解剖髓内钉ZNN、髓内钉Gamma 3和联合加压交锁髓内钉InterTan置入内固定治疗老年反转子间骨折的生物力学特点

doi:10.12307/2021.181

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (27): 4271-4276.doi: 10.12307/2021.181

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

解剖髓内钉ZNN、髓内钉Gamma 3和联合加压交锁髓内钉InterTan置入内固定治疗老年反转子间骨折的生物力学特点

陈健，马剑雄，卢斌，柏豪豪，王颖，马信龙

1宣城市人民医院骨科，安徽省宣城市 242000；2天津市骨科研究所、天津市天津医院，天津市 300050

收稿日期:2020-10-31 修回日期:2020-11-03 接受日期:2020-12-14 出版日期:2021-09-28 发布日期:2021-04-10
通讯作者: 马信龙，教授，博士生导师，天津市骨科研究所、天津市天津医院，天津市 300050
作者简介:陈健，男，1982年生，安徽省宣城市人，汉族，天津医科大学在读博士，副主任医师，主要从事创伤、生物力学、数字骨科、3D打印方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金(81871777)，项目负责人：马信龙；国家自然科学基金(11772226)，项目负责人：马剑雄；天津市科技计划项目(18PTLCSY00070，16ZXZNGX00130)，项目负责人：马信龙；中国博士后科学基金面上资助(2017M621087)，项目负责人：马剑雄；天津市博士后创新项目择优资助项目(TJQYBSH2017017)，项目负责人：马剑雄

Biomechanical properties of reverse obliquity intertrochanteric fracture in the elderly treated with three different intramedullary fixations of ZNN nail, Gamma 3 nail and InterTan nail

Chen Jian, Ma Jianxiong, Lu Bin, Bai Haohao, Wang Ying, Ma Xinlong

1Department of Orthopedics, People’s Hospital of Xuancheng City, Xuancheng 242000, Anhui Province, China; 2Department of Orthopedics Research, Tianjin Hospital, Tianjin 300050, China

Received:2020-10-31 Revised:2020-11-03 Accepted:2020-12-14 Online:2021-09-28 Published:2021-04-10
Contact: Ma Xinlong, Professor, Doctoral supervisor, Department of Orthopedics Research, Tianjin Hospital, Tianjin 300050, China
About author:Chen Jian, Doctoral candidate, Associate chief physician, Department of Orthopedics, People’s Hospital of Xuancheng City, Xuancheng 242000, Anhui Province, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China, No. 81871777 (to MXL), No. 11772226 (to MJX); the Science and Technology Program of Tianjin, No. 18PTLCSY00070, 16ZXZNGX00130 (to MXL); the General Financial Grant from the China Postdoctoral Science Foundation, No. 2017M621087 (to MJX); Grants from Postdoctoral Innovation Project of Tianjin, No. TJQYBSH2017017 (to MJX)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
解剖型髓内钉ZNN：由捷迈公司生产，由主钉、拉力螺钉和远端锁钉构成，主钉近端直径为15.5 mm，4°外偏角，15°前倾角，提供125°和130°两种颈干角，短钉带前弓弧度，曲率半径为1 275 mm，长度为180 mm，直径为10 mm。
髓内钉Gamma 3：史赛克公司生产，由主钉、拉力螺钉和远端锁钉构成，主钉近端直径为15.5 mm，4°外偏角，颈干角为130°，短钉(170 mm)无前弓弧度。
联合加压交锁髓内钉InterTan：施乐辉公司生产的联合加压交锁髓内钉，联合交锁钉由拉力螺钉和加压螺钉构成，适用于各种类型的股骨骨折，拉力螺钉的直径为11 mm，加压螺钉的直径为7 mm，交锁后直径为15.25 mm，短钉(180 mm，200 mm)无前弓弧度。

