新型股骨颈内固定系统治疗不稳定性股骨颈骨折的有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3810

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (15): 2321-2328.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3810

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新型股骨颈内固定系统治疗不稳定性股骨颈骨折的有限元分析

范智荣1，苏海涛2，周霖1，黄晖达1，周俊德1，江涛2，刘子桃2

1广州中医药大学第二临床医学院，广东省广州市 510405；2广州中医药大学第二附属医院骨科，广东省广州市 510006

收稿日期:2020-06-10 修回日期:2020-06-16 接受日期:2020-07-20 出版日期:2021-05-28 发布日期:2021-01-04
通讯作者: 苏海涛，教授，主任医师，广州中医药大学第二附属医院骨科，广东省广州市 510006
作者简介:范智荣，男，1994年生，广东省肇庆市人，汉族，广州中医药大学在读硕士，主要从事中医药防治骨科疾病方面的研究。
基金资助:
广东省自然科学基金项目(2018A030313694)；项目负责人：江涛

Finite element analysis of novel femoral neck system for unstable femoral neck fractures

Fan Zhirong1, Su Haitao2, Zhou Lin1, Huang Huida1, Zhou Junde1, Jiang Tao2, Liu Zitao2

1The Second Clinical Medical College, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China; 2Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510006, Guangdong Province, China

Received:2020-06-10 Revised:2020-06-16 Accepted:2020-07-20 Online:2021-05-28 Published:2021-01-04
Contact: Su Haitao, Professor, Chief physician, Department of Orthopedics, Second Affiliated Hospital of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510006, Guangdong Province, China
About author:Fan Zhirong, Master candidate, The Second Clinical Medical College, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, Guangdong Province, China
Supported by:
the Natural Science Foundation of Guangdong Province, No. 2018A030313694 (to JT)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
股骨颈内固定系统装置结构：在股骨颈内固定系统模型结构的近端置入一枚与锁定钢板成130°角的直径为10 mm的动力髋螺钉，在同一套筒中置入一枚锁定防旋螺钉，此锁定防旋螺钉的直径为6.4 mm，并与主螺钉成7.5°角，使主钉与锁定防旋螺钉形成钉中钉结构。在股骨颈内固定系统模型的远端置入2枚5 mm的锁定螺钉，使其连接锁定钢板与股骨干。
股骨颈骨折Pauwels分型：PAUWELS根据股骨颈骨折在冠状面中骨折线与髋臼上缘的夹角小于为30°分为PauwelsⅠ型，介于30°-50°为Ⅱ型，夹角大于50°为Ⅲ型骨折。Pauwels角度越大骨折线越接近垂直，骨折端存在的剪切力越大，股骨颈骨折端越不稳定，术后不愈合率越高。中青年患者发生Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折通常是由高能量创伤引起。

背景：股骨颈骨折的治疗策略包括空心螺钉固定、动力髋螺钉固定、髓内钉固定、锁定钢板固定和髋关节置换等，然而目前对于Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的最佳治疗方法仍存在争议。
目的：通过采用三维有限元方法分析新型股骨颈内固定系统(femoral Neck System，FNS)治疗不稳定性股骨颈骨折生物力学特征。
方法：选择1名岁青年健康志愿者的股骨CT影像学资料，并将其导入到医学三维重建软件Mimics 21.0中，得到原始股骨三维模型；将模型输出为STL格式文件并导入到Geomagic Wrap 2017软件中进行优化，构建股骨皮质骨与松质骨结构；将优化后的模型导入至Solidworks 2017软件中，通过布尔运算重建Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折三维模型，Pauwels角度分别设定为50°，60°和70°；使用Solidworks2017软件，按照临床上应用的内固定尺寸大小建模，建立3种内部固定模型(股骨颈内固定系统、正三角形空心螺钉、倒三角形空心螺钉)；最后使用Abaqus 2017软件进行网格划分、施加载荷和数据计算，分析各模型股骨与内固定的应力分布、应力峰值和最大位移。
结果与结论：①无论是何种角度的骨折，3种内固定模型中的股骨近端应力主要分布在内侧股骨距附近，并向四周扩散，其中倒三角形空心螺钉组的应力最大，股骨颈内固定系统组最小；②无论是何种角度的骨折，3种内固定模型中的内固定装置应力主要分布在骨折线附近螺钉中间表面，其中倒三角形空心螺钉组的应力最小，股骨颈内固定系统组最大；③无论是何种角度的骨折，3种内固定模型中的股骨位移峰值主要集中在股骨头顶端，其中倒三角形空心螺钉组的位移峰值最大，股骨颈内固定系统组最小；④无论是何种角度的骨折，3种内固定模型中的内固定装置位移峰值主要在螺钉顶部，其中正三角形空心螺钉组位移峰值最大，股骨颈内固定系统组最小；⑤结果表明，股骨颈内固定系统治疗治疗不稳定性股骨颈骨折的生物力学稳定性中优于空心螺钉，内固定失效风险较空心螺钉低。
https://orcid.org/0000-0002-5259-5160 (范智荣)

