新型股骨近端稳定髓内钉与传统髓内钉生物力学的差异

doi:10.12307/2026.620

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (9): 2217-2225.doi: 10.12307/2026.620

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

新型股骨近端稳定髓内钉与传统髓内钉生物力学的差异

饶敬澄1，李豫皖2，郑红兵1，徐志3，朱爱祥1，史册1，王冰1，杨春1，孔祥如1，朱大伟1

1南京鼓楼医院集团宿迁医院(徐州医科大学附属宿迁医院)，江苏省宿迁市 223800；2浙江大学医学院附属第一医院，浙江省杭州市 310009；3张家港市第五人民医院骨科，江苏省张家港市 215600

收稿日期:2025-02-08 接受日期:2025-04-12 出版日期:2026-03-28 发布日期:2025-09-05
通讯作者: 朱大伟，硕士，主任医师，中国医师协会宿迁骨科分会秘书，南京鼓楼医院集团宿迁医院(徐州医科大学附属宿迁医院)骨科，江苏省宿迁市 223800
作者简介:饶敬澄，男，1992年生，江苏省宿迁市人，汉族，2019年遵义医科大学毕业，硕士，主治医师，主要从事创伤和四肢关节的研究。
基金资助:
国家自然科学基金青年科学基金项目(82302853)，项目负责人：李豫皖；江苏省社会发展重点研发项目(BE2019703)，项目负责人：王冰

Biomechanical differences between the new proximal femoral stable intramedullary nail and traditional intramedullary nail#br#

Rao Jingcheng1, Li Yuwan2, Zheng Hongbing1, Xu Zhi3, Zhu Aixiang1, Shi Ce1, Wang Bing1, Yang Chun1, Kong Xiangru1, Zhu Dawei1

1Nanjing Drum Tower Hospital Group Suqian Hospital (Suqian Hospital Affiliated to Xuzhou Medical University), Suqian 223800, Jiangsu Province, China; 2First Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou 310009, Zhejiang Province, China; 3Department of Orthopedics, Zhangjiagang Fifth People’s Hospital, Zhangjiagang 215600, Jiangsu Province, China

Received:2025-02-08 Accepted:2025-04-12 Online:2026-03-28 Published:2025-09-05
Contact: Zhu Dawei, MS, Chief physician, Nanjing Drum Tower Hospital Group Suqian Hospital (Suqian Hospital Affiliated to Xuzhou Medical University), Suqian 223800, Jiangsu Province, China
About author:Rao Jingcheng, MS, Attending physician, Nanjing Drum Tower Hospital Group Suqian Hospital (Suqian Hospital Affiliated to Xuzhou Medical University), Suqian 223800, Jiangsu Province, China
Supported by:
Youth Science Foundation of National Natural Science Foundation, No. 82302853 (to LYW); Jiangsu Provincial Social Development Key Research and Development Project, No. BE2019703 (to WB)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

股骨近端防旋髓内钉：是一种用于治疗股骨近端骨折的髓内钉，设计上具有抗旋转功能，能够提供稳定的固定效果，适合承受垂直和扭转负荷。
股骨转子间髓内钉(InterTAN)：是一种专为股骨转子间骨折设计的髓内钉，具有双螺钉锁定机制，增强了骨折部位的稳定性，适合复杂骨折的治疗。
股骨近端稳定髓内钉：是一种新型髓内钉，专为股骨转子间骨折设计，其独特的交叉螺钉结构提供优良的稳定性和抗旋转性，能够有效分散应力，有利于骨折愈合，降低材料疲劳和断裂风险。

摘要
背景：股骨转子间骨折是一种常见的骨折类型，尤其在老年人中发病率较高，传统的髓内钉在治疗此类骨折时存在一定的生物力学不足，可能导致内固定失败。因此，开发一种新型髓内钉以提高骨折愈合效果及稳定性显得尤为重要。
目的：设计并评估一种新型股骨近端稳定髓内钉，并与现有的股骨近端防旋髓内钉和股骨转子间髓内钉进行生物力学性能对比，以期改善股骨转子间骨折的治疗效果。
方法：采用计算机模拟实验，通过三维有限元分析建立股骨转子间骨折的几何模型。首先，利用CT扫描获取股骨的CT数据，并通过Mimics Research和Geomagic Studio软件构建股骨三维模型。设计稳定髓内钉交叉固定6°，7.5°，9°，与股骨近端防旋髓内钉和股骨转子间髓内钉进行比较。在垂直承压、前后折弯和扭转工况下分析各模型的生物力学性能，比较髓内钉和骨骼的von Mises应力、最大位移、最大扭转角度。
结果与结论：①在垂直承压工况下，稳定髓内钉系列相比股骨近端防旋髓内钉和股骨转子间髓内钉表现出更低的股骨近端应力和股骨头位移，尤其是稳定髓内钉交叉固定9°表现出最佳性能；②在前后折弯和扭转工况下，稳定髓内钉系列同样展现出较低的应力和位移，表明其具有良好的稳定性和抗旋转性；③稳定髓内钉系列通过独特的交叉螺钉设计有效分散了施加在骨折部位的应力，减少了因应力集中引起疲劳性骨折的风险；④新型稳定髓内钉在生物力学性能上优于股骨近端防旋髓内钉和股骨转子间髓内钉，具有良好的结构稳定性；尽管有初步支持，仍需通过临床试验验证其长期有效性与安全性，以评估在实际治疗中的应用价值。

