不同内固定系统治疗股骨转子间骨折的力学稳定性

doi:10.12307/2025.105

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (9): 1783-1788.doi: 10.12307/2025.105

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

不同内固定系统治疗股骨转子间骨折的力学稳定性

陈曦1，2，汤涛1，2，陈铜兵1，2，李青1，2，张文3

1常州市第一人民医院，江苏省常州市 213003；2苏州大学附属第三医院，江苏省常州市 213003；3苏州大学，苏州医学院骨科研究所，江苏省苏州市 215006

收稿日期:2023-10-07 接受日期:2023-12-14 出版日期:2025-03-28 发布日期:2024-10-09
通讯作者: 张文，硕士，高级实验师，苏州大学，苏州医学院骨科研究所，江苏省苏州市 215006
作者简介:陈曦，江苏省常州市人，汉族，2019年苏州大学毕业，博士，副研究员，主要从事生物医学工程方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(82072410)，项目负责人：陈曦

Mechanical stability of intertrochanteric fracture of femur with different internal fixation systems

Chen Xi1, 2, Tang Tao1, 2, Chen Tongbing1, 2, Li Qing1, 2, Zhang Wen3

1Changzhou First People’s Hospital, Changzhou 213003, Jiangsu Province, China; 2Third Affiliated Hospital of Soochow University, Changzhou 213003, Jiangsu Province, China; 3Orthopedic Institute, Suzhou Medical College, Soochow University, Suzhou 215006, Jiangsu Province, China

Received:2023-10-07 Accepted:2023-12-14 Online:2025-03-28 Published:2024-10-09
Contact: Zhang Wen, Master, Senior experimentalist, Orthopedic Institute, Suzhou Medical College, Soochow University, Suzhou 215006, Jiangsu Province, China
About author:Chen Xi, MD, Associate researcher, Changzhou First People’s Hospital, Changzhou 213003, Jiangsu Province, China; Third Affiliated Hospital of Soochow University, Changzhou 213003, Jiangsu Province, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China (General Program), No. 82072410 (to CX)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

冯•米塞斯(Von Mises)等效应力：是一种屈服准则，通常叫等效应力，它遵循材料力学第四强度理论(形状改变比能理论)，用应力等值线来表示模型内部的应力分布情况，可以清晰描述出一种结果在整个模型中的变化，从而使分析人员可以快速地确定模型中最危险的区域。
压缩刚度：刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的表征，材料的刚度通常用弹性模量E来衡量。压缩刚度通常用压缩载荷和变形的比值来计算，单位N/mm。

摘要
背景：股骨转子间骨折的骨折类型和固定方式多样，各固定系统间的力学稳定性相差较大。使用有限元分析方法对各固定系统开展生物力学研究具有科学的临床意义。
目的：通过有限元方法对比分析多种内固定应用于股骨A031-A2.1型转子间骨折的力学稳定性。
方法：在已验证有效性的股骨有限元模型基础上，对模型进行必要的切割，造模成股骨A031-A2.1型转子间骨折，模拟临床手术方法置入不同的内固定系统，分别建立股骨近端防旋髓内钉、动力髋螺钉、经皮加压钢板和股骨近端锁定钢板固定模型。约束4组模型股骨远端下所有节点，在股骨头上施加700，1 400和2 100 N的压缩载荷，通过计算分析，观察各组模型的等效应力分布和压缩刚度，比较各组模型之间的力学稳定性。
结果与结论：①通过计算分析，对比各组模型的变形量计算压缩刚度后，在各级载荷作用下，各组模型上压缩刚度呈现的趋势：生理组>