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: 骨, 内固定, 骨折, 股骨颈, 股骨颈骨折, 内固定系统, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Treatment strategies for femoral neck fractures include cannulated screw fixation, dynamic hip screw fixation, intramedullary nail fixation, locking plate fixation, and hip replacement. However, the best treatment for Pauwels type III femoral neck fractures is still controversial.
OBJECTIVE: To analyze the biomechanical characteristics of a novel femoral neck system for unstable femoral neck fractures by using a three-dimensional finite element analysis method.
METHODS: The CT imaging data of the femur of a healthy volunteer were selected and imported into the medical three-dimensional reconstruction software Mimics 21.0 to obtain the original three-dimensional model of the femur. The model was exported to an STL format file and imported into the Geomagic Wrap2017 software for optimization so as to construct femoral cortical bone and cancellous bone structure. The optimized model was imported into Solidworks2017 software, and the 3D model of Pauwels type III femoral neck fracture was reconstructed through Boolean operation. The Pauwels angles are set to 50°, 60° and 70°, respectively. Solidworks2017 software was used to establish three types of internal fixation models (femoral neck system, positive triangular hollow screw, and inverted triangular hollow screw) based on clinical fixation procedures and engineering geometric data modeling. Finally, Abaqus2017 software was used for meshing. After applying load and data calculation, the stress distribution, peak stress and maximum displacement of femur and internal fixation were analyzed in each model.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) No matter what the angle of the fracture, the stress of the proximal femur in the three internal fixation models was mainly distributed near the medial femoral talus and spread to the surroundings. Among them, the inverted-triangular hollow screw group had the largest stress. The femoral neck system group had the smallest stress. (2) Regardless of the angle of the fracture, the stress of the internal fixation device in the three internal fixation models was mainly distributed on the middle surface of the screw near the fracture line, and the inverted triangle hollow screw group had the least stress, and the femoral neck system group had the largest stress. (3) No matter what the angle of the fracture, the peak displacement of the femur in the three internal fixation models was mainly concentrated on the top of the femoral head. Among them, the peak displacement was the largest in the inverted triangular hollow screw group, and the smallest in the femoral neck system group. (4) No matter what angle of fracture, the peak displacement of the internal fixation device in the three internal fixation models was mainly at the top of the screw. The peak displacement was the largest in the positive triangle hollow screw group, and the smallest in the femoral neck system group. (5) The results show that the biomechanical stability of the femoral neck system for the treatment of unstable femoral neck fractures is better than that of hollow screws, and the risk of internal fixation failure is lower than that of hollow screws.

Key words: bone, internal fixation, fracture, femoral neck, femoral neck fracture, internal fixation system, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

范智荣, 苏海涛, 周霖, 黄晖达, 周俊德, 江涛, 刘子桃. 新型股骨颈内固定系统治疗不稳定性股骨颈骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(15): 2321-2328.

Fan Zhirong, Su Haitao, Zhou Lin, Huang Huida, Zhou Junde, Jiang Tao, Liu Zitao. Finite element analysis of novel femoral neck system for unstable femoral neck fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(15): 2321-2328.

