股骨干骨折3种不同固定方式的有限元分析

doi:10.12307/2022.717

中国组织工程研究 ›› 2022, Vol. 26 ›› Issue (33): 5271-5277.doi: 10.12307/2022.717

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

股骨干骨折3种不同固定方式的有限元分析

徐志1，仲鹤鹤2，向浩3，李恩超4，黄榆顺4，陆浩1，金瑛2，邹刚2，刘毅2

1张家港市第五人民医院骨科，江苏省张家港市 215600；2遵义医科大学附属医院骨科，贵州省遵义市 563000；3遵义市第一人民医院急诊科，贵州省遵义市 563000；4宗仁卿纪念医院骨科，江苏省昆山市 215300

收稿日期:2021-09-29 接受日期:2021-11-11 出版日期:2022-11-28 发布日期:2022-03-30
通讯作者: 刘毅，医学硕士，主任医师，遵义医科大学附属医院骨科，贵州省遵义市 563000
作者简介:徐志，男，1993年生，安徽省泾县人，汉族，2019年遵义医科大学毕业，医学硕士，医师。
基金资助:
贵州省卫生健康委科学技术基金项目(gzwkj2021-257号)，项目负责人：仲鹤鹤；贵州省自然科学基金项目(黔科合LH字[2017]7015号)，项目负责人：邹刚；遵义医科大学硕士科研启动基金项目(院字[2016]34号)，项目负责人：金瑛

Finite element analysis of three internal fixation methods for treating femoral shaft fracture

Xu Zhi1, Zhong Hehe2, Xiang Hao3, Li Enchao4, Huang Yushun4, Lu Hao1, Jin Ying2, Zou Gang2, Liu Yi2

1Department of Orthopedics, Zhangjiagang Fifth People’s Hospital, Zhangjiagang 215600, Jiangsu Province, China; 2Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Zunyi Medical University, Zunyi 563000, Guizhou Province, China; 3Department of Emergency, First People’s Hospital of Zunyi, Zunyi 563000, Guizhou Province, China; 4Department of Orthopedics, Jen Ching Memorial Hospital, Kunshan 215300, Jiangsu Province, China

Received:2021-09-29 Accepted:2021-11-11 Online:2022-11-28 Published:2022-03-30
Contact: Liu Yi, Master, Chief physician, Department of Orthopedics, Affiliated Hospital of Zunyi Medical University, Zunyi 563000, Guizhou Province, China
About author:Xu Zhi, Master, Physician, Department of Orthopedics, Zhangjiagang Fifth People’s Hospital, Zhangjiagang 215600, Jiangsu Province, China
Supported by:
Project of Science and Technology Foundation of Guizhou Provincial Health Commission, No. gzwkj2021-257 (to ZHH); Natural Science Foundation Project of Guizhou Province, No. [2017]7015 (to ZG); Master's Scientific Research Start-Up Fund Project of Zunyi Medical University, No. [2016]34 (to JY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
桥接组合式内固定系统：桥接组合式内固定系统是近来年逐渐流行的一类新型骨科内固定器械，相较于传统接骨板具有使用灵活、固定牢靠的优势且具备良好有效接触的特点。
有限元分析：利用数学近似的方法对真实的物理系统进行模拟分析，将相互作用的元素拆分为单元，将复杂的工程问题简化成线性或非线性问题，通过对矩阵的求解获得对每一单元假定一个经简化后合适的近似解。

背景：股骨干骨折目前的主流治疗策略是采取手术治疗，方法包括髓内钉固定、钢板固定以及近年来逐渐流行的桥接组合式内固定，然而对比3种内固定方式的生物力学性能研究相对较少。
目的：应用有限元技术模拟股骨中段骨折，分析锁定钢板、桥接组合式内固定、髓内钉系统在不同工况条件下的生物力学特点。
方法：采集1例来源于遵义医科大学附属医院符合文章纳入排除标准的健康志愿者的左股骨CT资料，通过Mimics及Geomagic软件逆向构建股骨中段骨折伴缺损的数字模型，根据内固定原则，在将骨折模型导入Pro/E软件中后分别与合适尺寸的锁定钢板、桥接组合式内固定系统、髓内钉完成装配，再经过几何清理、模型网格化后纳入Abaqus软件中，应用有限元分析法分析股骨中段骨折3种内固定方式在不同受力状态下的位移及应力情况。
结果与结论：在有限元分析结果中可以观察到3种股骨内固定模型在不同的工况下，表现出不同的力学特性。①在垂直应力的加载下，髓内钉受力沿主钉方向分布较为均匀，其承受应力最小；桥接系统两根连接棒在骨折端附近产生“Z”字形变分摊了整体应力，产生的位移最小，稳定性最佳；②在水平应力的加载下，桥接系统承受的应力和产生的位移最小，稳定性最佳，应力集中于桥接系统连接棒上的第1-3固定块及其毗邻金属部件；③在扭转应力的加载下，髓内钉发生的位移最小，稳定性最佳；桥接系统承受的应力和产生的位移最大，应力集中于近端锁钉与骨接触面，稳定性最差；④上述结果证实，股骨桥接系统具有良好的抗压缩和抗弯曲的力学特性，而在抗扭转力方面股骨交锁髓内钉则更具有优势，锁定钢板作为传统偏心固定方案，其垂直抗压和抗折弯稳定性不如前两者，但在抗扭转方面优于双棒桥接系统不如交锁髓内钉。

