不同内植物固定耻骨上下支骨折生物力学特征的比较

doi:10.12307/2025.816

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (27): 5757-5764.doi: 10.12307/2025.816

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

不同内植物固定耻骨上下支骨折生物力学特征的比较

饶鑫1，2，3，蒋代翔1，2，3，鲁辉3，罗杨兴3，李盟4，刘定玺4，吴启梅5，刘融1，2，3，5

武汉科技大学附属普仁医院，1骨科，3创新与转化研究所，湖北省武汉市 430081；2武汉科技大学医学院，湖北省武汉市 430065；4武汉科技大学机械工程学院，湖北省武汉市 430080；5武汉刘三屋中医骨伤医院，湖北省武汉市 430200

收稿日期:2024-04-22 接受日期:2024-07-10 出版日期:2025-09-28 发布日期:2025-03-04
通讯作者: 刘融，博士，教授，主任医师，硕士生导师，武汉科技大学附属普仁医院骨科，创新与转化研究所，湖北省武汉市 430081；武汉科技大学医学院，湖北省武汉市 430065；武汉刘三屋中医骨伤医院，湖北省武汉市 430200 并列通讯作者：吴启梅，硕士，主任医师，武汉刘三屋中医骨伤医院，湖北省武汉市 431400
作者简介:饶鑫，男，1999年生，湖北武汉市人，汉族，武汉科技大学在读硕士，主要从事数字骨科方面的研究。并列第一作者：蒋代翔，男，1997年生，湖北省恩施市人，汉族，武汉科技大学在读硕士，主要从事数字骨科方面的研究。
基金资助:
2023年度职业危害识别与控制湖北省重点实验室联合基金(JF2023-K01)，项目负责人：刘融

Comparison of biomechanical characteristics of superior and inferior pubic ramus fractures fixed with different internal fixation methods

Rao Xin1, 2, 3, Jiang Daixiang1, 2, 3, Lu Hui3, Luo Yangxing3, Li Meng4, Liu Dingxi4, Wu Qimei5, Liu Rong1, 2, 3, 5

1Department of Orthopedics, Puren Hospital Affiliated to Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei Province, China; 2School of Medicine, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, Hubei Province, China; 3Institute of Medical Innovation and Transformation, Puren Hospital Affiliated to Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei Province, China; 4School of Mechanical Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430080, Hubei Province, China; 5Wuhan Liu Sanwu Traditional Chinese Medicine Orthopedic Hospital, Wuhan 430200, Hubei Province, China

Received:2024-04-22 Accepted:2024-07-10 Online:2025-09-28 Published:2025-03-04
Contact: Liu Rong, MD, Professor, Chief physician, Master’s supervisor, Department of Orthopedics, Puren Hospital Affiliated to Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei Province, China; School of Medicine, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, Hubei Province, China; Institute of Medical Innovation and Transformation, Puren Hospital Affiliated to Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei Province, China; Wuhan Liu Sanwu Traditional Chinese Medicine Orthopedic Hospital, Wuhan 430200, Hubei Province, China Co-corresponding author: Wu Qimei, MS, Chief physician, Wuhan Liu Sanwu Traditional Chinese Medicine Orthopedic Hospital, Wuhan 430200, Hubei Province, China
About author:Rao Xin, Master candidate, Department of Orthopedics, Puren Hospital Affiliated to Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei Province, China; School of Medicine, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, Hubei Province, China; Institute of Medical Innovation and Transformation, Puren Hospital Affiliated to Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei Province, China Jiang Daixiang, Master candidate, Department of Orthopedics, Puren Hospital Affiliated to Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei Province, China; School of Medicine, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, Hubei Province, China; Institute of Medical Innovation and Transformation, Puren Hospital Affiliated to Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei Province, China Rao Xin and Jiang Daixiang contributed equally to this article.
Supported by:
2023 Joint Fund for Occupational Hazard Identification and Control in Hubei Key Laboratory, No. JF2023-K01 (to LR)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