背景：髓内钉Gamma 3和联合加压交锁髓内钉InterTan与髓内钉ZNN置入内固定治疗转子间骨折均具有良好的临床效果，但3种内植物的力学稳定性差异尚不清楚。
目的：探讨解剖型髓内钉ZNN、髓内钉Gamma 3和联合加压交锁髓内钉InterTan治疗老年反转子间骨折的生物力学性能。
方法：采用三维有限元法分别建立ZNN、Gamma 3和InterTan固定反转子间骨折(AO分型31-A3.1型)模型，比较3组模型内植物与股骨的
Von Mises应力分布、应力峰值及位置，以及模型的位移分布、最大位移量与位置和骨折断端最大裂缝距离。
结果与结论：①在ZNN、Gamma 3和InterTan模型中内植物的应力峰值分别为364.8，364.9，97.01 MPa，InterTan内固定模型最低；②ZNN、Gamma 3和InterTan内固定模型的股骨应力均集中在远端锁定螺钉钉孔处，应力峰值分别为171.8，824.8，29.51 MPa，Gamma 3内固定模型的股骨承受应力最高；③ZNN、Gamma 3和InterTan内固定模型的最大位移量分别为3.768，3.862，3.542 mm，均位于股骨头顶部；ZNN、Gamma 3和InterTan内固定模型的骨折断端最大裂缝距离分别为0.08，0.09，0.02 mm；InterTan内固定模型的最大位移量和骨折断端最大裂缝距离明显小于ZNN、Gamma 3内固定模型；④结果表明，对于反转子间骨折，通过有限元分析发现InterTan内固定对髋内翻塌陷具有明显的抵抗作用，力学性能最好，其次为ZNN内固定，最后为Gamma 3内固定。
https://orcid.org/0000-0001-6734-8501 (陈健)

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: 植入物, 内固定, 有限元分析, 反转子间骨折, 骨折固定术, 髓内钉

Abstract: BACKGROUND: Intramedullary nail Gamma 3, compression interlocking intramedullary nail InterTan and intramedullary nail ZNN have good clinical effect in the treatment of intertrochanteric fractures, but the difference of mechanical stability of three kinds of implants is not clear.
OBJECTIVE: To perform biomechanical properties of anatomical intramedullary nail ZNN, intramedullary nail Gamma 3 and compression interlocking intramedullary nail InterTan for elderly reverse obliquity intertrochanteric fractures.
METHODS: Three-dimensional finite element analysis was carried out to unstable intertrochanteric fractures models (AO31-A3.1) which fixed with ZNN, Gamma 3 and InterTan. The observed indicators were the distribution, maximum value and position of the Von Mises stress and the displacement, maximum value and position and the maximum crack distances of the fracture surface of the model.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The peak values of stresses of the implant in the three groups were 364.8 MPa (ZNN), 364.9 MPa (Gamma 3) and 97.01 MPa (InterTan); the stress was lowest in the model InterTan. (2) The peak values of stresses of the femur of the three groups were 171.8 MPa (ZNN), 824.8 MPa (Gamma 3) and 29.51 MPa (InterTan); the stress was highest in the model Gamma 3. (3) The maximum amount of displacement was 3.768 mm in model ZNN, 3.862 mm in model Gamma 3 and 3.542 mm in model InterTan. Their locations were the same which located in the femoral head vertex. The maximum crack distances of the fracture surface of models were 0.08 mm, 0.09 mm and 0.02 mm in ZNN, Gamma 3 and InterTan, respectively. The maximum amount of displacement and the maximum crack distances were obviously smaller in model InterTan than in models ZNN and Gamma 3. (4) For reverse obliquity intertrochanteric fractures, finite element analysis showed that the InterTan implant provided significantly resistance to femoral head varus collapse, with the best mechanical properties, followed by ZNN internal fixation, and finally Gamma 3 internal fixation.

Key words: implant, internal fixation, finite element analysis, reverse obliquity intertrochanteric fracture, fracture fixation, intramedullary nail

中图分类号:

陈健, 马剑雄, 卢斌, 柏豪豪, 王颖, 马信龙. 解剖髓内钉ZNN、髓内钉Gamma 3和联合加压交锁髓内钉InterTan置入内固定治疗老年反转子间骨折的生物力学特点[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(27): 4271-4276.

Chen Jian, Ma Jianxiong, Lu Bin, Bai Haohao, Wang Ying, Ma Xinlong. Biomechanical properties of reverse obliquity intertrochanteric fracture in the elderly treated with three different intramedullary fixations of ZNN nail, Gamma 3 nail and InterTan nail[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(27): 4271-4276.