https://orcid.org/0000-0003-3298-8765 (徐志)

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: 股骨干骨折, 股骨中段骨折, 锁定钢板, 桥接组合式内固定系统, 髓内钉, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: At present, the mainstream treatment strategy for femoral shaft fracture is surgical treatment, including intramedullary nail fixation, steel plate fixation, and Bridge combined fixation system, which is becoming more and more popular in recent years. However, there are relatively few studies on the biomechanical properties of the three internal fixation methods.
OBJECTIVE: To simulate the fracture of the middle femur using finite element technique, and analyze the biomechanical characteristics of locking plate, Bridge combined fixation system, and intramedullary nail internal fixation under different working conditions.
METHODS: The CT data of left femur of a healthy volunteer from the Affiliated Hospital of Zunyi Medical University meeting the inclusion and exclusion criteria were collected in this study. The digital model of middle femoral fracture with defect was constructed by Mimics and Geomagic software. According to the principle of internal fixation, the fracture model was assembled with appropriate size locking plate, Bridge combined fixation system, and intramedullary nail respectively after introducing the fracture model into Pro/E software. After geometric cleaning and gridding, the model was incorporated into Abaqus software to analyze the displacement and stress of three internal fixation methods of middle femoral fracture under different stress conditions by finite element analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: In the results of finite element analysis, three kinds of femoral internal fixation models showed different mechanical properties under different working conditions. (1) Under the loading of vertical stress, the force of the intramedullary nail was uniformly distributed along the direction of the main nail, and the stress was the least, and the Z-shaped deformation of the two connecting rods in the bridging system near the fracture end distributed the overall stress, resulting in the smallest displacement and the best stability. (2) Under the loading of horizontal stress, the stress and displacement of the bridging system were the smallest, and the stability was the best. Stress was concentrated on the 1-3 fixing block on the bridging system connection rod and its adjacent metal components. (3) Under the loading of torsional stress, the displacement of the intramedullary nail was the smallest and the stability was the best, while the stress and displacement of the bridging system were the largest, and the stress was concentrated on the interface between the proximal locking nail and the bone, and the stability was the worst. (4) The results show that the femoral bridging system has good mechanical properties of anti-compression and anti-bending, while the femoral interlocking intramedullary nail has more advantages in anti-torsion force. As a conventional eccentric fixation, locking plate is less stable in vertical compression and bending, but better resistant to torsion than double-bar bridging system and inferior to the interlocking intramedullary nail.

Key words: femoral shaft fracture, middle femoral fracture, locking plate, bridge combined fixation system, intramedullary nail, finite element analysis

中图分类号:

徐志, 仲鹤鹤, 向浩, 李恩超, 黄榆顺, 陆浩, 金瑛, 邹刚, 刘毅. 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.

Xu Zhi, Zhong Hehe, Xiang Hao, Li Enchao, Huang Yushun, Lu Hao, Jin Ying, Zou Gang, Liu Yi. Finite element analysis of three internal fixation methods for treating femoral shaft fracture[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2022, 26(33): 5271-5277.