三种内植物方式：其一为经皮逆向空心螺钉，具有创伤小、感染率低、减轻患者经济负担及减少住院时间等优点；其二为微创经皮钢板，具有理想的复位效果；其三为逆行耻骨上支髓内钉，具有骨盆解剖结构，能够减少手术透射次数和时间。
有限元分析：是利用数字化、数学法建模解决真实物理现象的数值工具与技术。通过有限元方法加上根据已知的节点数目、各节点坐标系以及材料特性等条件，对每一单元做出一个近似解，最后推导解决这个集合体的总解，进行定量分析，从而使实际复杂的问题定量化。

摘要
背景：经皮逆向空心螺钉、微创经皮钢板广泛应用于单侧耻骨支骨折中，但存在误穿髋关节和损伤骨盆内侧滋养动脉等缺点。一种新型逆行耻骨上支髓内钉治疗骨盆前环骨折拥有透射次数少和手术时间短等优点，但目前缺乏上述3种内植物生物力学特征的验证。
目的：通过有限元分析方法，比较在不同工况下经皮逆向空心螺钉、微创经皮钢板和逆行耻骨上支髓内钉治疗耻骨上下支骨折的生物力学差异。
方法：收集1名志愿者的骨盆CT数据，将数据导入mimics 20、Geomagic Wrap 2021、Soildworks 2019中，建成3种内固定治疗单侧耻骨支骨折的几何模型，分别为空心螺钉组、钢板组、髓内钉组。分别将上述模型导入Ansys 2022软件设置垂直工况、开书样工况、剪切工况进行前处理和计算，比较分析内植物的力学稳定性。
结果与结论：①在垂直工况下，空心螺钉治疗单侧耻骨骨折的生物力学稳定性较钢板和髓内钉更为优秀，其内植物应力峰值最小，其余两组对比空心螺钉组峰值增加4倍以上；②在开书样工况下，钢板治疗单侧耻骨骨折有更好的生物力学稳定性，钢板组降低耻骨上支断端应力有较好表现，其他两组的应力较钢板组增加5倍以上；③在剪切工况下，髓内钉治疗单侧耻骨骨折表现出良好的生物力学稳定性，其维持骨盆位移效果最佳，其他两组骨盆位移比髓内钉组增加了25%以上；④提示不同内植物在生物力学上存在差异性：逆行经皮空心螺钉在垂直工况下内植物应力峰值最小，微创经皮钢板在开书样工况下减小耻骨上支断端应力最优，逆行耻骨上支髓内钉在剪切工况下骨盆位移最小，可以将内植物生物力学差异性与患者临床实际情况相结合，选择最优内植物治疗方式。

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: 耻骨上下支骨折, 经皮逆向空心螺钉, 微创经皮钢板, 逆行耻骨上支髓内钉, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Percutaneous retrograde screws and minimally invasive percutaneous plates are extensively used in the treatment of unilateral pubic ramus fractures. However, the above internal fixations have the disadvantages of mistakenly penetrating the hip joint and damaging the medial pelvic trophoblastic artery. A new type of retrograde superior pubic ramus intramedullary nail offers advantages, such as fewer radiographic exposures and shorter surgery times, but the validation of the biomechanical properties of the three endoprostheses is lacking.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical differences post-treatment of upper and lower pubic ramus fractures using percutaneous retrograde screws, minimally invasive percutaneous plates, and retrograde superior pubic ramus intramedullary nail under various conditions through finite element analysis.
METHODS: Pelvic CT data were collected from one volunteer and imported into Mimics 20, Geomagic Wrap 2021, and SolidWorks 2019 to create geometric models of three types of internal fixation for treating unilateral pubic ramus fractures: hollow screw group, plate group, and intramedullary nail group. Each model was imported into Ansys 2022 software, where it was set up in vertical, book-opening, and shear conditions for preprocessing and calculation to compare and analyze the mechanical stability of the implants.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) In vertical conditions, the biomechanical stability of the hollow screw treatment for unilateral pubic fractures was superior to that of the steel plate and intramedullary nail, with the smallest peak stress in the implant, which was four times lower compared to the other two groups. (2) In book-opening conditions, the steel plate treatment for unilateral pubic fractures showed better biomechanical stability, particularly in reducing stress at the fracture ends of the upper pubic branch, with stress values five times higher in the other two groups. (3) In shear conditions, the intramedullary nail treatment for unilateral pubic fractures exhibited good biomechanical stability, maintaining the best pelvic displacement, with a 25% greater displacement observed in the other two groups. (4) These findings reveal the biomechanical differences of different implants: the peak stress of implants is the smallest under vertical working conditions with percutaneous retrograde screws. Minimally invasive percutaneous plates reduce the stress at the broken end of superior pubic branch under open-book working condition. Retrograde superior pubic ramus intramedullary nail of superior pubic branch maintains pelvic displacement under shear working condition. The surgeon can combine the biomechanical differences of the implants with the actual situation of pubic injury in clinical practice to make the best implant treatment.