图/表（结果） 4

参考文献

[1] BHANDARI M, SWIONTKOWSKI M. Management of Acute Hip Fracture. N Engl J Med. 2017;377(21):2053-2062.
[2] SWART E, KATES S, MCGEE S, et al. The Case for Comanagement and Care Pathways for Osteoporotic Patients with a Hip Fracture. J Bone Joint Surg Am. 2018;100(15):1343-1350.
[3] BOONE C, CARLBERG KN, KOUEITER DM, et al. Short Versus Long Intramedullary Nails for Treatment of Intertrochanteric Femur Fractures (OTA 31-A1 and A2). J Orthop Trauma. 2014;28(5): e96-e100.
[4] BERGER-GROCH J, RUPPRECHT M, SCHOEPPER S, et al. 5 years outcome analysis of intertrochante-ric femur fractures: A prosective randomized trial comparing a two-screw and a single-screw cephalomedullary nail. J Orthop Trauma. 2016;30(9):483-488.
[5] BAZYLEWICZ DB, EGOL KA, KOVAL KJ. Cortical encroachment after cephalomedullary nailing of the proximal femur: evaluation of a more anatomic radius of curvature. J Orthop Trauma. 2013;27(6):303-307.
[6] COLLINGE CA, BELTRAN CP. Does modern nail geometry affect positioning in the distal femur of elderly patients with hip fractures? A comparison of otherwise identical intramedullary nails with a 200 versus 150 cm radius of curvature. J Orthop Trauma. 2013;27(6): 299-302.
[7] 陈健,左才红,张财义,等.解剖型髓内钉和股骨近端防旋髓内钉治疗老年股骨转子间骨折的疗效比较[J].北京大学学报(医学版), 2019,51(2):283-287.
[8] SHIN YS, CHAE JE, KANG TW, et al. Prospective randomized study comparing two cephalomed-ullary nails for elderly intertrochanteric fractures:Zimmer Natural nail versus proximal femoral nail antirotation II. Injury. 2017;48(7):1550-1557.
[9] MA JX, WANG J, XU WG, et al. Biomechanical outcome of proximal femoral nail antirotation is superior to proximal femoral locking compression plate for reverse oblique intertrochanteric fractures: a biomechanical study of intertrochanteric fractures. Acta Orthop Traumatol Turc. 2015;49(4):426-432.
[10] WEISER L, RUPPEL AA, NÜCHTERN JV, et al. Extra- vs. intramedullary treatment of pertrochanteric fractures: a biomechanical in vitro study comparing dynamic hip screw and intramedullary nail. Arch Orthop Trauma Surg. 2015;135(8):1101-1106.
[11] 匡明杰,马剑雄,董强,等.Gamma钉与InterTan髓内钉固定治疗股骨转子间骨折的生物力学性能比较[J].中华创伤骨科杂志,2017, 19(8):708-713.
[12] CHEN J, MA JX, WANG Y, et al. Finite element analysis of two cephalomedullary nails in treatment of elderly reverse obliquity intertrochanteric fractures: zimmer natural nail and proximal femoral nail antirotation-II. J Orthop Surg Res. 2019;14(1):422.
[13] LEE CH, SU KC, CHEN KH, et al. Impact of tip-apex distance and femoral head lag screw position on treatment outcomes of unstable intertrochanteric fractures using cephalomedullary nails. J Int Med Res. 2018;46(6):2128-2140.
[14] KUZYK PR, LOBO J, WHELAN D, et al. Biomechanical evaluation of extramedullary versus intramedullary fixation for reverse obliquity intertrochanteric fractures. J Orthop Trauma. 2009;23(1):31-38.
[15] SITTHISERIPRATIP K, OOSTERWYCK HV, SLOTEN JV, et al. Finite element study of trochanteric gamma nail for trochanteric fracture. Med Eng Phys. 2003;25(2):99-106.
[16] OKEN OF, SOYDAN Z, YILDIRIM AO, et al. Performance of modified anatomic plates is comparable to proximal femoral nail, dynamic hip screw and anatomic plates: Finite element and biomechanical testing. Injury. 2011;42(10):1077-1083.
[17] KWAK DK, KIM WH, LEE SJ, et al. Biomechanical Comparison of Three Different Intramedullary Nails for Fixation of Unstable Basicervical Intertrochanteric Fractures of the Proximal Femur: Experimental Studies. Biomed Res Int. 2018;2018:7618079.
[18] REILLY DT, BURSTEIN AH, FRANKEL VH. The elastic modulus for bone. J Biomech. 1974;7(3):271-275.