图/表（结果） 13

2.1 垂直方向施加应力载荷后各内固定实验结果在Model-1中，锁定钢板内固定系统的承受应力强度为501.5 MPa，见图2A，股骨模型承受平均应力强度为43.8 MPa，见图2B。在Model-2中，交锁髓内钉系统的承受应力强度为231.5 MPa，见图2C，股骨模型承受平均应力强度为93.1 MPa，见图2D。在Model-3中，桥接组合式内固定系统的承受应力强度为312.3 MPa，见图2E，股骨模型承受平均应力强度为39.4 MPa，见图2F。

Model-1，2，3模型中内固定系统承载平均值分别为501.5，231.5，312.3 MPa，此3个模型中内固定系统之间承受载荷的差异有显著性意义(P < 0.05)，见表3。

实验结果提示，在给予垂直方向载荷的条件下，髓内钉承受载荷最小，桥接组合式内固定次之，锁定钢板承受载荷最大；Model-1，2，3模型中股骨断端承受载荷平均值为：43.8，93.1，39.4 MPa，此3个模型中股骨断端承受载荷的差异有显著性意义(P < 0.05)，见表4。

在给予垂直方向载荷的条件下，桥接组合式钢板组股骨应力最小，锁定钢板组次之，髓内钉组最大；Model-1，2，3的位移平均值分别为：11.39，3.13，1.74 mm，此3个模型位移之间的差异具有显著性意义(P < 0.05)，见表5。

实验结果提示，在给予垂直方向载荷的条件下，桥接组合式内固定系统发生的位移最小，髓内钉次之，锁定钢板系统最大。
2.2 水平方向施加应力载荷后各内固定实验结果具体结果见图3。

在Model-1中，锁定钢板内固定系统的承受应力强度为2 787.2 MPa，见图3A。股骨模型承受平均应力强度为142.3 MPa，见图3B。在Model-2中，交锁髓内钉系统的承受应力强度为2 617.1 MPa，见图3C，股骨模型承受平均应力强度为322.1 MPa，见图3D。在Model-3中，桥接组合式内固定系统的承受应力强度为1 045.5 MPa，见图3E，股骨模型承受平均应力强度为805.6 MPa，见图3F。
Model-1，2，3模型中内固定系统承载平均值分别为：2 787.2，2 617.1，1 045.5 MPa，此3个模型中内固定系统之间承受载荷的差异有显著性意义(P < 0.05)，见表6。

表6结果提示，在给予水平方向载荷的条件下，桥接组合式内固定承受应力最小，髓内钉次之，锁定钢板承受应力最大；Model-1，2，此3模型中股骨断端承受载荷平均值为142.3，322.1，805.6 MPa，此3个模型中股骨断端承受载荷的差异有显著性意义(P < 0.05)，见表7。

表7结果提示，在给予水平方向载荷的条件下，锁定钢板组股骨载荷最小，髓内钉组次之，桥接组合式内固定组最大；Model-1，2，3的位移平均值分别为69.12，26.33，12.56 mm，此3个模型位移之间的差异具有显著性意义(P < 0.05)，见表8。

2.3 扭矩加载后各内固定实验结果试验结果见图4。

在Model-1中，锁定钢板内固定系统的承受应力强度为142.3 MPa，见图4A，股骨模型承受平均应力强度为33.3 MPa，见图4B。在Model-2中，交锁髓内钉系统的承受应力强度为150.6 MPa，见图4C，股骨模型承受平均应力强度为70.0 MPa，见图4D。在Model-3中，桥接组合式内固定系统的承受应力强度为363.3 MPa，见图4E，股骨模型承受平均应力强度为19.7 MPa，见图4F。
Model-1，2，3模型中内固定系统承载平均值分别为142.3，150.6，363.3 MPa，3个模型中内固定系统之间承受载荷的差异具有显著性意义(P < 0.05)，见表9。

表9结果表明，在给予扭转载荷的条件下，锁定钢板承受载荷最小，髓内钉次之，桥接组合式内固定最大； Model-1，2，3模型中股骨断端承载平均值分别为33.3，70.0，19.7 MPa，3个模型中内固定系统之间承受载荷的差异有显著性意义(P < 0.05)，见表10。

表10结果表明，在给予扭转载荷的条件下，桥接组合式内固定组股骨断端承受载荷最小，锁定钢板组次之，髓内钉组最大；Model-1，2，3的位移平均值分别为：1.26，0.73，2.12 mm，3个模型位移之间的差异有显著性意义(P < 0.05)，见表11。