图/表（结果） 5

2.1 股骨近端应力分布及峰值
2.1.1 Pauwels角50°股骨颈骨折 3种内固定模型股骨近端应力峰值均集中在骨折线内下侧，靠近股骨距附近。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的股骨近端应力峰值分别为47.6，58.1，60.0 MPa，倒三角形空心螺钉组最大，股骨颈内固定系统组最小，见图4、表2。

2.1.2 Pauwels角60°股骨颈骨折 3种内固定模型股骨近端应力峰值均集中在骨折线内下侧，靠近股骨距附近。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的股骨近端应力峰值分别为48.8，58.9，56.2 MPa，正三角形空心螺钉组最大，股骨颈内固定系统组最小，见图4、表2。
2.1.3 Pauwels角70°股骨颈骨折 3种内固定模型股骨近端应力峰值均集中在骨折线内下侧，靠近股骨距附近。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的股骨近端应力峰值分别为54.3，62.6，63.6 MPa，倒三角形空心螺钉组最大，股骨颈内固定系统组最小，见图4、表2。
2.2 内固定装置应力分布及峰值
2.2.1 Pauwels角50°股骨颈骨折 3种内固定模型内固定装置的应力峰值主要集中在骨折线附近的螺钉表面。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的内固定装置应力峰值分别为586.5，181.2，156.0 MPa，股骨颈内固定系统组最大，倒三角形空心螺钉组最小，见图5、表2。
2.2.2 Pauwels角60°股骨颈骨折 3种内固定模型内固定装置的应力峰值主要集中在骨折线附近的螺钉表面。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的内固定装置应力峰值分别为618.4，201.4，179.9 MPa，股骨颈内固定系统组最大，倒三角形空心螺钉组最小，见图5、表2。
2.2.3 Pauwels角70°股骨颈骨折 3种内固定模型内固定装置应力峰值主要集中在骨折线附近的螺钉表面。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的内固定装置应力峰值分别为706.1，242.7，222.4 MPa，股骨颈内固定系统组最大，倒三角形空心螺钉组最小，见图5、表2。
在内固定装置中，应力主要集中在骨折线附近的螺钉中间表面。由于结构的特殊性，股骨颈内固定系统的主钉与锁定防旋螺钉使用同一个套筒分出，同时存在一个大小为7.5°的角度，所以当轴向载荷加载时最大应力无可避免地集中在两钉连接处。股骨颈内固定系统组内固定装置的应力峰值高于两空心螺钉组。但是在应力分布云图中可以看出，股骨颈内固定系统模型中的应力分布比其他2个模型更均匀、更分散，见图5。这表明股骨颈内固定系统在股骨近端应力及应力分布传导方面优于正三角形空心螺钉和倒三角形空心螺钉，有利于为骨折愈合创造良好的力学环境。

2.3 股骨的位移及峰值
2.3.1 Pauwels角50°股骨颈骨折 3种内固定模型的股骨位移峰值主要集中在股骨头顶端。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的股骨位移峰值分别为2.705，2.788，2.755 mm，正三角形空心螺钉组最大，最小为股骨颈内固定系统组最小，见图6、表2。
2.3.2 Pauwels角60°股骨颈骨折 3种内固定模型的股骨位移峰值主要集中在股骨头顶端。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的股骨位移峰值分别为2.753，2.843，2.813 mm，正三角形空心螺钉组最大，股骨颈内固定系统组最小，见图6、表2。
2.3.3 Pauwels角70°股骨颈骨折 3种内固定模型的股骨位移峰值主要集中在股骨头顶端。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的股骨位移峰值分别为2.753，2.985，3.225 mm，倒三角形空心螺钉组最大，股骨颈内固定系统组最小，见图6、表2。
根据股骨位移分布云图可知，最大位移在均发生在股骨头顶端部，如图6所示。与正三角形空心螺钉和倒三角形空心螺钉相比，不管角度大小，股骨颈内固定系统均具有更小的股骨位移，这表明股骨颈内固定系统具有更小的股骨头移位风险。在Pauwels角50°和60°股骨颈骨折中，倒三角形空心螺钉组的股骨位移小于正三角形空心螺钉组，到Pauwels角度增加到70°时正三角形空心螺钉组的股骨位移小于小于倒三角形空心螺钉组。