[19] PAPINI M, ZDERO R, SCHEMITSCH EH, et al. The biomechanics of human femurs in axial and torsional loading: comparison of finite element analysis, human cadaveric femurs, and synthetic femurs. J Biomech Eng. 2007;129(1):12-19.
[20] BERGMANN G, DEURETZBACHER G, HELLER M, et al. Hip contact forces and gait patterns from routine activities. J Biomech. 2001;34(7): 859-871.
[21] ROHLMANN A, MÖSSNER U, BERGMANN G, et al. Finite-element-analysis and experimental investigation of stresses in a femur. J Biomed Eng. 1982;4(3):241-246.
[22] CHEN WP, TAI CL, SHIH CH, et al. Selection of fixation devices in proximal femur rotational osteotomy: clinical complications and finite element analysis. Clin Biomech. 2004;19(3):255-262.
[23] HONG JB, DAN Y, OUYANG L, et al. Biomechanical study on different lengths of PFNA fixation for unstable intertrochanteric femoral fractures. J Musculoskelet Neuronal Interact. 2017;17(4):299-302.
[24] LEE PY,LIN KJ,WEI HW, et al. Biomechanical effect of different femoral neck blade position on the fixation of intertrochanteric fracture: a finite element analysis. Biomed Tech (Berl). 2016;61(3):331-336.
[25] 中华人民共和国2018年国民经济和社会发展统计公报[J].中国统计,2019(3):8-22.
[26] TAWARI AA, KEMPEGOWDA H, SUK M, et al. What Makes an Intertrochanteric Fracture Unstable in 2015? Does the Lateral Wall Play a Role in the Decision Matrix? J Orthop Trauma. 2015;29 Suppl 4: S4-S9.
[27] HAIDUKEWYCH GJ, ISREAL TA, BERRY DJ. Reverse obliquity fractures of the intertrochanteric region of the femur. J Bone Joint Surg Am. 2001;83-A(5):643-650.
[28] EVANIEW N, BHANDARI M. Cochrane in CORR ®: Intramedullary nails for extracapsular hip fractures in adults (review). Clin Orthop Relat Res. 2015;473(3):767-774.
[29] Roberts KC, Brox WT, Jevsevar DS, et al. Management of hip fractures in the elderly. J Am Acad Orthop Surg. 2015;23(2):131-137.
[30] YANG X, WU Q, WANG X. Investigation of perioperative hidden blood loss of unstable intertrochanteric fracture in the elderly treated with different intramedullary fixations. Injury. 2017;48(8):1848-1852.
[31] SANTONI BG, NAYAK AN, COOPER SA, et al. Comparison of Femoral Head Rotation and Varus Collapse Between a Single Lag Screw and Integrated Dual Screw Intertrochanteric Hip Fracture Fixation Device Using a Cadaveric Hemi-Pelvis Biomechanical Model. J Orthop Trauma. 2016;30(4):164-169.
[32] CHANG SM, SONG DL, MA Z, et al. Mismatch of the short straight cephalomedullary nail (PFNA) with the anterior bow of the femur in an Asian population. J Orthop Trauma. 2014;28(1):17-22.
[33] HOFFMANN S, PAETZOLD R, STEPHAN D, et al. Biomechanical evaluation of interlocking lag screw design in intramedullary nailing of unstable pertrochanteric fracture. J Orthop Trauma. 2013;27(9): 483-490.
[34] NIE SB, ZHAO YP, LI JT, et al. Medial support nail and proximal femoral nail antirotation in the treatment of reverse obliquity inter-trochanteric fractures (Arbeitsgemeinschaft fur Osteosynthesfrogen/Orthopedic Trauma Association 31-A3.1): a finite-element analysis. Chin Med J (Engl). 2020;133(22):2682-2687.
[35] ZHENG XL, PARK YC, KIM S, et al. Removal of a broken trigen intertan intertrochanteric antegrade nail. Injury. 2017;48(2):557-559.
[36] BARQUET A, FRANCESCOLI L, RIENZI D, et al. Intertrochanteric-subtrochanteric fractures: treatment with the long Gamma nail. J Orthop Trauma. 2000;14(5):324-328.
[37] YU W, ZHANG X, ZHU X, et al. A retrospective analysis of the InterTan nail and proximal femoral nail anti-rotation-Asia in the treatment of unstable intertrochanteric femur fractures in the elderly. J Orthop Surg Res. 2016;11:10.