Key words: fracture of upper and lower rami of pubis, percutaneous reverse hollow screw, minimally invasive percutaneous plate, retrograde intramedullary nail in superior rami of pubis, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

R459.9|R318|R683

饶鑫, 蒋代翔, 鲁辉, 罗杨兴, 李盟, 刘定玺, 吴启梅, 刘融. 不同内植物固定耻骨上下支骨折生物力学特征的比较[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(27): 5757-5764.

Rao Xin, Jiang Daixiang, Lu Hui Luo Yangxing, Li Meng, Liu Dingxi, Wu Qimei, Liu Rong. Comparison of biomechanical characteristics of superior and inferior pubic ramus fractures fixed with different internal fixation methods[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(27): 5757-5764.

图/表（结果） 7

2.1 有限元模型有效性
2.1.1 解剖模型的有效性骨盆的三维模型与有限元模型各点模型的数值差见表2，其中差值的范围为0.05-2.8 mm，提示此次研究构建的有限元模型几何参数没有失真。

2.1.2 有限元模型有效性验证骨盆的应力云图分布以骶骨中线为对称轴，骨盆两侧基本对称分布，应力分为2条路线：第一条路线从S1椎体上终板开始，沿骶骨和双侧骶髂关节髂；第二条路线沿耻骨联合、双侧耻骨上支，汇聚于髋臼最后传导至股骨，符合正常的生理应力传导。张永强等[21]的有限元研究中骨盆模型垂直位移峰值为0.64-1.14 mm，此次研究中模型垂直位移峰值为0.78 mm，由于两组模型存在解剖形态学的差异，位移上的差异在合理范围之内，证明模型有效。见图4。

2.2 内植物应力分布、应力峰值 在3种工况下，钢板应力峰值最大，其次是髓内钉，应力峰值最小是空心螺钉，内植物的应力峰值见表3。在垂直工况下，钢板、髓内钉、空心螺钉应力峰值分别为50.93，40.49，8.39 MPa；在开书样工况下，钢板、髓内钉、空心螺钉分别为49.33，41.97，20.45 MPa；在剪切工况下，钢板、髓内钉、空心螺钉应力分别为213.52，94.03，85.31 MPa。