2.4 内固定装置的位移及峰值
2.4.1 Pauwels角50°股骨颈骨折 3种内固定模型的股骨位移峰值主要集中在内固定物上侧顶端。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的内固定装置位移峰值分别为2.495，2.585，2.578 mm，正三角形空心螺钉组最大，股骨颈内固定系统组最小，见图7、表2。
2.4.2 Pauwels角60°股骨颈骨折 3种内固定模型的股骨位移峰值主要集中在内固定物上侧顶端。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的内固定装置位移峰值分别为2.500，2.635，2.633 mm，正三角形空心螺钉组最大，股骨颈内固定系统组最小，见图7、表2。
2.4.3 Pauwels角70°股骨颈骨折 3种内固定模型的股骨位移峰值主要集中在内固定物上侧顶端。股骨颈内固定系统组、正三角形空心螺钉组、倒三角形空心螺钉组的内固定装置位移峰值分别为2.598，2.762，3.016 mm，倒三角形空心螺钉组最大，股骨颈内固定系统组最小，见图7、表2。
3种内固定模型的内固定装置最大位移主要在螺钉顶部。与正三角形空心螺钉和倒三角形空心螺钉相比，股骨颈内固定系统中具有更小的内固定装置位移，这表明股骨颈内固定系统具有更小的内固定移位风险。在Pauwels角 50°和60°股骨颈骨折中，倒三角形空心螺钉组的内固定位移小于正三角形空心螺钉组，当角度增加到70°时正三角形空心螺钉组的内固定位移小于倒三角形空心螺钉组。

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引言

据估计，全球每年发生160万例髋部骨折[1]，随着老年人口的日益增长，预计到2025年全球髋部骨折患者将增加到260万例，到2050年将增加到450万例[2-4]。髋部骨折的病死率和再手术率高，据研究表明其病死率在8.4%-36%之间，而再手术率在10.0%-48.8%之间[5-8]。股骨颈骨折约占髋部骨折总数的一半[9]，PAUWELS根据股骨颈骨折在冠状面中骨折线与髋臼上缘的夹角小于为30°分为Pauwels Ⅰ型，介于30°-50°为Ⅱ型，夹角大于50°为Ⅲ型骨折[10-11]，现在将Pauwels Ⅲ型骨折归属于Garden分型中的Ⅲ型或Ⅳ型。Pauwels角度越大骨折线越接近垂直，骨折端存在的剪切力越大，股骨颈骨折端越不稳定，术后不愈合率越高。中青年患者发生Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折通常由高能量创伤引起[12-13]，由于骨折类型的特殊性，此类骨折的骨折端剪切应力高，内固定治疗时很难获得足够的稳定性来抵抗髋部周围的垂直和旋转剪切力，从而导致该类骨折具有更大的并发症风险，例如骨折端移位、骨不愈合和股骨头坏死[14]。据报道，不稳定性Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的骨不连发生率在16%-59%之间，而股骨头坏死的发生率在11%-86%之间[12]。
目前，最常见的股骨颈骨折内固定方法是空心螺钉固定和动力髋螺钉固定[15-17]，其中空心螺钉内固定仍是年轻股骨颈骨折患者的最常见治疗方法，但是一些生物力学研究和临床随机对照试验报告称，由于骨折端的高剪切力，术后仍具有较高的内部固定失败、股骨颈缩短、内翻畸形、股骨头坏死和骨不连的风险，特别是对于不稳定性Pauwels Ⅲ型骨折[18-21]。到目前为止，Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的最佳内部固定技术仍存在争议，因此临床上在不断探索下一代更有效的内固定植入物[22]。鉴于此，实验进行了一项生物力学研究，探讨一种新型股骨颈内固定系统治疗不稳定性Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的生物力学稳定性，并为其在临床实践中的应用提供理论参考。
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 设计三维有限元分析实验。
1.2 时间及地点实验于2020年3至5月在广州中医药大学第二临床医学院实验室完成。
1.3 实验方法
1.3.1 三维股骨模型的建立选择一名健康男性志愿者，身高175 cm，体质量70 kg，无内科疾患，无双上肢骨折、肿瘤、骨质疏松等骨骼异常。志愿者对实验方案知情同意。采用Siemens 64排螺旋CT自股骨上部至胫骨中上段进行扫描得到二维横断图像，将CT图像存储为医学数字成像和通信(DICOM)格式文件，输出到医学三维重建软件Mimics 21.0中。选择适当的灰度值将骨骼和组织区分开来，并使用区域增长、蒙版编辑等命令建立出原始股骨三维模型，将模型输出为STL格式文件，导入到Geomagic Wrap2017软件中对原始模型进行优化，比如去除特征、降噪、网格划分和拟合曲面处理，并构建得到股骨松质骨与皮质骨的三维模型，以STEP格式文件输出。将完成优化的模型STEP文件输入到Solidworks2017软件中，通过布尔运算组配皮质骨和松质骨结构，重建出符合人体结构的股骨模型。
1.3.2 三维Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型的建立将股骨模型整合到Solidworks 2017软件中，首先通过股骨头的中心建立一个横断面，然后创建一个切割平面，该切割平面约在股骨颈中心附近并与横断面呈50°，60°和70°的角度，从而模拟出3个不同角度的PauwelsⅢ型骨折，见图1。