引言

随着老龄人口的不断增加，由低能量创伤所致的股骨转子间骨折发生率越来越高[1]，这将给医疗系统带来越来越大的压力。实现骨折稳定的复位和固定以及允许患者早期的活动是转子间骨折手术的主要关注点[2]，因此应重视内植物的稳定性和强度，以获得最佳的选择。
髓内钉Gamma 3和联合加压交锁髓内钉InterTan据报道已有良好的临床效果[3-4]，但在某些股骨前弓弧度大的患者，因Gamma 3、InterTan短钉是直钉，可能存在同股骨近端解剖形态不匹配、术后患者出现大腿疼痛及主钉远端应力性骨折等问题[5-6]。为解决这一问题，开发出新型解剖髓内钉ZNN (Zimmer，德国)，这种内植物考虑到了人股骨近端的解剖形态结构，短钉有1 275 mm的前弓半径，15°前倾角，颈干角(125°/130°)，已有相关文献报道同样取得了良好的临床效果[7-8]。
现有不少关于转子间骨折固定的生物力学研究[9-11]，但很少有研究将解剖髓内钉ZNN同髓内钉Gamma 3和联合加压交锁髓内钉InterTan进行比较，尚不清楚哪种内固定具有更好的力学稳定性。前期研究通过有限元分析发现，解剖髓内钉ZNN在治疗反转子间骨折时较股骨近端防旋髓内钉PFNA-Ⅱ具有更好的生物力学优势[12]。有限元分析是骨科常用的生物力学评价方法之一[13]，该技术将内植物的三维模型转化为有限元模型，利用模拟的生理负荷对手术结果进行分析和预测。由于反转子间骨折属于不稳定型转子间骨折，术后具有较高并发症发生率或内固定失败率，因此研究的主要目的是用有限元分析比较解剖髓内钉ZNN、髓内钉Gamma 3、联合加压交锁髓内钉InterTan 治疗老年反转子间骨折(AO/OTA 分型31-A3.1型)的生物力学特性，为临床围术期内固定的选择提供参考依据。研究的创新之处在于采用有限元法比较解剖髓内钉ZNN、髓内钉Gamma 3、联合加压交锁髓内钉InterTan置入内固定治疗反转子间骨折的生物力学稳定性，客观、定量地评估各种髓内钉固定后骨和内植物的应力和位移分布，填补现有文献对该领域的研究空白。
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2019年10 月至2020年3月在天津市骨科研究所生物力学实验室完成。
1.3 材料 64排螺旋CT(GE，美国)；Mimics 17.0软件(Materialise，比利时)；计算机辅助设计软件Solid works2012 (Dassault，法国)；有限元分析前处理软件HyperMesh 13.0(Altair，美国)；有限元软件Abaqus 6.14(Dassault，美国)。植入物材料学特征见表1。

1.4 方法
1.4.1 股骨和内植物三维模型的建立
股骨三维几何模型的建立：选择1 名健康男性志愿者，年龄67岁，身高169 cm，体质量70 kg，经X射线片检查无髋关节及股骨疾病，采用64排螺旋CT 进行股骨扫描，扫描电压120 kV，扫描电流230 mA，层厚0.625 mm，数据以DICOM格式存储。研究数据的采集获志愿者签署的知情同意书和宣城市人民医院伦理委员会批准。将DICOM格式数据导入Mimics 17.0软件，建立股骨三维几何模型。采用虚拟截骨术建立符合Muller AO分型31-A3.1的不稳定反转子间骨折模型[14]，自小转子上方建立与水平线呈33°角的截骨线，至外侧壁下方。
三种髓内钉三维几何模型的建立：从内植物制造商的目录中获得解剖髓内钉ZNN、髓内钉Gamma 3 和联合加压交锁髓内钉InterTan的几何参数。①解剖髓内钉ZNN的参数：长度为180 mm，直径为10 mm，主钉近端直径为15.5 mm，4°外偏角，15°前倾角，颈干角为130°，拉力螺钉的直径为10.5 mm，远端锁定螺钉的直径5.0 mm，短钉长度180 mm，带前弓，曲率半径1 275 mm；②髓内钉Gamma 3的参数：长度为
170 mm，直径为10 mm，主钉近端直径15.5 mm，4°外偏角，颈干角为130°，拉力螺钉的直径为10.5 mm，远端锁定螺钉的直径为5 mm，短钉长度为170 mm，无前弓弧度；③联合加压交锁髓内钉InterTan的参数：长度为
200 mm，直径为10 mm，主钉近端直径为15.25 mm，4°外偏角，颈干角为130°，拉力螺钉的直径为11 mm，加压螺钉的直径为7 mm，交锁后直径为15.25 mm，远端锁定螺钉的直径为5 mm，短钉长度为180 mm、200 mm，无前弓弧度。然后将参数输入到计算机辅助设计软件Solid works2012中，建立内植物的三维几何模型。随后，将内植物的几何模型分别与31-A3.1骨折模型组装(图1)。