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, 髓内钉, 生物力学, 有限元分析, 稳定髓内钉

Abstract: BACKGROUND: Intertrochanteric fractures of the femur are a common type of fracture, especially prevalent among the elderly. Traditional intramedullary nails used in treating such fractures exhibit certain biomechanical inadequacies that can lead to internal fixation failure. Therefore, developing a new type of intramedullary nail to improve fracture healing outcomes and stability is particularly important.
OBJECTIVE: To design and evaluate a novel proximal femoral stable intramedullary nail and compare its biomechanical performance with existing proximal femoral nail antirotation and InterTAN in order to enhance the treatment outcomes of intertrochanteric fractures.
METHODS: The study employed computer-simulated experiments using three-dimensional finite element analysis to establish a geometric model of intertrochanteric fractures. Initially, CT scans were utilized to obtain CT data of the femur. Mimics Research and Geomagic Studio software were used to construct a three-dimensional model of the femur. Stable intramedullary nail CrossFix 6°, 7.5°, and 9° were designed and compared with proximal femoral nail antirotation and InterTAN. The biomechanical performance of each model was analyzed under conditions of vertical compression, anterior-posterior bending, and torsion, comparing the von Mises stress, maximum displacement and maximum torsion angle of the intramedullary nail and bone.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Under vertical compression, the stable intramedullary nail series exhibited lower proximal femur stress and femoral head displacement compared to proximal femoral nail antirotation and InterTAN, with stable intramedullary nail CrossFix 9° showing the best performance. (2) In anterior-posterior bending and torsion conditions, the stable intramedullary nail series also demonstrated lower stress and displacement, indicating good stability and anti-rotational properties. (3) The unique cross-screw design of the stable intramedullary nail series effectively distributed stress applied to the fracture site, reducing the risk of fatigue fractures caused by stress concentration. (4) The stable intramedullary nail demonstrates superior biomechanical performance compared to proximal femoral nail antirotation and InterTAN, with excellent structural stability. Although there is preliminary support for its effectiveness, clinical trials are necessary to verify its long-term efficacy and safety, thereby assessing its application value in actual treatments.

Key words: femoral intertrochanteric fracture, intramedullary nail, biomechanics, finite element analysis, stable intramedullary nail

中图分类号:

饶敬澄, 李豫皖, 郑红兵, 徐志, 朱爱祥, 史册, 王冰, 杨春, 孔祥如, 朱大伟. 新型股骨近端稳定髓内钉与传统髓内钉生物力学的差异[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2217-2225.

Rao Jingcheng, Li Yuwan, Zheng Hongbing, Xu Zhi, Zhu Aixiang, Shi Ce, Wang Bing, Yang Chun, Kong Xiangru, Zhu Dawei. Biomechanical differences between the new proximal femoral stable intramedullary nail and traditional intramedullary nail#br#[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(9): 2217-2225.

图/表（结果） 5

2.1 内固定应力比较 如图3及表3所示，在垂直承压工况下，PFNA、InterTAN、SIN CrossFix6°、SIN CrossFix7.5°、SIN CrossFix9°应力均值分别为273.2，270，339.5，369，342 MPa，应力大小排序为：SIN CrossFix7.5° > SIN CrossFix9° > SIN CrossFix6° > PFNA > InterTAN，应力云图显示PFNA峰应力发生于螺旋刀片和主钉内侧壁交界处，InterTAN峰应力则发生于2枚头髓钉近端接触面上，3种SIN峰应力均发生于压力钉和拉力螺钉近主钉处的接触面上。在前后折弯工况下，5种内固定应力均值分别为34.9，27.5，41.8，44.7，33.5 MPa，应力大小排序为：SIN CrossFix7.5° > SIN CrossFix6° > PFNA > SIN CrossFix9° > InterTAN，应力云图显示SIN CrossFix6°峰应力发生于主钉远端螺钉道口、其余4个模型峰应力均发生于主钉远端。在扭转工况下，5种内固定应力均值分别为48.1，35.1，49.6，50.4，47.9 MPa，应力大小排序为：SIN CrossFix7.5° > SIN CrossFix6° > PFNA > SIN CrossFix9° > InterTAN，应力云图显示PFNA峰应力发生于螺旋刀片刀头近骨折线处，InterTAN峰应力与垂直工况下类似出现在2枚头髓钉近端接触面上，SIN CrossFix6°和SIN CrossFix9°峰应力均发生于拉力钉螺纹近骨折面处，SIN CrossFix7.5°峰应力发生于压力钉基底部近骨折面处。