1.3.3 内固定模型的建立使用Solidworks 2017软件，按照临床上应用的内固定尺寸大小建模建立了3种内部固定模型，包括股骨颈内固定系统模型、正三角形空心螺钉模型和倒三角空心螺钉模型。其中，在股骨颈内固定系统模型结构的近端置入一枚与锁定钢板成130°角的直径为10 mm的动力髋螺钉，在同一套筒中置入一枚锁定防旋螺钉，此锁定防旋螺钉的直径为6.4 mm，并与主螺钉成7.5°角，从而使主钉与锁定防旋螺钉形成钉中钉结构；在股骨颈内固定系统模型的远端置入2枚5 mm的锁定螺钉，使连接锁定钢板与股骨干，见图2，3。在其他2个模型中，则是将3枚空心螺钉以正三角形和倒三角形的形式彼此平行置入，见图3。根据内固定器械规格，使用Solidworks 2017软件建立出直径7.3 mm的空心螺钉，螺纹长度为16 mm。由于实验的重点与螺纹无关，因此将螺纹截面简化为实心圆柱体以简化模型。锁定板和螺钉由钛合金材料组成。随后，将完整的模型整合到Abaqus2017软件中进行材料属性赋予、边界条件约束、载荷分配和网格划分。每个装配体都由四面体单元划分网格。
1.3.4 材料参数实验假设所有模型均为连续、各向同性和均匀的线弹性材料，表1列出了3种模型的材料参数。
1.3.5 加载负荷与约束条件为了更好地模型人体站立时期的状态，股骨远端下表面被完全固定。在有限元模型中，将相当于3倍体质量的2 100 N载荷力引入股骨头的中心。根据相关研究，设定力的矢量在冠状面上与股骨干轴成13°的角度，矢状面上与股骨干轴成8°的角度[23]。根据前人的研究中的接触方法设定接触关系[24-26]，在内固定螺钉和股骨之间形成绑定接触，在骨折表面上使用摩擦接触，摩擦系数为0.46。
1.4 主要观察指标在有限元分析中，分别评估并比较每组模型中的股骨和内固定物的应力分布、最大等效应力和最大位移。