股骨近端防旋髓内钉组>股骨近端锁定钢板组>经皮加压钢板组>动力髋螺钉组；完整的生理组模型的压缩刚度明显高于所有的手术组模型；②观察应力指标，因存在应力遮挡效应，致使各固定组的应力峰值均高于生理组，最大峰值均集中分布于各内固定上；其中股骨近端防旋髓内钉固定组应力峰值最小，动力髋螺钉固定组应力最高，应力分布趋势呈现：生理组<股骨近端防旋髓内钉固定组<经皮加压钢板固定组<股骨近端锁定钢板固定组<动力髋螺钉固定组；③分布于骨质模型的应力，因内固定置入位置不同呈现不同的分布结果；④提示对于股骨转子间骨折，各种内固定均能起到有效的固定，结合有限元分析结果得出股骨近端防旋髓内钉组是较好的一种内固定选择，呈现变形量小、应力峰值低，应力分布均匀的特性；经皮加压钢板组和股骨近端锁定钢板组的力学效果优良，固定效果接近股骨近端防旋髓内钉固定；动力髋螺钉固定效果欠佳，同比于其他内固定，其力学稳定性较差。

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: 股骨转子间骨折, 内固定系统, 力学稳定性, 有限元分析, 等效应力, 压缩刚度

Abstract: BACKGROUND: Intertrochanteric fracture of femur has various fracture types and fixation methods, and the mechanical stability of each fixation system is quite different. It is of scientific clinical significance to use finite element analysis method to carry out biomechanical research on various fixation systems.
OBJECTIVE: To compare and analyze the mechanical stability of various internal fixations applied to femoral intertrochanteric fracture A031-A2.1 by finite element method.
METHODS: Based on the validated finite element model of femur (Intact), the model was cut and made into A031-A2.1 intertrochanteric fracture of femur. Different internal fixation systems were implanted by simulating clinical operation methods, and fixation models of proximal femoral nail antirotation, dynamic hip screw, percutaneous compression plate and proximal femoral locking plate were established respectively. All nodes under the distal femur of the four groups of models were constrained, and compression loads of 700, 1 400 and 2 100 N were applied to the femoral head. Von Mises stress distribution and compression stiffness of each group of models were observed through calculation and analysis, and mechanical stability of each group was compared.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) Through calculation and analysis, after calculating the compression stiffness by comparing the deformation of each model, the compression stiffness of each model under various loads showed the trend: physiological group > proximal femoral nail antirotation group > proximal femoral locking plate group > percutaneous compression plate group > dynamic hip screw group. The compressive stiffness of the complete physiological group model was significantly higher than that of all surgical group models. (2) The stress index was observed. Due to the stress shielding effect, the stress peak value of each fixed group was higher than that of physiological group, and the maximum peak value was concentrated on each internal fixation. Proximal femoral nail antirotation group had the smallest stress peak, while dynamic hip screw group had the highest stress. The stress distribution trend showed physiological group < proximal femoral nail antirotation group < percutaneous compression plate group < proximal femoral locking plate group < dynamic hip screw group. (3) The stress distribution in the bone model showed different results depending on the implantation location of internal fixation. (4) It is concluded that for intertrochanteric fracture of femur, all kinds of internal fixation can effectively fix it. Combined with the results of finite element analysis, proximal femoral nail antirotation group is a better internal fixation choice, showing the characteristics of small deformation, low stress peak, and uniform stress distribution. The mechanical effect of percutaneous compression plate group and proximal femoral locking plate group is excellent, and the fixation effect is close to proximal femoral nail antirotation fixation. The fixation effect of dynamic hip screw is not good, and the mechanical stability of this group is poor compared with other internal fixation.

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

Key words: intertrochanteric fracture of femur, internal fixation system, mechanical stability, finite element analysis, equivalent stress, compression stiffness

中图分类号:

陈曦, 汤涛, 陈铜兵, 李青, 张文. 不同内固定系统治疗股骨转子间骨折的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(9): 1783-1788.

Chen Xi, Tang Tao, Chen Tongbing, Li Qing, Zhang Wen. Mechanical stability of intertrochanteric fracture of femur with different internal fixation systems[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(9): 1783-1788.