2.2 股骨近端/髓腔应力比较 如图4及表3所示，在垂直承压工况下，PFNA、InterTAN、SIN CrossFix6°、SIN CrossFix7.5°、SIN CrossFix9°股骨近端应力均值分别为26.1，36.2，23.5，25.8，25.4 MPa，应力大小排序为：InterTAN > PFNA > SIN CrossFix7.5° > SIN CrossFix9° > SIN CrossFix6°，在此工况下5个模型髓腔应力均值则为8.9，8.6，10.3，9.5，8.6 MPa，应力大小排序为：SIN CrossFix6° > SIN CrossFix7.5° > PFNA > InterTAN =SIN CrossFix9°，应力云图显示PFNA、InterTAN和SIN CrossFix6°峰应力均发生于外侧壁骨隧道口，SIN CrossFix7.5°峰应力发生于股骨头，SIN CrossFix9°峰应力发生于近端骨折断端接触面上。在前后折弯工况下，5个模型股骨近端应力均值分别为17，19.9，11.6，14，11.2 MPa，应力大小排序为：InterTAN > PFNA > SIN CrossFix7.5° > SIN CrossFix6° > SIN CrossFix9°，在此工况下5个模型髓腔应力均值则为0.9，0.8，0.8，0.9，0.7 MPa，应力大小排序为：PFNA= SIN CrossFix7.5° > InterTAN= SIN CrossFix6° > SIN CrossFix9°，应力云图显示5个模型股骨峰应力均出现在股骨前壁中段自由度限制区上缘。在扭转工况下，5个模型股骨近端应力均值分别为7.4，5.8，4.5，5.9，5.8 MPa，应力大小排序为：PFNA > SIN CrossFix7.5° > InterTAN= SIN CrossFix9° > SIN CrossFix6°，在此工况下5个模型髓腔应力均值则为1.8，1.5，1.7，1.5，1.1 MPa，应力大小排序为：PFNA > SIN CrossFix6° > InterTAN= SIN CrossFix7.5° > SIN CrossFix9°，应力云图显示除InterTAN股骨峰应力发生于外侧壁钉道口之外，其余4个模型峰应力均发生于股骨颈下表面。

2.3 股骨位移比较 如表3所示，在垂直承压工况下，PFNA、InterTAN、SIN CrossFix6°、SIN CrossFix7.5°、SIN CrossFix9°最大位移分别为10.2，8.3，8，8.3，7.6 mm，位移大小排序为：PFNA > InterTAN= SIN CrossFix7.5° > SIN CrossFix6° > SIN CrossFix9°。在前后折弯工况下，5个模型最大位移分别为3.5，3.2，2.8，2.7，2.9 mm，位移大小排序为：PFNA > InterTAN > SIN CrossFix9° > SIN CrossFix6° > SIN CrossFix7.5°。在扭转工况下，5个模型最大位移分别为2.7，2.2，1.7，1.6，1.6 mm，位移大小排序为：PFNA > InterTAN > SIN CrossFix6° > SIN CrossFix7.5°= SIN CrossFix9°，3种工况下的位移云图显示5个模型最大位移均出现在股骨头近端(图5)。

2.4 股骨头旋转比较 如表3所示，在垂直承压工况下，PFNA、InterTAN、SIN CrossFix6°、SIN CrossFix7.5°、SIN CrossFix9°最大旋转角度分别为6.97°，5.68°，6.03°，6.36°，5.53°，旋转大小排序为：PFNA > SIN CrossFix7.5° > SIN CrossFix6° > InterTAN > SIN CrossFix9°。在前后折弯工况下，5个模型最大旋转角度分别为1.74°，1.66°，1.45°，1.41°，1.43°，旋转大小排序为：PFNA > InterTAN > SIN CrossFix6° > SIN CrossFix9° > SIN CrossFix7.5°。在扭转工况下，5个模型最大旋转角度分别为1.62°，1.47°，1.27°，1.26°，1.27°，旋转大小排序为：PFNA > InterTAN > SIN CrossFix6°= SIN CrossFix9° > SIN CrossFix7.5°。3种工况下的旋转云图显示5个模型最大位移均出现在股骨头近端(图6)。

