佳的应力分布与抗移位能力。
此次实验有以下局限性：第一，此次有限元分析在建模和载荷应用方面做了一定的简化，如髋关节囊、周围韧带以及附着于大转子和小转子处肌肉牵拉的影响，并没有完全模拟骨骼的实际压力和自然结构；第二，未进行实体生物力学实验验证；第三，此次研究旨在比较稳定性的整体变化趋势，侧重于研究这种内固定方式是否更好，而不是研究其是否可靠，所以结果数据仍然具有特定的参考意义，以上问题将是后续研究的方向。在今后的研究中，将致力于提高模拟的精确度，以更贴近真实情况来模拟股骨颈骨折以及内固定装置的材料特性；同时，作者也将把髋关节周围软组织的影响纳入到实验考量之中。此外，为了验证这些研究结果的有效性，还将借助生物力学实验和临床病例数据的支持。
结论：此次实验结果显示，从生物力学角度分析，FNS+空心钉在冠状面上平行的组合较单一FNS固定和倒三角形空心钉固定具有更好的抗剪切能力、抗旋能力、抗内翻能力以及抗短缩能力。因此，在治疗青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折时，使用FNS+空心钉在冠状面上平行的组合可能是更有利的。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

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生物力学实验是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题进行定量研究的实验。在骨科学，可分为理论生物力学和实验生物力学。后者又可分为在体与离体实验，均需要获取生物体内的器官或细胞作为实验对象，因此样本来源可能受到限制，尤其是对人类样本的获取更加困难。因此实验可重复度底。然而，理论生物力学可以弥补实验生物力学的部分不足，理论生物力学实验通常依赖计算机模拟和数学建模，不需要购买和维护昂贵的实验设备，也不需要大量的实验动物或样本。这使得理论生物力学实验在成本上更为经济，并且能够在短时间内进行多次迭代和修改，从而提高研究效率。因此理论生物力学得到越来越多的认可。#br# 此次研究所使用的有限元分析法就是其中使用较多的理论生物力学法。在有限元分析中，可将复杂的骨组织划分为一个子域的集合，每个子域由有限数量的元素表示，这些元素与共享节点相互连接。根据有限元分析，计算该复杂骨结构的应力、应变和位移特点。#br# 青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折的治疗极为棘手，内固定治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折时，不仅需保障内固定物的机械稳固性，更要确保其能够抵抗剪切、压缩和张力的冲击，防止在骨折愈合过程中内固定物因疲劳而断裂或松动。然而，现有的内固定方式还未完全满足我们对治疗此种骨折的要求。近期有报道显示，应用股骨颈动力交叉钉系统联合支撑空心钉对伴后内侧粉碎的中青年股骨颈骨折能降低术后骨折复位丢失、螺钉切除、髋内翻及股骨颈短缩等并发症。在当前的学术研究中，尽管有限元分析法已被广泛应用于青壮年股骨颈骨折的多种分析，但尚未有研究者对青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折采用FNS联合空心钉的内固定方式进行详细的生物力学分析，因而此次研究通过建立青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折与不同内固定方式组合的生物力学模型，通过有限元实验，计算了3种内固定方式下股骨与内固定模型的移位、应力分布特点及峰值。力求找到一种针对此类骨折更为有效的内固定方法，从而为临床上治疗此类骨折提供了一定的理论依据，为术前规划提供理论支持。#br#

此次实验分别分析了股骨颈动力交叉钉系统(femoral neck system，FNS)、空心钉、FNS联合空心钉治疗青壮年PauwelsⅢ型股骨颈骨折的生物力学特征，此次实验结果提示，与另外两组相比，FNS与空心钉在冠状面平行的内固定方式下股骨及内固定模型的位移更小、应力分布更均匀、生物力学更稳定。

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

青壮年Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折3种内固定方案的生物力学分析

Biomechanical analysis of three internal fixation schemes for Pauwels type III femoral neck fractures in young adults

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