图/表（结果） 5

2.1 模型上的变形量分布分析 所有模型在各载荷作用下的最大变形量都发生在股骨头，这与加载载荷的位置相符合。因皮质骨、松质骨和内固定系统的材料属性为各项同性，所以结果显示随着载荷增大，模型上的变形量随着增大，基本呈线性。在同种载荷作用下，所有固定组模型的变形量都高于生理组，见图3。其中PFNA组的变形在术后组中是最小的，DHS+DS组最大；2 100 N载荷作用时，各组模型上的最大变形量分布：Intact组为2.15 mm，PFNA组为2.90 mm，PFLP组为3.30 mm，PCCP组为3.40 mm，DHS+DS组为4.22 mm。700 N和1 400 N的变形量分布趋势与2 100 N载荷保持一致。为了便于比较各组之间的差异，同时与经典的验证文献做比较[7]，将变形量换算成压缩刚度来呈现更为直观，压缩刚度的(计算公式是载荷/变形量，单位N/mm)结果为：Intact组(979.02 N/mm) > PFNA组(724.14 N/mm) > PFLP组(630.63 N/mm) > PCCP组(617.656 N/mm) > DHS+DS组(532.99 N/mm)，完整的生理组模型的压缩刚度明显高于所有的手术组模型，该结果提示患者骨折后，经内固定系统能起到有效的复位和固定作用，但模型上的力学稳定性均有不同程度的下降。

2.2 模型上最大等效应力分布分析 随着压缩载荷的增加，模型上的应力峰值也随着增大，各种载荷作用下，术后各模型上的应力峰值远高于Intact组(图4，5)，应力峰值均集中分布于内固定上(图6)，说明随着内固定的置入，术后模型呈现应力遮挡效应。当700 N作用时，PFNA组应力峰值为191.96 MPa，PCCP组为258.83 MPa，PFLP组为312.66 MPa，DHS+DS组为338.849 MPa，PFNA组最大应力峰值分布于防旋螺钉和髓内钉连接的位置，其他内固定组上的最高应力均分布于骨折线处，表明因骨折造成模型上的剪切力增加。当载荷增加到3倍体质量2 100 N时，DHS+DS组的应力峰值高达1 015.47 MPa，PFLP组为937.98 MPa，该数值均超过钛合金的屈服强度[24]，提示在高载荷的持续作用下，内固定上可能会出现断钉的风险。在各级载荷作用下通过查看整体模型的Von Mises应力分布，可得到各组模型的分布趋势：Intact组< PFNA组< PCCP组< PFLP组< DHS+DS组。

2.3 骨质模型上的应力分布 因应力遮挡效应，分布于骨质模型上的应力低于内固定(图7-9)。术后各组中，分布于骨质模型上的最大应力峰值出现在PFLP组的股骨干上，2 100 N载荷作用时为183.55 MPa。分布于股骨头颈上的最大应力峰值为PFNA组，2 100 N载荷作用时为139.33 MPa，应力峰值主要集中于头颈部骨块的入口点，转子窝周围。PCCP组不论在股骨干和股骨头颈上的应力分布都是各组中最小的。

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引言

材料方法

1.1 设计 股骨转子间骨折后各内固定系统固定，通过有限元方法分析其最大变形量(压缩刚度)和各模型间的最大等效应力，对比各组模型的力学稳定性差异。
1.2 时间及地点 实验于2022年5月至2023年5月在苏州大学骨科研究所开展。
1.3 对象 选择1名男性志愿者，身高173 cm，体质量65 kg，应用螺旋CT对其股骨进行扫描获取断层图像。此次研究经苏州大学医学伦理委员会批准(批号：[2019]伦审研第(7)号)，志愿者知情同意并自愿参与此次研究。
1.4 方法

1.4.1 数据采集和建模应用螺旋CT进行扫描，获取男性志愿者股骨断层图像，通过Mimics 21.0软件(Materialise公司，比利时)的阈值分割、区域增长和三维重建功能重建股骨模型。应用Geomagic 12.0软件(Raindrop公司，美国)建立股骨的面实体模型(图1)。

在Creo Parametric 5.0 软件(PTC公司，美国)中建立三维实体模型，并同时将建立的PFNA、DHS联合防旋钉(derotation screw，DS)系统、PCCP和PFLP与股骨模型进行装配和布尔操作。
1.4.2 体网格划分装配完成的模型在Hypermesh 2017软件(Altair公司，美国)中，经过对皮质骨、松质骨和内固定系统进行必要的快速编辑处理后，划分体网格，选用四面体Solid187单元网格，从而完成生理组(Iintact组)模型的建立，同时该生理组模型的计算结果已经经过验证，是科学有效的[11-13]，可以进行后续的其他研究。