参考文献

[1] HUANG Q, XU Y, XUE H, et al. Percutaneous reduction with double screwdrivers versus limited open reduction in the treatment of irreducible extracapsular hip fractures. BMC Musculoskelet Disord. 2022;23(1):429.
[2] BI C, ZHAO Y, MA Z, et al. Comparison of Proximal Anti-Rotation Intramedullary Nail and Femoral Head Replacement for the Treatment of Femoral Intertrochanteric Fractures in Elderly Patients. Altern Ther Health Med. 2023;29(5):268-273.
[3] 孙鸿朔, 张治博, 李孟奇, 等. 新型牵引床闭合复位髓内钉固定股骨粗隆间骨折[J]. 中国矫形外科杂志,2024,32(6):506-511.
[4] AN Y, JIANG D. Biomechanical effects of three internal fixation modes on femoral subtrochanteric spiral fractures in osteoporotic patients by finite element analysis. Zhongguo xiu fu chong jian wai ke za zhi. 2023;37(6):688-693.
[5] 徐志, 仲鹤鹤, 向浩, 等. 股骨干骨折3种不同固定方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究,2022,26(33):5271-5277.
[6] 李浩涛, 李力文, 张世民. 股骨转子间骨折后壁冠状面“香蕉样骨块”特点及其在头髓钉治疗中的研究进展[J]. 中国修复重建外科杂志, 2024,38(12):1517-1523.
[7] 王伟, 张金明, 杨占辉, 等. 有限切开复位钛缆环扎联合加长型髓内钉治疗股骨转子下骨折的效果[J]. 滨州医学院学报, 2023,46(4):312-314.
[8] 张巍, 唐佩福.老年髋部骨折治疗方法的选择与进展[J]. 中国骨伤, 2023,36(12):1111-1113.
[9] CHLEBECK JD, BIRCH CE, BLANKSTEIN M, et al. Nonoperative Geriatric Hip Fracture Treatment Is Associated With Increased Mortality: A Matched Cohort Study. J Orthop Trauma. 2019;33(7):346-350.
[10] USAMI T, TAKADA N, KOSUWON W, et al. A Lateral Fracture Line Affects Femoral Trochanteric Fracture Instability and Swing Motion of the Intramedullary Nail: A Biomechanical Study. JB JS Open Access. 2024; 9(1):2300118.
[11] CHEN X, HU Y, GENG Z, et al. The “Three in One” Bone Repair Strategy for Osteoporotic Fractures. Front Endocrinol (Lausanne). 2022;13:910602.
[12] SONG H, CHANG SM, HU SJ, et al. Low filling ratio of the distal nail segment to the medullary canal is a risk factor for loss of anteromedial cortical support: a case control study. J Orthop Surg Res. 2022;17(1):27.
[13] TANG Z, LV Y, ZHU Z, et al. Biomechanical characteristic differences of two new types of intramedullary nail devices in the treatment of comminuted intertrochanteric fractures of femur: a comparative study based on finite element analysis. J Orthop Surg Res. 2024;19(1):583.
[14] 杨青, 牛宇飞, 苏静亮, 等. InterTan结合重建钢板治疗老年股骨转子间骨折PFNA内固定术后髓钉断裂的疗效分析[J]. 生物骨科材料与临床研究,2024,21(3):58-63.
[15] 缪建云, 徐维臻, 翟文亮, 等. 髓内钉联合髓外固定治疗伴有冠状面骨折的股骨粗隆间骨折的疗效观察[J]. 中国中医骨伤科杂志,2025,33(1):74-77.
[16] LI J, ZHANG L, ZHANG H, et al. Effect of reduction quality on post-operative outcomes in 31-A2 intertrochanteric fractures following intramedullary fixation: a retrospective study based on computerised tomography findings. Int Orthop. 2019;43(8):1951-1959.
[17] 史文骥, 毛宾尧, 赵艳. 股骨近端防旋髓内钉治疗老年股骨转子间骨折疗效及并发症探讨[J]. 中国骨伤,2021,34(10):906-910.
[18] WANG Y, CHEN W, ZHANG L, et al. Finite Element Analysis of Proximal Femur Bionic Nail (PFBN) Compared with Proximal Femoral Nail Antirotation and InterTan in Treatment of Intertrochanteric Fractures. Orthop Surg. 2022;14(9):2245-2255.
[19] 徐志, 刘子铭, 李豫皖, 等. 多孔结构设计人工踝关节衬垫生物力学的优化方案[J].中国组织工程研究,2024,28(30):4817-4824.
[20] 徐志, 李豫皖, 刘子铭, 等. 五种内固定方式治疗SeinsheimerⅤ型股骨转子下骨折的生物力学特性比较[J].中华骨科杂志,2024,44(9):616-625.
[21] LI J, YIN P, ZHANG L, et al. Medial anatomical buttress plate in treating displaced femoral neck fracture a finite element analysis. Injury. 2019; 50(11):1895-1900.
[22] WANG Q, SUN L, LIU L, et al. Biomechanical evaluation of the modified proximal femoral nail for the treatment of reverse obliquity intertrochanteric fractures. Sci Rep. 2025;15(1):3261.
[23] HOHENDORFF B, MEYER P, MENEZES D, et al. Treatment results and complications after PFN osteosynthesis. Unfallchirurg. 2005;108(11):938, 940-946.
[24] BONNAIRE F, LEIN T, FÜLLING T, et al. Reduced complication rates for unstable trochanteric fractures managed with third-generation nails: Gamma 3 nail versus PFNA. Eur J Trauma Emerg Surg. 2020;46(5):955-962.
[25] 孟永标, 杨跃芬, 吴生华, 等. 股骨近端防旋髓内钉治疗老年股骨粗隆间骨折合并膝骨关节炎的效果[J]. 浙江创伤外科,2025,30(2):238-241.
[26] MURUGAN PB, MOHIDEEN S, PRADEEP E, et al. Comparison of functional and radiological outcome of unstable intertrochanteric femur fractures treated using PFN and PFNA in patients with osteoporosis. J Orthop Case Rep. 2024; 14(10):219-224.
[27] 田可为, 陈勤, 陈柯, 等. 股骨近端防旋髓内钉内固定术后尾帽退出并发症临床报道[J].中国修复重建外科杂志,2023,37(2):252-254.
[28] 冯皓, 张斌, 聂涛. 三种术式治疗老年不稳定股骨粗隆间骨折术后并发症及远期疗效[J].中国老年学杂志,2021,41(9):1850-1853.
[29] LU X, GOU W, WU S, et al. Complication Rates and Survival of Nonagenarians after Hip Hemiarthroplasty versus Proximal Femoral Nail Antirotation for Intertrochanteric Fractures: A 15-Year Retrospective Cohort Study of 113 Cases. Orthop Surg. 2023;15(12):3231-3242.
[30] ZHU Z, ZHAO Z, WANG X, et al. A comparison of functional and radiological outcome of combine compression antegrade intertrochanteric nail (InterTan) and proximal femoral nail anti-rotation II (PFNA-II) in elderly patients with intertrochanteric fractures. Pak J Med Sci. 2023;39(1):96-100.
[31] 金立昆, 李晔, 张杰, 等. 不同髓内固定方式治疗股骨转子间骨折的临床观察[J]. 中国骨伤,2024,37(3):293-299.
[32] 傅宏沛, 周云烽, 贾俊杰, 等. PFBN、InterTan、PFNA髓内钉内固定治疗老年股骨粗隆间骨折早期疗效比较[J].中国骨与关节损伤杂志, 2023,38(10):1058-1061.
[33] 杨冬松, 王琼, 陈许冬, 等. 股骨近端仿生髓内钉治疗外侧壁破裂型老年股骨转子间骨折的近期疗效观察[J]. 创伤外科杂志,2025,27(1):34-37.
[34] BAI H, LIU L, DUAN N, et al. Biomechanical evaluation of three implants for treating unstable femoral intertrochanteric fractures: finite element analysis in axial, bending and torsion loads. Front Bioeng Biotechnol. 2023; 11:1279067.
[35] TANG Z, LV Y, ZHU Z, et al. Biomechanical characteristic differences of two new types of intramedullary nail devices in the treatment of comminuted intertrochanteric fractures of femur: a comparative study based on finite element analysis. J Orthop Surg Res. 2024;19(1):583.