内植物的应力分布见图5，在垂直、开书样、剪切3种工况下，空心螺钉的应力都集中于耻骨上支骨折线附近的钉体部，其应力范围分别为3.731-8.39 MPa、9.10-20.45 MPa、37.92-85.31 MPa。在垂直、开书样、剪切3种工况下，髓内钉的应力集中相似，集中于耻骨上支骨折线附近的钉体部，其应力范围分别为18.00-31.49 MPa、18.66-32.64 MPa、41.80-94.03 MPa。在垂直、开书样、剪切3种工况下，钢板应力集中于钢板中间部与靠近骨折线的固定髂骨的第1根螺钉，其应力范围分别为22.37-50.34 MPa、21.93-49.33 MPa、94.91-213.52 MPa。
2.3 骨折断端应力分布与峰值 比较耻骨骨折上支耻骨端最大应力，见表4。在垂直工况下，钢板组耻骨骨折上支耻骨端应力峰值最大，其次是髓内钉组，耻骨骨折上支耻骨端应力最小的是空心螺钉，其峰值分别为3.61，3.44和3.25 MPa，3组断端应力峰值没有明显差异；在开书样工况下，空心螺钉组的耻骨骨折上支耻骨端的应力峰值最大，其次是髓内钉组，耻骨骨折上支耻骨端应力最小的是钢板组，其峰值分别为1.48，0.99和0.19 MPa；在剪切工况下，空心螺钉组的耻骨骨折上支耻骨端的应力峰值最大，其次是钢板组，耻骨骨折上支耻骨端应力最小的是髓内钉组，其峰值分别为25.08，18.65，18.00 MPa，从数值来看空心螺钉明显高于其他两组。

耻骨上支骨折断端应力分布见图6，在垂直工况下，3组的耻骨骨折上端断面应力集中于断面的外上方边缘处；在开书样工况下，空心螺钉组与髓内钉组的断面应力集中于耻骨上支骨折断端的外下侧边缘处；钢板组断面的应力集中于耻骨上支骨折耻骨端的应力集中于断端外上方的边缘处；在剪切工况下，空心螺钉组、钢板组、髓内钉组应力分布相似：耻骨上支骨折的耻骨端应力集中于断端内上方的边缘处。
2.4 骨盆的整体位移 骨盆整体位移见表5。在垂直工况下，髓内钉组骨盆整体的位移峰值最大，其次是空心螺钉组，骨盆整体位移最小的是钢板，其峰值分别为2.76，2.75，2.73 mm，从数值来看没有明显的区别。在开书样工况下，髓内钉组骨盆整体的位移峰值最大，其次为空心螺钉组，最小的骨盆整体位移是钢板组，其位移峰值分别为0.55，0.52，0.25 mm，从结果来看钢板组骨盆位移明显低于空心螺钉组与髓内钉组，然而髓内钉组与钢板组没有明显的差异。在剪切工况下，钢板组的骨盆整体位移峰值最大，其次空心螺钉组，最小的是髓内钉组，其位移峰值分为1.62，1.51，1.20 mm，从骨盆的位移峰值来看髓内钉组骨盆位移明显小于钢板组和空心螺钉组。见图7。

2.5 耻骨联合端骨块整体的位移 比较耻骨联合端骨块的位移，骨块位移见表6。在垂直工况下，髓内钉组的骨折块位移最大，其次是钢板组，最小骨块位移最小的是空心螺钉，其骨块位移峰值分别为1.02，1.01，0.97 mm，从位移的数字来看其实没有明显的差异。在开书工况下，空心螺钉组的骨折块位移最大，其次是髓内钉组，骨折块位移最小的是钢板，其位移峰值分为0.38，0.37，
0.19 mm，从数值来看钢板的位移明显小于髓内钉组与空心螺钉组。在剪切工况下，钢板组骨块的位移最大，其次是空心螺钉组，最小的骨块位移是髓内钉，其骨块位移峰值分别为0.85，0.84，0.73 mm，骨块位移峰值显示，髓内钉组的骨块位移明显小于钢板组和空心螺钉组，但是钢板组和空心螺钉组的骨块位移没有明显差别。见图8。