表11结果表明，在给予扭转载荷的条件下，髓内钉发生的位移最小，锁定钢板次之，桥接组合式内固定系统最大。

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引言

股骨干骨折可导致骨不愈合、肢体短缩畸形、行走功能障碍等严重并发症，通常需要进行手术治疗。传统上，闭合股骨干骨折采用髓内钉和锁定钢板治疗，其中锁定钢板因其采取的是偏心固定的方式不可避免地产生应力遮挡、集中，还有学者报道上楼的过程中锁定钢板承受的应力达到或超过材料的屈服点，增加了螺钉拔出及钢板断裂的风险[1]，髓内钉具有良好的抗旋转、折弯应力的特性[2]，在治疗长骨骨折中应用广泛，然而钢板或髓内钉固定对骨折部位的长期应力屏蔽引起骨折局部骨小梁稀疏，不利于骨折愈合。

桥接组合式内固定(Bridge combined fixation system，BCFS)是一类符合“生物接骨”理念的新型组合式内固定装置，该系统结合了钉棒系统和锁定钉系统的优点，通过自由组合搭配适应不同部位解剖形态实现个性化固定，相较于锁定钢板桥接组合式内固定力学性能更佳[3]，临床治疗股骨干骨折取得了良好的治疗效果[4-5]。WANG等[6]采用有限元分析测试桥接组合式内固定与锁定钢板固定股骨干骨折模型的生物力学特性，结果表明在行走及爬楼时前者应力分布明显低于后者；汪亮等[7]对比桥接组合式内固定系统中双棒与混棒不同搭配方式固定股骨干骨折的稳定性，发现混棒在抗扭转与折弯的工况下表现均优于双棒组。目前业内对股骨干骨折采用生物固定的意见尚不统一，针对桥接组合式内固定的生物力学特性的研究及临床对比试验多聚焦于对比同属于偏心固定属性的锁定钢板以及自身不同搭配组合方案，缺乏与采用中心固定方案的髓内钉的比较研究，在同一病理模型中各内固定在承受外力后受力情况尚不清楚。有限元仿真分析在近年来的骨组织工程研究中发挥了越来越重要的作用，该技术既可以在微观环境下优化骨组织工程支架的几何设计与空隙分布[8]，亦可在宏观条件探查新型生物假体在病理模型中的力学特性[9]。

故文章采用有限元分析方法，在施加不同载荷条件下，探究锁定钢板、髓内钉、桥接组合式内固定共3种内固定系统的生物力学特性，为骨科医师科学选用内固定方式提供依据。
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，三维有限元分析，双因素方差分析。
1.2 时间及地点于2021年8月在遵义医科大学附属医院完成。
1.3 对象纳入遵义医科大学附属医院骨科门诊招募的体检志愿者1名，男，年龄25岁，身高168 cm，体质量65 kg。
纳入标准：①年龄18-40周岁；②既往身体健康；③无手术及重大外伤病史；④同意参与该研究。
排除标准：①未成年人及年龄超过研究上限者；②合并严重基础代谢疾病患者；③骨折康复患者。
受试者对该研究知情同意，签署了知情同意书。研究遵照“2017年遵医附院伦审第(25)号”文件要求进行，且得到遵义医科大学附属医院伦理委员会批准。研究采用Siemens 64排螺旋CT(德国，西门子公司)对受试者自股骨顶端至远端进行扫描，获得左股骨Dicom格式文件。
1.4 材料锁定钢板系统(厦门市大博医疗器械)、桥接组合式内固定系统(天津市威曼生物材料)、髓内钉系统(张家港市安格尔医疗器械)。试验中采用的植入物信息见表1。

1.5 实验方法
1.5.1 股骨中段骨折和内固定系统三维模型的构建将左股骨Dicom数据导入Mimics 19.0软件(比利时Materialise公司)中，选择适当的灰度值，以便于将骨骼和周围软组织区分出来，运用工具面板中的区域增长、蒙版编辑等指令生成股骨三维模型，并保存为STL格后导入Geomagic Wrap 2017软件(美国Geomagic公司)中，对原始模型进行光顺、降噪、网格划分和拟合曲面处理，保存为IGS文件后导入Pro/E 5.0软件(美国PTC公司)，在Pro/E 5.0软件中通过抽壳命令构建股骨皮质骨和松质骨，然后在股骨小转子下方约10 cm处经过除料命令制造高度约3 cm的缺损区，构建左股骨中段骨折模型。依据器械商提供的产品手册，使用Pro/E软件分别构建锁定钢板系统、髓内钉系统及桥接组合式内固定系统，省略螺纹，见图1。