引言

股骨转子间骨折专指发生在股骨大转子与小转子之间的骨折[1]，该类骨折属于关节囊外骨折，由于骨折部位血管分布密集，较少发生伤口不愈合、股骨头缺血性坏死等问题。但采用传统保守治疗方法，可能存在关节畸形愈合、双下肢不等长等问题[2]。
因此，除非有明确禁忌证，手术固定已成为治疗股骨转子间骨折的标准方法。为提高疗效，髓内固定逐渐成为治疗股骨转子间骨折，特别是不稳定型股骨转子间骨折的首选方法[3]。与髓外固定相比，髓内固定系统将螺钉置于髓腔内，更符合生理承重线，可有效降低螺棒界面应力，从而提高稳定性，利于载荷传递[4-5]。闭合复位还可减少组织损伤和出血，不直接干扰骨折端的血供，有利于患者早期康复和功能恢复[6-7]。由于人口老龄化加剧，股骨转子间骨折患者数量不断增加，带来的医疗、经济和社会负担也越来越重，建议对此类患者及时进行手术治疗，以降低卧床相关并发症的风险[8]。然而，即使接受手术，股骨转子间骨折患者术后1年内的死亡率也高达6.6%-36.4%[9]。因此，如何更好地治疗股骨转子间骨折是创伤外科医生面临的挑战。
当前，治疗股骨转子间骨折广泛应用的内固定物包括股骨近端防旋髓内钉(proximal femoral nail
antirotation，PFNA)、Gamma3髓内钉及股骨转子间髓内钉(intertrochanteric nail，InterTAN)，上述髓内钉固定技术具有微创、操作简便等特点，但由于骨质减少及高龄导致髓腔骨质疏松，股骨转子间骨折近端使用头髓内钉固定时易因摆动效应而发生内固定物松动甚至失败[10-12]。PFNA为单钉设计，防旋效果较差。InterTan髓内钉在颈部设有2枚平行的髓内钉，可增强其防旋能力，但防旋效果的提高有限。此外，对于股骨转子内侧壁粉碎性或缺损的患者，PFNA和InterTan钉无法提供足够的内侧支撑[13]，
这些植入物的失败率为6%-20%，其中包括退出、切割、内翻塌陷等[14-15]。因此，增强髓内钉的防旋功能和内侧支撑是降低植入物失败率的重要因素[16]。为此，作者团队参考股骨颈内固定系统的交叉钉设计，主要采用了股骨颈内固定系统中钉体与股骨头接触部分的特殊角度和双钉固定设计，开发了一种新型髓内钉，该设计旨在增强内固定的稳定性，为防止股骨头旋转和提供内侧支撑方面提供潜在的帮助，暂将新型髓内钉命名为稳定髓内钉(stable
intramedullary nail，SIN)。
此次研究构建了一个包含内侧壁有缺口的AO/OTA 31-A1.3股骨转子间骨折模型，通过有限元法创建了5种内固定模型，包括PFNA、InterTAN和3种亚型的SIN。假设新型股骨近端SIN通过其交叉螺钉设计，能够有效分散施加于骨折部位的应力，减少应力集中，进而提高股骨转子间骨折的固定稳定性，降低内固定失败率。作者在此次研究中模拟了垂直承压、前后折弯和扭转工况，分析相应的应力和空间变化；通过与PFNA和InterTAN相比，评估SIN是否能达到预设的生物力学性能，为提高股骨转子间骨折固定稳定性提供依据。