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引言

骨盆骨折占全身骨折的1%-3%[1-2]，常由于高能量创伤所致，并且常损伤骨盆前环与后环的稳定性[3]。以往骨盆骨折治疗中，一般选择固定骨盆后环的治疗方式，随着生物力学的发展，有研究显示骨盆前环约占骨盆稳定性的30%[4]，因此骨盆前环固定是十分重要的。耻骨支骨折是骨盆前环骨折的常见类型之一，从以往的生物力学研究可知，早期耻骨骨折固定有利于骨盆环的稳定和减少后环应力水平[5]。
临床上对于骨盆前环骨折常用的内固定方法包括经皮逆向空心螺钉和微创经皮钢板。王伟斌等[6]回顾2013-2017年收治的Tile B，C型骨盆骨折患者，对比经皮桥接钢板和耻骨上支空心螺钉治疗骨盆前环骨折的效果，结果显示两种内固定治疗效果相当。然而上述两种内固定都存在一些局限性，例如经皮逆向空心螺钉可能误穿髋关节以及损伤其他周围的重要血管与神经，微创经皮钢板损伤骨盆内侧滋养动脉以及重要神经[7]。随着科学技术、器械发展和手术经验的积累，临床上出现了一种新型逆行耻骨上支髓内钉技术，该髓内钉技术更加符合骨盆解剖结构，可以减少对周围重要血管的损伤。另外尹恩志等[8]回顾型分析了2020-2021年14例Tile A、B，C型骨盆骨折患者，通过用耻骨逆行髓内钉稳定骨盆前环，得到了手术时间短、手术切口小和透视次数少的临床效果。
有限元分析是利用数字化建模解决真实物理现象的数值工具与技术。通过有限元方法加上根据已知的节点数目以及材料特性等条件，对每单元做出近似解，最后推导解决这个集合体的总解，进行定量分析，从而使实际复杂的问题定量化[9-10]。以往研究学者对于经皮耻骨上支髓内螺钉和钢板研究很多，例如赵勇等[11]通过有限元分析技术，对比经皮长接骨钢板、经皮耻骨上支髓内螺钉、经皮前环钉棒系统治疗双侧耻骨骨折的生物力学稳定性，结果显示经皮耻骨上支髓内钉螺钉治疗双侧耻骨生物力学稳定性最好。鲁辉等[12]对比经皮逆向空心螺钉不同的进针点治疗不同Nakatani区域耻骨上支骨折的生物力学特性，指出对于Ⅰ区，选取进针点为耻骨棘中点上方；对于Ⅱ区，耻骨棘中点上方和下方都可以为针点；对于Ⅲ区，选取进针点为耻骨棘中点下方。
目前关于逆行耻骨上支髓内钉治疗耻骨支骨折的研究仅是在临床研究方面，另外不同内固定物治疗单侧耻骨支骨折的生物力学特征的差异没有明确的结论。因而此文通过有限元的方法，在3种不同工况下比较经皮逆向空心螺钉、微创经皮钢板和逆行耻骨上支髓内钉3种内固定治疗单侧耻骨支骨折生物力学特性的差异，希望为临床治疗方案的选择提供生物力学依据。

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 三维有限元分析实验。
1.2 时间及地点 实验于2024年3月在武汉市普仁医院完成。
1.3 对象 收集1名健康男性志愿者的骨盆CT数据，年龄20岁，身高175 cm，体质量68 kg。志愿者对实验方案知情同意并签署了知情同意书[11]，实验方案的开展符合武汉市普仁医院的相关伦理要求(批号：2024064)。
纳入标准：①志愿者通过临床体格检查与相关影像学检查排除肿瘤、创伤、发育不良以及病理性骨折等疾病；②骨盆CT数据符合三维重建的标准。
1.4 材料
1.4.1 设备与软件 64排螺旋 CT(Siemens 公司，德国)；Mimics 20.0(Materialise公司，比利时)；Geomagic Wrap 2021(Geomagic公司)； Solidwork2019软件(Dassault Systemes公司，美国)；有限元软件ANSYS 2022软件(LSTC公司，美国)。
1.4.2 相关内固定物耻骨上支髓内钉主钉长度 120 mm，主钉体直径4.5 mm，弧度为15°，尾端直径为6.5 mm；锁定螺钉长度为 12，15 mm，直径2.7 mm[8]；微创经皮钢板长度135 mm，厚度3.5 mm；锁钉长度18-25 mm，直径 3.5 mm；空心螺钉长度100 mm，直径7.3 mm。以上内固定物材质均为钛合金[13]。
1.5 方法
1.5.1 骨盆三维模型建立将志愿者的CT数据导入
Mimics 20通过应用阈值分割、区域增长、擦除、填充等功能得到骨盆三维模型[14-15]。骨盆模型以STL格式导入Geomagic Wrap 2021软件中，清除骨盆模型内部杂质，进行去除特征、光滑、拟合曲面等步骤，处理后得到仿真骨盆实体模型。
1.5.2 耻骨上下支骨折模型建立将骨盆的STEP文件导入Solidwork 2019软件中进一步处理，根据以往的文献[11，16]，选取耻骨上支Nakatani Ⅱ区[17]，用Segment命令以左侧耻骨上下中段矢状面中断正常骨盆的耻骨制作耻骨上下支骨折模型，见图1。