1.5.2 股骨干骨折病理模型和各内固定套件装配将骨折病理模型和内固定模型分组导入Pro/E软件中，生成股骨-锁定钢板模型(Model-1)、股骨-髓内钉模型(Model-2)、股骨-桥接组合式内固定模型(Model-3)共3个装配体文件，在装配过程中根据内固定原则，将内固定装置放置在骨折合适位置，挑选合适长度螺钉，于骨折近端和远端分别用2-4枚锁定螺钉固定，并保存为Parasolid x_t文件。
1.5.3 定义材料属性及设置边界条件将装配完毕的Model-1，Model-2，Model-3文件导入hypermesh 2013软件(美国Altair公司)中进行网格划分保存为INP格式文件后倒入Abaqus 2019软件(法国Dassault公司)中构建静力学分析环境。针对3个模型中锁定钢板、髓内钉、桥接组合式内固定系统套件、股骨皮质骨、松质骨部件简化为连续、各向同性均匀的线弹性材料，材料参数参考以往文献[10-13]。在股骨头所在位置的垂直方向上设置一个参考点，通过coupling命令耦合股骨头关节面一侧，股骨下端用tie命令约束其在6个方向自由度。通过研究髋关节步态周期可知髋部通常承受体质量的3-5倍的负荷[14]，这种负荷是轴向压缩、弯曲和旋转的结果[14-15]，故对参考点垂直方向上施加大小为200，400，600，800，1 000 N载荷，模拟术后股骨在人半卧位、坐位、行走、跑步、上楼时股骨承受应力；对参考点水平方向上施加大小为200，400，600，800，1 000 N载荷，模拟术后股骨在水平方向上受到不同大小应力牵拉挤压时的状态；分别对参考点轴向施加大小约为扭矩，模拟股骨内、外旋过程中受力的状态。试验中采用的各部件材料属性见表2。

1.6 主要观察指标分析在3个内固定装配体模型近端垂直与水平方向上分别给予200，400，600，800，1 000 N载荷以及轴向施加2 000，4 000，6 000，8 000，10 000 N/mm扭矩后，不同工况条件下产生的等效应力与位移。观察不同模型中内固定发生形变的程度、左股骨与内固定的应力分布。应力计算使用材料与工程力学广泛采用the Von Mises stress(σ_e)计算公式：(σ1，σ2，σ3为第一至第三方向主应力)。
1.7 统计学分析采用SPSS 24.0软件进行数据分析，计量资料用x±s表示，3个内固定模型组间数据差异采用双因素方差分析，采用LSD法进行组间两两比较，P < 0.05提示差异有显著性意义。文章统计学方法已经通过遵义医科大学附属医院统计学专家审核。