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 计算机模拟实验，股骨转子间骨折三维有限元分析。
1.2 时间及地点 实验于2025年3月在南京鼓楼医院集团宿迁医院和浙江大学医学院附属第一医院完成。
1.3 对象 骨科门诊招募57岁男性志愿者1名，身高173 cm，体质量71 kg，志愿者既往体健，无基础疾病史，无下肢创伤及手术史，查体和X射线片检查排除髋、膝关节疾病。嘱志愿者双下肢保持中立位，使用64排螺旋CT(Siemens Healthineers，德国)对志愿者双下肢进行扫描(管电压：120 kV、管电流：150 mA、层厚1 mm、层间距1 mm、采集矩阵512×512、像素大小0.5 mm×0.5 mm、视野
200 mm×200 mm)，获得的二维断层图像将以Dicom格式文件保存，志愿者已知晓并同意参与此研究，并签署了知情同意书。该研究方案的实施符合《赫尔辛基宣言》和南京鼓楼医院集团宿迁医院对研究的相关伦理要求(医院伦理批件号：2025-009-01，审批时间：2025-01-23)。
1.4 方法
1.4.1 股骨骨折几何模型构建将股骨的CT数据Dicom文件导入Mimics Research 19.0(Materialise，比利时)软件，设置合适的阈值后，通过区域增长工具提取股骨的三维模型。接着使用蒙版编辑和像素填充等功能对三维模型进行修整和完善，并将其导出为STL文件格式。然后，将导出的股骨STL文件导入Geomagic Studio 2017(Geomagic，美国)中，进行网格处理，去除不必要的特征，修补孔洞通道，进行平滑操作。最后，使用精确曲面工具编辑轮廓线，创建曲面片和格栅，通过拟合生成NURBS曲面，构建完整骨骼模型，并导出为IGS格式文件。AO/OTA 31-A1.3是一种发病率较高的转子间骨折类型[17]。根据先前的文献[18]，通过从大转子到小转子的截骨线构建 AO/OTA 31-A1.3转子间骨折模型，并在此基础上增加一处内侧壁缺口以模拟内侧壁失稳状态。
1.4.2 三种髓内钉几何模型和骨折-内固定装配体模型构建参考强生(DePuy Synthes)和施乐辉(Smith & Nephew)提供的PFNA和InterTAN的产品说明书与产品信息设计内固定模型(表1)，根据受试者骨骼形态选择合适尺寸的器械，髓内钉通用参数：主钉长度为160 mm，近端和远端主钉的直径分别为16 mm和10 mm，头髓内钉与主钉夹角设计为127°。

参考股骨颈内固定系统的交叉螺钉理念，将其应用于新型股骨近端SIN的设计中。股骨颈内固定系统的设计理念强调通过2枚交叉螺钉在股骨颈部和股骨头内产生多点锚定，以增强骨折部位的稳定性，尤其是在应对股骨头的旋转和剪切力时。此次研究中的SIN设计采用了类似的交叉螺钉结构，通过将2枚钉以特定角度交叉置入股骨头，理论上抑制了股骨颈内固定系统的抗旋转能力，有可能改善内侧支撑和减少骨折愈合期间的应力集中。为了进一步优化固定效果，SIN根据2枚交叉螺钉的交叉角度设计了3个亚型，暂将交叉螺钉角度为6°，7.5°和9°的新型器械命名为SIN CrossFix6°、SIN CrossFix7.5°和SIN CrossFix9°。这些不同交叉角度的设计旨在通过有限元分析评估各角度下的力学性能，进而确定哪种设计在复杂的力学环境中有更佳的适应性。使用计算机辅助设计软件Creo6.0(PTC.，美国)构建3个髓内钉模型，包括PFNA、InterTAN和SIN模型。然后，将3种内固定装置保存为IGS格式并导入Creo6.0的装配模块。在此过程中，将上述种髓内钉模型分别组装到股骨转子间骨折模型上，通过旋转和平移指令将内固定置于适当位置。图1A展示了各种髓内钉模型。
1.4.3 网格划分与定义材料属性将1.4.2步骤中获取的股骨和内固定模型组件导入Hypermesh 2014软件，完成模型的几何清理后，选用四节点线性四面体(C3D4)单元进行网格化处理，各种模型的网格如图1B所示。网格尺寸依据收敛性原则确定，即当连续2次不同网格密度下的模拟结果差异不超过5%时，视为达到网格收敛标准[19]。各组件的具体单元数量、节点数及网格尺寸详列于表2。随后，将完成网格化的组件以INP文件格式保存，并逐一导入Abaqus 6.14有限元分析软件中设置材料属性。通常可以认为钛合金材料为连续、各向同性、线弹性的材料，3款髓内钉均采用钛合金材料，故设置其弹性模量为110 000，泊松比为0.34[20]。鉴于骨骼材料的非均质性，其被视为非线性材料，故依据先前研究，利用灰度值方法对每个单元单独赋予材料属性，各部分的表观密度(ρ)、弹性模量(E)由CT扫描的HU值按以下公式分配[20]：
ρ(kg/m3)=131+1.067×GV×(HU) (1)

E(MPa)=0.004×ρ2.01(kg/m3) (2)