对股骨颈进行必要的切割，模拟股骨颈A031-A2.1型转子间骨折，骨折线缝隙0.2 mm，并行4种内固定模型，从而完成PFNA组、DHS+DS组、PCCP组和PFLP组术后有限元模型的建立(图2)。各组包含的节点和单元分别为：PFNA组含1 229 245节点和777 082单元；DHS+DS组含1 446 322节点和942 677单元；PCCP组含1 427 167节点和926 057单元；PFLP组含1 240 629节点和814 856单元。按照文献要求，对股骨皮质骨、松质骨和内固定系统，分别分配材料属性[14-17]，见表1。

1.4.3 边界条件和载荷将骨模型(皮质骨和松质骨)与内固定之间设置为摩擦接触，摩擦系数0.4[18]。股骨所受的载荷是复杂的，在走路等正常运动时，经过髋关节的最大压缩力为体质量的2.6-4.1倍。股骨上所附着的肌肉情况也很复杂，ME等[19]认为股骨模型在肌肉力加载时存在许多不确定性，包括选择肌肉的数量、肌肉力加载的方向和重力等，特别是在动态时，要完全精准模拟的难度太大，较难实现。为了简化模型分析，凸显出内固定系统的固定效果，根据文献的表述，在股骨头上施加700 N模拟人体单腿站立，1 400 N和2 100 N模拟2倍和3倍体质量的压缩载荷[20-23]，对股骨远端髁以下的所有节点进行全约束。

1.5 主要观察指标 在ANSYS 19.0(ANSYS公司，美国)软件中进行仿真计算，主要观察4组内固定模型在700，1 400，2 100 N载荷作用下，模型和内固定系统以及骨质模型上的最大应力Von Mises分布和压缩刚度情况。