讨论

此次实验采用有限元分析方法比较了股骨颈内固定系统与空心螺钉治疗不稳定性Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折中的生物力学稳定性，结果发现与两种空心螺钉装置相比，股骨颈内固定系统在治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折中显示出更低的股骨近端应力、更小的股骨与内固定装置的位移，股骨颈内固定系统应力分布较空心螺钉更均匀、更分散，这表明与传统的正三角形、倒三角形空心螺钉固定相比，股骨颈内固定系统具有更好的力传导性、更小的骨折端和内固定移位风险，股骨颈内固定系统在治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折中显示出更优的生物力学稳定性。
当今股骨颈骨折的治疗策略众多，包括空心螺钉固定、动力髋螺钉、髓内钉、锁定钢板和髋关节置换术等，常常根据骨折类型及患者情况进行治疗方式的选择。然而，目前对于Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的最佳治疗方法仍存在争议，尤其是对于65岁及以下的年轻患者，除非是在必要的情况下，否则不会考虑在年轻患者中进行髋关节置换，因为关节置换植入物的假体通常持续不超过20年，并且可能导致多种并发症，包括感染和假体脱位等[8，27]。不幸的是，常用的内固定(包括空心螺钉和滑动髋螺钉)通常会导致较多的不良反应，例如固定失败、不愈合和股骨头缺血性坏死。LIPORACE等[12]报道仅使用空心螺钉治疗的骨折患者中骨不连发生率为19%。DUCKWORTH等[28]回顾性分析了122例股骨颈骨折患者的病历资料，发现内固定失败、骨不连和股骨头坏死的发生率分别为13.1%，7.4%和11.5%。一项针对年龄60岁以下患者的荟萃分析显示，股骨颈骨折中再手术、内固定失败、骨不连和股骨头缺血性坏死的并发症发生率分别为18%，9.7%，9.3%和14.3%[29]。几项生物力学研究显示，空心螺钉固定法不是年轻患者中垂直型股骨颈骨折固定的最佳选择[25，30-31]。对于单个动力髋螺钉固定，与使用多个空心螺钉相比显示出较低的抵抗旋转力的能力，许多学者建议在动力髋螺钉的主螺钉上平行插入一个旋转螺钉，以克服此缺点，但这不可避免地会造成更大的手术切口和更多的软组织损伤。一项长期随访研究表明，动力髋螺钉+防旋螺钉的再手术率仍高达18%，与未移位骨折(3%)相比，移位骨折(22%)增加了再次手术的风险[32]。因此，这种骨折的治疗原则是为了获取更稳定的内固定支撑，以抵抗垂直骨折的剪切力，防止骨折移位并保护股骨头的血液供应，因为内固定的不稳定及软组织的过度损伤必定会对股骨头的血液供应产生不利影响，从而导致股骨头延迟愈合、不愈合和股骨头缺血性坏死等。为了解决这个问题，近年来开发了一种新型股骨颈内固定系统并在临床实践中得到了应用，由于其钉中钉的设计使防旋螺钉的置入不至于损伤过多的软组织，因此它具有相对更微创的技术、较少的组织损伤、较少的失血量和较短的手术时间等优点。
目前国内外已经有许多关于不同空心螺钉形态治疗股骨颈骨折的生物力学研究[24，30，33-35]，但尚无比较股骨颈内固定系统治疗不稳定股骨颈骨折生物力学稳定性的有限元分析研究。一些学者报告了锁定钢板在固定股骨颈垂直骨折中的力学强度。AMINIAN等[36]使用新鲜尸体标本研究了松质骨螺钉、滑动髋螺钉、动力髁螺钉和股骨近端锁定板在垂直型股骨颈骨折的固定强度，发现股骨近端锁定板是稳定股骨颈垂直剪切骨折的最坚固结构，其次是动力髁螺钉、滑动髋螺钉以及3个松质骨螺钉。在另一项股骨颈尸体研究中，BASSO等[37]发现一个锁定板与3个普通松质骨螺钉的结合有助于减少股骨颈的微动，并防止近端骨折的旋转。若干有限元分析表明，内侧支撑板可有效抵抗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的剪切力，并为骨折愈合创造良好的机械环境[25，38]。YE等[39]将3种带内侧支撑板的空心螺钉用于治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折，结果表明该手术方法可提高骨折愈合率。WANG等[40]设计了一种新的股骨颈钢板，该钢板具有4个螺钉，包括1枚7.3 mm部分螺纹松质骨压缩螺钉、2枚7.3 mm半螺纹锁定压缩螺钉、一枚5 mm锁定螺钉，研究发现在3种不同角度Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折中钢板的生物力学稳定性优于Pauwels螺钉。但不管是股骨近端锁定板还是空心螺钉与内侧支撑板的组合固定均会导致较大的手术切口，并且无疑会损坏周围组织并损害股骨头的血液供应。为了克服这一问题，一种新的股骨颈内固定系统被开发并在临床上使用。在股骨颈内固定系统的结构中，它使用一个孔置入2个成一定角度的螺钉，即滑动螺钉和锁定防旋转螺钉，两者的夹角为7.5°，而且股骨颈内固定系统的锁定钢板小于动力髋螺钉钢板，这意味着股骨颈内固定系统在手术过程中对软组织的损伤更小。保护软组织和股骨头血供对于骨折端的愈合至关重要，因此该系统具有更微创的技术、更少的组织损伤和更好的血供保护。尽管有几项研究比较了使用不同钢板固定股骨颈骨折的方法，但目前国内外尚无关于股骨颈内固定系统治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折的有限元生物力学稳定性研究，因此实验采用有限元分析方法研究股骨颈内固定系统治疗不稳定性股骨颈骨折生物力学稳定性。尽管空心螺钉固定有许多缺点，但在更有效的内固定装置开发出来之前，尤其是在年轻患者中空心螺钉固定仍然是股骨颈骨折治疗中最常用的策略。目前最常用的置钉方式为倒三角形和正三角形置钉[14-15]，因此实验中将此两种类型的空心螺钉作为参照对象。