1.4.4 接触、边界条件及载荷设定所有接触面均为摩擦接触，骨折断端之间的摩擦系数为0.46，骨与内固定的摩擦系数为0.42，内固定之间的摩擦系数为0.2[20]。图2展示了垂直承压、前后折弯和扭转载荷的工况条件。垂直载荷设定为2 100 N，垂直施加于股骨头顶部[21]。股骨远端被限制所有方向的自由度，以禁止模型在测试期间发生微移动。对于前后折弯，股骨中部和远端被紧密固定，前后折弯载荷调整为175 N，横向施加于股骨头表面[22]。值得注意的是，在扭转测试过程中，根据先前的研究，沿股骨颈轴施加了15 Nm的载荷[22]。

1.5 主要观察指标 在垂直、前后折弯和扭转载荷下，比较各种内固定-股骨有限元模型髓内钉和骨骼的von Mises应力、最大位移、最大扭转角度。

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

此次研究通过有限元分析比较了PFNA、InterTAN、SIN CrossFix6°、SIN CrossFix7.5°和SIN CrossFix9° 5种髓内钉在治疗股骨转子间骨折时的生物力学性能。SIN系列由于采用了交叉螺钉结构，在多数测试条件下表现出优于或至少等同于传统PFNA和InterTAN的稳定性，尤其是在降低骨骼应力集中方面表现突出。值得注意的是，尽管SIN亚型间仅存在微小的角度变化，却导致了不同的生物力学响应，其中SIN CrossFix9°在多项指标中展现出最佳性能，表明适当的交叉角度对固定效果产生重要影响。与PFNA和InterTAN相比，SIN系列在减少股骨头旋转和位移方面也显示出潜在优势，SIN的设计优化了内固定的生物力学特性，提高了预期效果。
此前，外科医生采用股骨近端髓内钉固定股骨转子间骨折，股骨近端髓内钉2枚头髓内钉平行排列，均匀分布于股骨头的上下1/3处，但患者常出现Z效应，导致内固定失败，再次手术率高，对于老年人来说，该并发症的危害更大[23]。基于此，创伤外科医师将目光转向PFNA和Gamma钉，有报道显示，患者使用PFNA或Gamma3钉治疗股骨转子间骨折的临床效果相近[24]。许多研究从不同角度对股骨近端髓内钉和PFNA进行了比较，并证实PFNA在固定效果方面优于股骨近端髓内钉[25-26]。虽然PFNA是目前应用最为广泛的髓内固定物，但其并发症的报道也屡见不鲜[27-29]。随着InterTAN钉的出现，业内专家对双钉结构的期待再度升温。一些临床研究表明，与PFNA相比，InterTAN可显著减少转子间骨折患者的并发症[30-31]。然而通过此次有限元分析也发现InterTAN双螺钉结构也存在抗垂直稳定性良好但抗前后折弯和扭转稳定性较差的缺点。InterTAN的2个头髓螺钉的紧密和平行设计可能是导致上述问题的原因。
在相同的边界条件下，作者分析了应力分布和位移变化，发现SIN系列髓内钉相比传统的PFNA和InterTAN，具有明显的优势，尤其在稳定性和骨骼应力分散方面表现突出。SIN系列采用了交叉螺钉设计，这种结构在多个载荷条件下展现出了较低的骨折位移和应力集中。多项测试中，SIN模型的股骨头位移和平均应力均低于PFNA和InterTAN，表明它具有更好的稳定性以预防疲劳性骨折。SIN CrossFix9°在不同的生物力学测试中表现出最佳的稳定性，这表明交叉螺钉的角度对固定效果具有重要影响。相比之下，PFNA和InterTAN的位移和旋转值较高，尤其是PFNA，在承受垂直载荷时，股骨头的旋转角度较大，且存在较高的应力集中。SIN的设计通过独特的交叉螺钉结构有效地分散了施加在骨折部位的应力，降低了骨折线的旋转和剪切力，理论上有助于骨折愈合，减少疲劳性骨折风险。但仍需要注意的是，SIN的良好稳定性是依靠较强的结构刚度和较大的应力发生为代价的，尤其是在承受垂直载荷时，较高的刚度可能增加内固定疲劳性失效的风险。
在此次研究中，作者提出的SIN通过优化交叉螺钉角度，增强了旋转抗力和内侧支撑，提供了一种新的解决方案来治疗股骨转子间骨折。然而，股骨转子间骨折的治疗方法并不限于作者设计的SIN髓内钉，当前已有多种新型髓内固定装置被提出并广泛应用。除了传统的PFNA和InterTan髓内钉外，近些年如股骨近端仿生髓内钉和新型髓内系统等新型设计也取得了显著进展。股骨近端仿生髓内钉通过三角支撑理论优化了内固定装置的结构，具有更强的抗旋转性和稳定性，尤其在骨质疏松患者中效果显著[32-33]。WANG等[18]报道使用股骨近端仿生髓内钉固定股骨转子间骨折取得良好效果，股骨近端仿生髓内钉的2个头髓内钉在股骨头内以锐角相交。根据WANG等[18]的研究，在2 100 N的轴向载荷下，股骨近端仿生髓内钉比PFNA和InterTAN表现出更好的机械稳定性。BAI等[34]研究表明，新型髓内系统在治疗不稳定股骨转子间骨折中的生物力学性能优于传统髓内钉。尽管如此，股骨近端仿生髓内钉在处理如股骨外侧壁破裂型等复杂骨折时，仍然面临着一些局限[32]。相比之下，新型髓内系统通过双头设计增强了防旋转能力，尤其适用于股骨转子间内侧壁缺损的骨折[34]，但复杂的设计和较高的手术难度可能增加了手术时间及患者负担[35]。与这些新型髓内钉系统相比，SIN的主要创新在于其交叉螺钉设计，通过调整螺钉交叉角度，SIN在优化骨折部位的应力分布、减少应力集中方面展现了一定优势，这一设计提高了SIN在旋转稳定性和内侧支撑方面的表现。有限元分析结果表明，SIN通过交叉螺钉有效分散了施加在骨折部位的应力，减少了疲劳性骨折的风险，为骨折愈合提供了稳定环境，具备临床转化的潜力。进一步的临床试验将有助于验证这些实验结果，并确认SIN在临床治疗中的长期有效性。然而，SIN的设计也存在一定局限性：与PFNA相比，SIN的手术操作可能更复杂，需要精确的螺钉角度调整和较高的技术要求；SIN的设计可能增加了手术操作时间，也可能对患者的术后恢复产生一定影响。
此次研究存在一些局限性：首先，仅采用了有限元分析方法，缺乏实际临床数据的支持，因此结果的可靠性和有效性有待进一步验证；其次，仅考虑了特定类型的股骨转子间骨折(AO/OTA 31-A1.3)，对于其他类型的骨折是否适用尚不清楚；此外，为了简化建模，忽视了肌肉的作用，研究中的应力、位移和旋转等数据均是在理想条件下模拟得出的，与实际情况可能存在一定差异；最后，未对新型髓内钉的长期稳定性和并发症等方面进行深入探讨，这些都是未来研究需要重点关注的问题。因此，在实际应用中需要谨慎对待此次研究结果，并结合临床实际情况进行综合评估。