1.5.3 耻骨上端内固定装配体模型建立根据耻骨上支逆行髓内钉、经皮逆行空心螺钉相应参数和形状画出内固定物草图，通过拉伸、旋转、扫描等命令得到内固定模型。微创经皮钢板是以骨盆耻骨内侧为基准面制作草图，通过等距曲面、分割、拉伸等得到内固定物。为了简化模型螺钉及钉体用光滑的圆柱替代，省略螺纹和尖端。根据以往的文献将内固定物与骨盆进行装配，空心螺钉进针点选取耻骨嵴中点下方处、沿着耻骨支向髋臼方向逆行向上[12]；髓内钉的进针点位于耻骨结节下外侧，使其穿过骨折线，在髓内钉的尾侧置入锁定螺钉[8]；钢板放在髂骨骨皮质表面，右端在髂骨中部，左端耻骨联合靠近耻骨上支处，分别在钢板两端放入3个皮质钉。得到3组内固定模型，分别为空心螺钉组(经皮逆行空心螺钉固定单侧耻骨支骨折)、钢板组(微创经皮钢板固定单侧耻骨支骨折)、髓内钉组(耻骨上支髓内钉固定单侧耻骨支骨折)。见图2。

1.5.4 材料赋值与条件将3种模型导入ANSYS 2022有限元分析软件中，设置所有材料为均质同性和连续线性弹性材料，对骨盆、韧带、内植物进行赋值，韧带以弹簧代替，具体材料参数见表1[18]。骶骨、髂骨、耻骨和股骨分别与关节软骨采用绑定接触。钢板与髂骨皮质骨之间、耻骨支骨折断端界面之间设置摩擦，摩擦系数为0.3[15]。螺钉与钢板之间为绑定。耻骨上支髓内与经皮逆行空心螺钉与髋骨的骨皮质和骨松质之间采用摩擦接触，摩擦系数为0.4。

1.5.5 模型性有效性
(1)解剖形态差异验证：根据以往的文献[19-20]，可知在骨盆有限元模型与三维重建模型上选取9个标志性节点，测量节点间距离，分别为：①同侧髂前上棘至后上棘距离；②前上棘至坐骨大切迹最高点距离；③髂棘最高点至坐骨结节距离；④同侧坐骨结节至耻骨结节距离；⑤髋臼窝的最大纵轴距离；⑥髋臼窝的最大横轴距离；⑦骶骨至髂前下棘距离；⑧双侧骶髂关节上缘距离；⑨S1终板面前后距离，并进行比较。
(2)有限元模型力学有效性验证：正常骨盆模型S1椎体上终板中心垂直向下施加500 N应力，固定双侧股骨远端，将6个方向自由度进行限制，模拟站立位，当骨盆有限元模型应力分布途径符合正常生理应力传导时，说明此次研究中有限元模型有效[21]；其次，对此次研究中有限元模型的垂直位移结果与相似条件下有限元分析文献的垂直位移结果进行比较[22]，结果相似，证明实验有效。
1.5.6 载荷工况及边界条件参考以往文献[11]，模拟骨盆的纵垂直工况(骶骨上表面竖直向下600 N，固定双侧股骨下端)、骨盆前后剪切工况(左侧髂骨外侧中部向后600 N，右侧髂骨外侧中部向前600 N，固定骶骨)以及“骨盆开书样”工况(左侧髂骨外侧中部向左600 N，右侧髂骨外侧中部向右600 N，固定双侧股骨下端和骶骨)，见图3。