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

随着老年人口的增多，因骨质疏松症发生骨折的病例随着增多，转子间骨折的发生率同时呈逐年上升趋势[10]，预计到2050年，亚洲地区的股骨转子间骨折人数将上升到366万例[5，25]。目前针对转子间骨折，手术固定已成为首选的治疗方式，随着多种手术内固定物被设计和研发，如PFNA[6，26]、Gamma钉[27]、PCCP[7-8]、DHS和PFLP等[4，6，9-10]，但发生内固定物的退出、松动、断裂以及继发周围骨折的风险仍较高，且各内固定系统的力学稳定性也各不相同。
此次研究选择临床手术较常用的几种内固定治疗股骨转子间骨折，通过有限元方法比较各组内固定物的力学稳定性差异。选用的生理组模型，通过计算分析得到的压缩刚度为979.02 N/mm，与经典力学测试文献的结果(757±264) N/mm较为吻合[28-30]，验证了所选用的模型是科学有效的。通过分析，各载荷作用下的最大变形量都发生在股骨头，这与加载载荷的位置相符合。同时各部分分配的材料属性为各项同性，所以结果显示随着载荷增大，模型上的变形量随着增大，各种载荷作用下，模型上的变形量分布趋势是近似的。通过对2 100 N压缩载荷的变形量进行分析，能代表700 N和1 400 N载荷。在各载荷作用下PFNA组的变形在术后组中是最小的，DHS+DS组最大；2 100 N载荷作用时，各组模型上的最大变形量分布为：Intact组2.15 mm，PFNA组2.90 mm，PFLP组3.30 mm，PCCP组3.40 mm，DHS+DS组4.22 mm。确定完整模型(Intact)的压缩刚度均高于所有的手术组，说明随着内固定系统的置入，虽然恢复了骨折模型的力学稳定性，但因有骨折的发生，力学强度仍然发生了变化，较难恢复到骨折前的状态。各内固定组模型上的压缩刚度呈现的趋势：Intact组> PFNA组> PFLP组> PCCP组> DHS+DS组。
随着压缩载荷的增加，模型上的应力峰值也随着增大，各种载荷作用下，术后模型上的应力峰值远高于Intact组，应力峰值均集中分布于内固定上，说明随着内固定的置入，术后模型呈现应力遮挡效应。当700 N作用时，PFNA组应力峰值为191.96 MPa，PCCP组为258.83 MPa，PFLP组为312.66 MPa，DHS+DS组为338.849 MPa，PFNA组最大应力峰值分布于防旋螺钉和髓内钉连接的位置，其他内固定组上的最高应力均分布于骨折线处，表明因骨折造成模型上的的剪切力增加。同时结合模型上的应力分布情况显示：Intact组< PFNA组< PCCP组< PFLP组<
DHS+DS组。应力峰值均集中分布于内固定上，该结果与股骨转子间发生骨折后原有的股骨杠杆和支点消失，内固定将重建股骨的机械传导系统理论相符合。
分析结果显示PFNA组是较好的一种内固定选择，呈现的变形量小、应力分布峰值低、应力分布均匀的特性，这与该内固定的设计结构相关，也与PFNA是髓内固定相关，髓内固定的力学性能整体优于髓外固定[23]。PFNA的螺旋刀片和髓内钉结构起到抗旋转和角稳定的功能，螺旋刀片对股骨头松质骨的挤压，增加了刀片在股骨头颈内的锚合力，提高了抗旋转和塌陷的能力，对老年骨质疏松骨折非常适用[26，31]。
PCCP组和PFLP组的力学效果优良也最为接近PFNA固定。其中PCCP是由GOTFRIED等在2000年设计的股骨转子间骨折内固定物，2枚股骨颈螺钉平行置入且远端带有螺纹，可以有效起到抗旋、加压的目的[32]。在KRISCHAK等[33]的力学研究和张凯瑞[34]的有限元分析研究中均体现了PCCP优于DHS+DS的力学特性。
PFLP的设计原理是专为股骨近端设计的，虽在外观上与普通的钢板接近，但其实质为内固定支架，与髓内钉同样符合骨折固定的“BO理念”[35-36]，因其置入方法可以使用微创技术完成，在治疗股骨转子区骨折中已变得流行。LI等[4]探讨股骨外侧壁厚度对股骨转子间骨折内固定系统疗效的影响时，当外侧壁厚度大于10 mm，PFLP的力学特性优于DHS和PFNA。
DHS设计之初视为股骨转子间骨折固定的“金标
准”[6，37-38]，在股骨近端骨折的治疗中曾发挥了巨大的作用。位于髓内的拉力螺钉滑动加压，结合侧方钢板使得股骨头颈与股骨干结为一体，对防止髋内翻的发生起到了积极的作用。但DHS防旋作用力差，且无螺旋刀片对骨质的加压作用，所以常结合一颗空心钉一起使用；但其是髓外固定，力臂长、弯矩大，分布于拉力螺钉上的应力高，容易发生螺钉弯曲等不良结果。在此次研究中同样出现类似的现象，分布于DHS上的应力峰值高，主要集中于骨折线位置拉力螺钉的下侧，该结果会使得螺钉长期使用后出现弯曲甚至断钉的风险。
有限元分析将骨骼和承重植入物的应力和应变分析视为结构力学问题，是解决骨科生物力学中遇到数值问题的首选方法。此次研究选用该方法也有不足之处，研究中对模型和力学分析进行了一定程度的简化，没有评估肌肉和韧带等对模型力学的影响，具有局限性。目前，髋关节的有限元分析主要研究某一姿势下的单一载荷，如双脚站立或单脚站立等[39]。但由于正常生理条件下髋关节的受力并不只是单一的载荷，实际上是多种载荷的组合，随着身体不同的姿势和运动状态而变化，所以完全模拟生理状态下股骨的载荷是极其困难的。关于髋关节的负荷仍然存在争议，例如不同状态下肌肉负荷的数量和方向[40]。因此，大多数文献在进行下一步的分析研究之前对髋关节受力进行了简化，需要进一步的生物力学研究和临床试验来得出更有说服力的结论[23]。
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

不同内固定系统治疗股骨转子间骨折的力学稳定性

Mechanical stability of intertrochanteric fracture of femur with different internal fixation systems

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