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新型股骨近端稳定髓内钉与传统髓内钉生物力学的差异

Biomechanical differences between the new proximal femoral stable intramedullary nail and traditional intramedullary nail#br#

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[1]	陈惠挺, 曾伟权, 周剑鸿, 王杰, 庄聪颖, 陈培友, 梁泽乾, 邓伟明. 椎体成形中拖尾锚定治疗伴裂隙征骨质疏松性椎体压缩骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2145-2152.
[2]	曾轩, 翁汭, 叶仕成, 唐佳栋, 莫凌, 李文超. 两种腰椎旋扳手法治疗腰椎间盘突出症：生物力学差异的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2153-2161.
[3]	程旗圣, 居来提·买提肉孜, 肖扬, 张陈伟, 帕尔哈提·热西提. 新型变径螺钉在腰椎改良皮质骨轨迹中的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2162-2171.
[4]	武泓序, 刘轩宇, 王韬宇, 王诗尧, 程靖祎, 张鸣文, 张银霞, 刘治华, 王晓洁. 引入肌肉单元的脊柱侧弯有限元仿真：双向载荷的矫形效果验证[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2172-2181.
[5]	刘佳富, 任茹霞, 廖州伟, 周夏丽, 吴益宏, 张少群. 颈性眩晕模型大鼠颈椎生物力学特性的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2182-2190.
[6]	刘文龙, 董磊, 肖争争, 聂宇. 骨质疏松患者行固定平台单髁置换后胫骨假体松动的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2191-2198.
[7]	郑汪杨, 费冀, 杨砥, 赵浪, 王伶俐, 刘鹏, 李海洋. 有限元分析肱骨外展与前屈运动中冈上肌腱及盂肱关节的受力变化[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2199-2207.
[8]	蔡其锐, 戴小玮, 郑晓斌, 简思莉, 卢绍平, 刘特熹, 刘国科, 林远方. 龙氏牵引下正骨法对颈椎功能单元的力学影响：头颈生物力学模型定量分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2208-2216.
[9]	陈龙, 王小阵, 席金涛, 鲁齐林. 短节段置钉联合可扩张聚醚醚酮置换体在骨质疏松椎体中的生物力学性能[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2226-2235.
[10]	闫相宁, 陈雷, 陈永欢, 王超, 李小生. 下蹲动作中不同深度和负荷对膝关节力学和周围肌肉力量特征的影响[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2236-2247.
[11]	周道斌, 王科豪, 谢洋, 宁仁德. 掌侧锁定钢板与联合背侧钢板固定桡骨远端骨折尺背侧骨折块的生物力学特征[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(9): 2255-2261.
[12]	郑旭颖, 胡洪成, 许礼兵, 韩建民, 邸萍. 不同载荷形式和内连接形状下两段式粘接固位氧化锆种植体的应力大小和分布[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(8): 1979-1987.
[13]	张子华. 从坐到站动作老年下肢肌群仿真及用力特征分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1407-1416.
[14]	钟彩红, 肖晓歌, 李明, 林剑虹, 洪靖. 运动相关髌腱炎发病的生物力学机制[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1417-1423.
[15]	许浩, 丁璐, 李潇. 中央螺丝机械磨损对莫氏锥度种植系统力学影响的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1375-1383.