1.6 主要观察指标 观察3种不同内固定方法制作的模型在不同工况条件下内植物的应力分布、骨折断端的应力分布、骨盆整体位移及骨块的位移。

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

讨论

骨盆骨折常常由于交通事故、高空坠落等原因所导致，常损伤前环和后环稳定性[23]，耻骨是构成骨盆前环稳定性的结构之一，单侧耻骨骨折的治疗可以加强骨盆后环的稳定性。然而，耻骨由于周围存在闭孔血管、髂外血管、股神经等重要血管和神经，并且耻骨支的形状不规则等因素导致单侧耻骨骨折治疗十分困难。
常规治疗单侧耻骨骨折的手术方法有很多，传统内固定手术治疗存在创伤大、出血多、容易损伤周围重要的血管、脏器和神经等缺点[24]。近几年来，随着术中透视系统的发展和微创技术的改进，微创内固定手术在临床上不断流行起来[25]，弥补了传统的内固定手术的缺点。经皮逆向空心螺钉和微创经皮钢板都是常用微创固定技术[26]。
经皮逆向空心螺钉具有创伤小、切口小、感染率低、减轻患者经济负担及减少住院时间等优点[27-28]。KIM等[29]对比了202例接受钢板固定和258例接受螺钉固定骨盆骨折患者的手术切口、手术时间、照射次数，指出螺钉固定骨盆比钢板手术切口更小、手术时间更短，然而该方法也有一定局限性：比如肥胖人群与耻骨上支结构变异治疗的效果比较差[30]。微创经皮钢板具有操作简单、出血少等优点，陶岳峰等[31]回顾了2018年4月至2021年7月采用经皮钢板治疗单侧前环骨折的临床效果，结果显示微创经皮钢板内固定治疗骨盆前环骨折手术时间短、术中出血量少，骨折复位及骨盆功能恢复良好。张功林等[32]对比了重建钢板与传统钢板治疗骨盆前环骨折患者的效果，结果显示重建钢板较传统钢板缩短了手术时间，减轻了手术创伤、降低了手术并发症。但是钢板还是存在剥离钢板损伤血管等缺点[33]。
为了探索对于单侧耻骨骨折更加安全和快速的手术方式，此次研究将逆行耻骨上支髓内钉技术应用于临床，该内植物更符合骨盆前环解剖结构，治疗骨盆前环骨折的疗效良好，具有手术切口小、手术时间短及术中透视次数少等优点[7]。李祖涛等[34]设计了空心螺钉和髓内钉治疗耻骨支骨折的实验，结果显示髓内钉组的术中透视次数和术后Matta放射学评定优良率优于空心螺钉组。
此次研究通过有限元方法比较在不同工况下，经皮逆向空心螺钉、微创经皮钢板和逆行耻骨上支髓内钉治疗耻骨上下支骨折的生物力学特性，结果显示，在垂直工况下3组模型的内植物应力、骨折断端应力峰值和骨块位移分析可知，空心螺钉数值是最小的，应力峰值为
8.39 MPa，其内植物的应力峰值明显小于钢板和髓内钉，其余两组对比空心螺钉组峰值增加4倍以上，对内植物本身而言，所承受的应力越大，在同等受力的情况下越容易断裂；虽然骨盆位移最小的是钢板，但是数值差异不明显。综上所述，经皮空心螺钉在垂直工况下治疗耻骨骨折的效果优于钢板和髓内钉。