将骨折模型和内固定模型导入有限元分析前处理软件HyperMesh 13.0中画网格。模型采用四面体单元进行网格划分，通过收敛试验确定了最优单元尺寸大小为1 mm，分别建立ZNN、Gamma 3和InterTan固定31-A 3.1型反转子间骨折的三维有限元模型(图2)，3组模型的节点数和单元数见表2。将上述三维有限元模型导入有限元软件Abaqus 6.14中进行力学分析。

1.4.2 材料属性将股骨和内固定视为均质、各向同性和线性弹性的材料，ZNN、Gamma 3和InterTan均由钛合金制成，材料属性见表3[15-18]。

1.4.3 模型有效性验证重建了完整的股骨有限元模型，当对股骨头施加1 500 N的垂直载荷时，得到的轴向刚度为0.54 kN/mm，在文献报道测量区间内[(0.76±0.26) kN/mm][19]。考虑到个体差异，对有限元模型进行了满意的验证，可以用该模型进行模拟数值计算。
1.4.4 边界条件、加载条件和接触面的设定边界条件设定为股骨远端完全固定，该位置沿x轴、y轴和z轴的位移为零[12]。模拟体质量70 kg人行走姿势阶段臀部受力情况，将股骨内收10°、后倾10°，向股骨头垂直施加2 000 N向下外力[20-22] (图3)。根据文献中描述的接触方法，将骨折断面设置为摩擦，摩擦系数为0.46[23]。骨-内植物相互作用的摩擦系数为0.3[22]，内植物结构间相互作用的摩擦系数为0.2[24]。