使用Pauwels Ⅲ型分类来模拟不稳定的股骨颈骨折，由于强烈的切应力PauwelsⅢ型股骨颈骨折通常难以达到稳定的解剖复位状态，如今经常将该类型股骨颈骨折归属于GardenⅢ型或Ⅳ型不稳定股骨颈骨折。尽管Pauwels分类已经提出了数十年，但是从骨折愈合的生物力学角度讲Pauwels分类仍然应用广泛，被广大学者所沿用[41-42]，因此实验采用3个不同角度的Pauwels III型分类来模拟不稳定的股骨颈骨折。
实验结果显示与其他模型相比，股骨颈内固定系统承受的最大应力更高，而股骨近端应力最低，这是由于内固定装置结构所决定的，由于内部固定连接的结构设置导致滑动髋螺钉与抗旋转螺钉之间的连接存在一个小间隙，当施加轴向载荷时将不可避免地将应力集中在2个螺钉的连接处。但是除了内部固定的连接处，还发现股骨颈内固定系统的整体组成部分与空心螺钉模型相比具有相似的应力，而且股骨颈内固定系统结构中的应力分布比空心螺钉模型更均匀、更分散，这表明了与正三角形、倒三角形空心螺钉相比，股骨颈内固定系统力的传导性更好。实现结果显示，股骨颈内固定系统组在股骨最大移位和内固定方面均优于其他两空心螺钉组，这表明股骨颈内固定系统对比空心螺钉固定可降低术后骨折端移位与内部固定失败的风险。在Pauwels 角50°和60°股骨颈骨折中，倒三角形空心螺钉组的股骨和内固定位移小于正三角形空心螺钉组，随着角度增加这种优势则减弱，当角度增加到70°时正三角形空心螺钉组的股骨和内固定位移小于倒三角形空心螺钉组，与先前的研究相似[35，43]，正三角形空心螺钉固定与倒三角形空心螺钉固定基本相当。对于股骨颈内固定系统优于空心螺钉的情况，可以从以下方面解释：一方面，在股骨颈内固定系统中，动力髋螺钉和锁定防旋转螺钉提供了坚强的角度支撑并有效地将骨折保持在适当位置，与动力髋螺钉配合一枚空心螺钉相比，股骨颈内固定系统通过锁定使得锁定防旋螺钉与主钉更稳固地固定在一起为成为统一整体，具有更好的防旋作用；另一方面，在锁定板的远端置入2枚直径为5 mm的锁定螺钉可以将锁定钢板和股骨干锁定为整体。因此就生物力学而言，股骨颈内固定系统比空心螺钉固定类型提供更好的锚固作用，并有助于降低股骨近端的应力，减少股骨和内固定植入物的移位，可以为骨折愈合创造良好的力学环境。
实验的局限性主要在于下列几个方面：①模型是在股骨设定为均质、连续和各向同性弹性材料的基础上进行的，但实际上人体骨骼为各向异性材料，所以有限元实验时的材料属性可能会影响到最后的结果。但是，此次实验的目标是研究整体趋势而不是准确值，所以这样的设置可以认为是合理的。②设定骨折类型为 Pauwels Ⅲ型不稳定性股骨颈骨折，实验结果不支持针对其他类型或其他角度股骨颈骨折的解释。③参照对象为正三角形和倒三角形空心螺钉内固定，因此实验结果也不支持对其他形状空心螺钉类型进行解释。④作为前期基础研究，此次实验只建立在有限元分析方法上，未做尸体生物力学实验。在此次实验的基础上，作者会进一步进行尸体生物力学实验。在未来的的研究中，希望可以细化Pauwels角度、增加不同载荷条件和更多的内固定装置系统进行比较，以期为临床实践提供更多的理论参考。
结论：总之，应用有限元分析方法研究了股骨颈内固定系统治疗不稳定性Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的生物力学效应，并将其与不同的空心螺钉装置进行比较，结果发现与两种空心螺钉装置相比，股骨颈内固定系统在治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折中显示出更低的股骨近端应力、更小的股骨与内固定装置的位移。这表明股骨颈内固定系统具有更小的骨折端和内固定移位风险，股骨颈内固定系统在治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折中显示出更优的生物力学稳定性，可以作为临床上治疗不稳定性股骨颈骨折时的一种新选择。
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

新型股骨颈内固定系统治疗不稳定性股骨颈骨折的有限元分析

Finite element analysis of novel femoral neck system for unstable femoral neck fractures

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