在开书样损伤工况下，钢板应力峰值和位移峰值明显小于空心螺钉组和髓内钉组。钢板组耻骨上支断端应力峰值为0.19 MPa，其他两组大于钢板组5倍以上；钢板组骨盆和耻骨联合端的骨块位移峰值分别为0.19 mm和0.25 mm，其他两组骨盆和耻骨联合端骨块位移峰值都大于钢板组位移峰值2倍以上；虽然钢板内植物的应力大于空心螺钉，但是钢板高应力区域不在耻骨上支断裂部位，而对于空心螺钉，高应力总是发生在断裂部位；而在骨折线周围的内固定物应力，钢板与空心螺钉相似和略小。虽然髓内钉应力也没有集中于耻骨上支骨折线周围，但是骨折线周围应力数值明显大于钢板应力。因此钢板对比空心螺钉和髓内钉拥有更长的力臂，分散了骨折线周围内植物的应力，可预防骨折处内植物断裂与骨折处垮塌；在开书样工况下，钢板对于骨盆的稳定性明显优于空心螺钉组和髓内钉组。ABDELFATTAH等[35]通过正常骨盆与开书样骨盆的尸体研究，得出开书样骨盆骨折左右稳定性不如正常骨盆，因此，此次研究通过左右牵拉工况模拟开书样骨折。HE等[36]通过有限元技术分析腹腔镜辅助钢板和经皮内螺钉的生物力学稳定性，在开书样工况下，腹腔镜辅助钢板稳定要优于螺钉，与此次研究所得到结果一致。
在剪切工况下，3组的骨折断端应力峰值、骨盆位移、骨块位移结果如下：髓内钉组数值均小于钢板和空心螺钉组，对于耻骨上支断端应力，髓内钉组断端应力峰值为18.00 MPa，明显小于断端应力最大组空心螺钉组(峰值为25.08 MPa)；髓内钉组骨盆位移峰值为1.20 mm，明显小于刚板组的位移峰值(数值为1.62 mm)；虽然空心螺钉组的内植物应力峰值小于髓内钉组，而且3组都接近于耻骨上支骨折线周围，但是其数值上空心螺钉与髓内钉应力峰值接近，远远小于钢板的应力。因此，逆行耻骨上支髓内钉抗剪切的能力优于钢板和空心螺钉。
此次建立的有限元模型有以下不足之处[37-38]：①使用简化的骨盆有限元模型，仅仅对关节软骨和韧带模拟，对于关节囊、软组织、肌肉这些不能进行有效模拟，而这些是人在运动过程中不可缺少的；②对于3个内植物都进行简化，比如对空心螺钉和皮质钉的螺纹以及髓内钉的子弹头没有进行模拟；③仅仅对Nakatani Ⅱ区进行实验模拟，并没有对Nakatani Ⅰ区和Ⅲ区进行实验和讨论；④3种不同工况的研究结果对骨科临床有一定的指导，由于人体的生理活动十分复杂，缺乏上述3种工况混合情况下的实验研究，今后可进一步模拟3种工况混合的情况，以提供不同内固定方法性能的综合分析。
综上所述，此次研究发现了不同内固定方式治疗耻骨上下支骨折存在生物力学上的差异性：逆行经皮空心螺钉在垂直工况下内植物应力峰值最小；微创经皮钢板在开书样工况下降低耻骨上支断端应力峰值明显优于其他两组；逆行耻骨上支髓内钉在剪切工况下可减小骨盆位移。根据此次研究结果，手术医生可以将内固物生物力学差异性与实际临床上患者受伤情况相互结合，选择最优内植物治疗方式。当然，此次研究结果仅供临床参考，具体手术方式的选择还得结合临床实际情况和手术医生的判断。

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

不同内植物固定耻骨上下支骨折生物力学特征的比较

Comparison of biomechanical characteristics of superior and inferior pubic ramus fractures fixed with different internal fixation methods

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