1.5 主要观察指标 3组模型内植物和股骨的Von Mises应力分布、峰值和位置，模型的位移分布、最大位移量及位置，以及骨折断端最大裂缝距离。

讨论

根据国家统计局发布数据，到2018年末，中国60周岁及以上人口24 949万人，占总人口的17.9%，其中65周岁及以上人口16 658万人，占总人口的11.9%，这表明中国已进入老年化社会[25]。伴随社会老龄化，转子间骨折变得越来越常见，这将给医疗系统带来巨大的负担。虽然稳定型转子间骨折的治疗取得了良好的效果，但不稳定型骨折的治疗失败率要高得多[26]。
反转子间骨折，骨折线经过小转子上方股骨矩或直接通过小转子，使股骨内侧弓的完整性受到破坏而失去力学支持，在轴向载荷下易造成髋内翻，属于不稳定型转子间骨折。据估计，它约占所有髋部骨折的2%，但治疗的失败率高达30%[27]。近些年，伴随原有内植物的持续改进和新的内植物的不断推广和应用，老年转子间骨折髓内固定越来越多[28]。美国骨科医师学会( american academy of orthopaedic surgeons，AAOS)发布老年髋部骨折临床指南也推荐使用髓内器械对转子间骨折进行固定[29]，尤其是不稳定骨折。
目前有关髓内钉治疗转子间骨折的研究主要集中在股骨近端防旋髓内钉PFNA/PFNA-II(Depuy Synthes，美国)、髓内钉Gamma 3(Stryker，美国)和联合加压交锁髓内钉InterTan (Smith & Nephew，英国)，对解剖髓内钉ZNN (Zimmer，德国)的研究相对较少。YANG等[30]对不同髓内固定治疗老年不稳定股骨转子间骨折围术期隐性失血量进行了研究，发现InterTan组患者的隐形失血明显高于Gamma 3组和PFNA组，在临床治疗中需要仔细监测。BERGER-GROCH等[4]进行一项比较双螺钉和单螺钉头髓内钉治疗股骨转子间骨折的前瞻性随机试验，5年的随访发现InterTan组术后6个月随访的功能恢复和住院时间好于 Gamma 3组，两组5年后比较无明显差异。SANTONI等[31]用11对骨量减少的女性半骨盆尸体骨制作不稳定转子间骨折模型(OTA/AO 31-A2型)，分别用Gamma 3和InterTan进行固定，发现在骨质疏松且不稳定的转子间骨折的模型中，InterTan内固定能提供更好的稳定性和抵抗股骨头旋转和内翻塌陷的能力。对于老年髋部骨折患者，上述文献报道InterTan提供了更好的稳定性，但其引起围术期患者隐性失血量高的问题也需重视，同时股骨近端防旋髓内钉PFNA/PFNA-Ⅱ、髓内钉Gamma 3、联合加压交锁髓内钉InterTan短钉为直钉，无前弓设计，可能引起股骨并发症，如前皮质撞击、穿孔或骨折[32]。HOFFMANN等[33]将10对人类尸体股骨进行截骨制作不稳定转子间骨折模型(AO/OTA 31A-2.2型)，植入2种不同的短髓内钉Gamma 3和联合加压交锁髓内钉InterTan进行生物力学测试，测量材料的刚度、破坏载荷、疲劳破坏循环次数和骨折断端位移，发现InterTan的设计减少了股骨头的旋转和髋内翻塌陷，破坏载荷大，疲劳破坏循环次数多，差异有统计学意义。NIE等[34]通过有限元分析比较新型内侧支撑髓内钉MSN-Ⅱ和股骨近端抗旋钉PFNA-Ⅱ在治疗反转子间骨折生物力学性能方面的差异，发现与PFNA-Ⅱ治疗反转子间骨折(AO/OTA 31-A3.1)相比，采用三角形稳定结构设计的MSN-Ⅱ具有更好的生物力学稳定性，MSN-Ⅱ可能是治疗反转子间骨折的一种可行的选择。
解剖髓内钉ZNN的设计与股骨近端防旋髓内钉PFNA/PFNA-Ⅱ、髓内钉Gamma 3、联合加压交锁髓内钉InterTan的区别主要在于考虑到了亚洲人体股骨近端的形态结构，无论短钉还是长钉都有前弓设计。据查阅文献所知，目前还没有生物力学研究将解剖髓内钉ZNN同髓内钉Gamma 3、联合加压交锁髓内钉InterTan在治疗老年反转子间骨折上进行比较，尚不清楚哪种内固定具有更好的力学稳定性。有限元分析是生物力学研究中最重要的力学评价工具之一。课题组前期研究通过有限元分析对比了解剖髓内钉ZNN内植物和股骨近端防旋髓内钉PFNA-Ⅱ内植物在反转子间骨折治疗中的生物力学优势，发现ZNN模型内植物和股骨的应力均小于PFNA-Ⅱ模型，两组内植物和股骨应力峰值分别为
364.8 MPa和171.8 MPa (ZNN)、832.3 MPa和1795.0 MPa
(PFNA-Ⅱ)[12]；两组最大位移量相似，位置相同，均在股骨头顶点处(ZNN模型为3.768 mm，PFNA-Ⅱ模型为
3.713 mm)，ZNN内植物具有更好的生物力学优势。此次研究构建了解剖髓内钉ZNN、髓内钉Gamma 3和联合加压交锁髓内钉InterTan内固定老年反转子间骨折的三维有限元模型，发现在相同荷载下，3组模型产生不同的应力分布和位移分布，InterTan模型内植物的应力低于ZNN和Gamma 3模型，三者内植物的应力分别为97.01，364.8，364.9 MPa；InterTan模型内植物的应力集中在加压螺钉下方，ZNN和Gamma 3模型的应力均集中在远端锁定螺钉处。研究结果验证了临床有关InterTan断裂位于加压螺钉部位和Gamma 3断裂位于远端锁定螺钉部位的报道[35-36]，可能与这些部位应力集中有关。研究发现，髓内钉Gamma 3模型股骨承受的应力高于解剖髓内钉ZNN和联合加压交锁髓内钉InterTan模型，应力均集中于远端穿钉孔处，这可以解释先前文献报道股骨转子间骨折髓内钉固定后出现股骨干骨折[37]。
此次研究发现在同等载荷下，联合加压交锁髓内钉InterTan减少了股骨头的移位和骨折断端间的移位
(3.542 mm和0.02 mm)，其次为解剖髓内钉ZNN(3.768 mm和0.08 mm)，最后为髓内钉Gamma 3(3.862 mm和0.09 mm)。因此，相对联合加压交锁髓内钉InterTan，使用解剖髓内钉ZNN和股骨近端防旋髓内钉PFNA-Ⅱ的患者更容易发生髋内翻塌陷。在同等载荷下，位移量越小固定的稳定性越强。由此可见，联合加压交锁髓内钉InterTan内固定的力学稳定性最好，这可能与其双钉结构具有更大的表面积、非圆柱形剖面、骨折加压有关[29]。
研究的创新之处在于：使用有限元分析来比较解剖髓内钉ZNN、髓内钉Gamma 3和联合加压交锁髓内钉InterTan内固定在治疗反转子间骨折中的生物力学稳定性，对不同髓内钉固定后骨与内植物的应力和位移分布进行了客观、定量的评价，具有较好的准确性。同时，研究也存在一定的局限性：股骨实际受力情况复杂，而研究采用的为简化模型，不能完全放映实际受力情况。
综上所述，通过有限元分析发现，对于反转子间骨折，InterTan内固定对髋内翻塌陷具有明显的抵抗作用，力学性能最好，其次为ZNN内固定，最后为Gamma 3内固定。
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

解剖髓内钉ZNN、髓内钉Gamma 3和联合加压交锁髓内钉InterTan置入内固定治疗老年反转子间骨折的生物力学特点

Biomechanical properties of reverse obliquity intertrochanteric fracture in the elderly treated with three different intramedullary fixations of ZNN nail, Gamma 3 nail and InterTan nail

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 4

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	魏国强, 李云峰, 王一, 牛晓芬, 车丽芳, 王海燕, 李志军, 史国鹏, 白灵, 莫凯, 张晨晨, 许阳阳, 李筱贺. 非均匀材料股骨在不同负荷情况下的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1318-1322.
[2]	袁加斌, 朱宗东, 唐孝明, 魏丹, 谭波, 肖成伟, 赵淦琳炜, 廖锋. 难复性股骨转子间骨折的解剖分型与复位策略[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1341-1345.
[3]	吕倩忆, 陈芯仪, 郑慧娥, 何灏龙, 李棋龙, 陈楚淘, 田浩梅. 不同角度肘按法对正常人腰椎椎体及后部结构的应力和位移分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1346-1350.
[4]	张玉芳, 吕蒙, 梅钊. 青少年脊柱侧弯全脊柱生物力学模型的构建及验证[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1351-1356.
[5]	张吉超, 董跃福, 牟志芳, 张震, 李冰言, 徐祥钧, 李佳意, 任梦, 董万鹏. 骨关节炎患者在不同步态角度下膝关节内部生物力学变化的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1357-1361.
[6]	潘保顺, 方镇, 高明杰, 方贵明 , 陈金水. 基于影像学数据设计带融合器的寰枢椎后路内固定系统[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1372-1376.
[7]	姚晓玲, 彭建城, 许岳荣, 杨志东, 张顺聪. 可变角度零切迹前路椎间融合内固定系统治疗脊髓型颈椎病：30个月随访[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1377-1382.
[8]	李琨, 高尔科, 熊峰, 王星, 武丹琪, 李志军, 张少杰, 刘亚楠, 朵岚, 李子瑜. 1-6岁儿童枢椎经椎弓根螺钉内固定的可行性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(9): 1383-1387.
[9]	杨军, 杨群, 张锐, 姜畅. 新型可滑动椎弓根钉棒内固定系统治疗腰椎结核：对融合节段产生应力刺激促进植骨融合[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 914-918.
[10]	何世平, 贾大洲, 李小磊, 王强. 髓内钉固定老年股骨转子间骨折后输血预测模型的建立[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 929-933.
[11]	李桂军, 方晓辉, 孔维峰, 袁晓庆, 金荣忠, 杨俊. 微型钢板联合超强缝线弹性固定治疗拇外翻畸形的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 938-942.
[12]	李键, 鲍正齐, 周平辉, 朱瑞直, 李志想, 王金子. 颈椎后路单开门椎板成形与颈椎体次全切除植骨融合治疗多节段颈椎病对颈椎矢状位平衡参数的影响[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 949-953.
[13]	章鑫隆, 慈文韬, 罗开文, 闫石. 股骨近端防旋髓内钉修复后内固定失效：原因和再手术的策略分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 973-979.
[14]	彭坤. 骨质疏松性骨折治疗效果的改善：研究现状及策略分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 980-984.
[15]	温明韬, 梁学振, 李嘉程, 许波, 李刚 . 两种方式固定Sanders Ⅱ型跟骨骨折后的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(6): 838-842.