讨论

3.1 文章结果分析成人股骨干骨折早期手法复位石膏固定后常因骨折断端周围肌群牵拉发生移位、成角导致复位不满意，常采用骨牵引的方法维持股骨长度及稳定病情，然而过长的牵引时间增加了致残及卧床并发症发生的风险，因此采取手术方式恢复骨折断端解剖对位、恢复下肢力线以实现早期功能锻炼是股骨骨折治疗策略的关键[15]。
传统上应用最广泛的内固定系统包括锁定钢板与髓内钉[16]。在该研究结果中，对锁定钢板施加垂直方向的应力，由于偏心固定使得原本经过股骨向下传导的压应力转变为对钢板的弯曲应力，钢板弯曲形变的程度大于髓内钉。另外，锁定钢板在体内的受力环境同时受到重力的影响与股骨周围强力骨骼肌的牵拉，相同条件下力臂比髓内钉长1.0-2.0 cm，较大的力矩在循环载荷下易达到或超过屈服强度诱发钢板断裂[17- 18]。
交锁髓内钉的主钉接近正常下肢力线，骨与机械界面受力均匀，配合锁定固定，具有良好的抗旋转、抗剪切应力的特性[19]，锁定螺钉可通过双层皮质与髓内钉形成交锁结构，内外侧力臂均等，主钉可经过峡部贯穿骨髓腔使之拥有较长的工作长度，断端应力可经主钉向股骨的近端向远端传导，增加了髓内钉的稳定性[20]。
在该实验中，髓内钉试模后采用9 mm直径的主钉，主钉与股骨管径比合理[21]，对髓内钉施加垂直方向的载荷模拟骨折术后早期内固定承重，应力主要集中在髓内钉中段。王汉卿等[22]也通过有限元分析对比了髓内钉和锁定钢板固定股骨干骨折时的生物力学特性，Mises云图显示髓内钉组轴向压缩应力主要沿主钉的方向向远端传导，提供较钢板更优的初始稳定的同时但也增加了后期应力遮挡而发生骨质疏松的概率。对于股骨干非峡部骨折髓内钉术后发生骨不愈合，是因为该系统在该型骨折中不能提供可靠的抗旋稳定性。同时文章也发现在给予锁定钢板和髓内钉水平方向载荷的条件下髓内钉承受应力与锁定钢板不相伯仲，然而髓内钉发生的位移和形变远小于锁定钢板，既反映钢板的抗折弯性能较差，也反映髓内钉的刚度较强，产生强力应力屏蔽，根据Wolf定律增加了髓内钉组件与骨接触面发生骨溶解概率，而产生动力学不稳表现。此外，有学者报道针对股骨峡部与非峡部骨不连，通过更换髓内钉的治愈率分别为50%和87%，认为更换髓内钉不适合治疗非峡部无菌性骨不连[23]，在这种情况下采用偏心固定的内固定方案的优势体现在可以将扭转应力转换为压应力，促进局部骨痂形成[24]。在实验中，作者对髓内钉与钢板分别施加均匀扭转载荷，在扭矩小于10 N/m的条件下，两种内固定移位均处于小于2 mm合理微动环境下[25]，同时钢板移位超过交锁髓内钉，验证了钢板的扭转力转化效率高于髓内钉。
近年来兴起的“生物接骨”理念给治疗股骨干骨折提供了新的思路[26]。保护骨折断端血运与减少内固定装置应力遮挡一直以来都是生物学固定方式追求的目标，遵循这一原则，中国科研团队开发出桥接组合式内固定，其设计采取连接棒、钉、连接块组合的方式，在固定骨折断端的过程中可减少骨膜剥离，充分保护骨折断端及周围软组织的血供，兼顾桥接和加压双重功效[27]，其疗效得到了初步肯定[28-29]。VAJGEL等[30]采用有限元分析的方法研究不同规格的钢板固定下颌骨骨折的生物力学特性，发现内固定在承受450 MPa载荷时开始出现屈服，载荷达到600 MPa时失效。
该实验结果显示，给予锁定钢板、髓内钉和桥接系统垂直方向载荷后发现，3种内固定系统承受的应力均呈现线性增加的趋势。在各内固定系统承受垂直应力不超过600 N时，3种内固定等效应力均值小于600 MPa的失效标准，均可对骨折断端提供有效支撑，其中桥接系统在垂直应力工况下位移小另外2组，提示桥接系统具有较好的抵抗整体形变能力，可见应力沿着连接棒的长轴向模型的两端分散[32]，内固定应力集中于锁钉与皮质骨的接触面以及中间两块连接块附近的钉棒上，使棒状结构发生了轻度“Z”字型弹性形变，多点受力使得整体受力分布更加均匀。当垂直压力达到1 000 N时，桥接系统和髓内钉的承受等效应力均值仍小于600 MPa，而此条件下锁定钢板承受应力均值达到1 174.0 MPa，若在塑性形变分析环境下已断裂失效，且通过检测各内固定模型发生的位移可发现，尽管在1 000 N垂直应力加载下，桥接系统的平均位移值仍能控制在3.12 mm附近，小于同工况条件下的锁定钢板及髓内钉系统的平均位移，这点对于骨折术后早期缓冲外来应力，在保持一定微动环境前提下维持断端相对稳定具有重要意义。在水平载荷的加载下，3个内固定系统远端固定约束，近端受到的水平向内的挤压应力转化为对内固定系统的折弯应力，测试中3个内固定系统均承受较大应力，其中锁定钢板应力主要集中在钢板中段，受到正交与钢板平面方向的折弯力时产生了较大形变与位移；髓内钉系统水平应力总体均匀分布于内固定与骨接触面，合适的尺寸、足够的工作长度和近似圆柱体的几何形态使主钉在抗折弯力的过程提供了主要贡献；桥接系统在同等工况条件下承受载荷和位移最小，这都得益于该系统因由多模块组成从而具备的三维固定、弹性固定的特点，在对抗折弯应力的过程中，通过使连接棒产生更大“Z”字形变来对抗总体应力，使得桥接系统在折弯应力作用下总体位移形变处于可控的情况。
吕志强等[3]比较桥接系统与锁钉钢板的生物力学特性，研究结果表明各组在给予压缩和屈曲载荷后，桥接系统最大位移小于锁定钢板组，反映了桥接系统相较于锁定钢板具有更好的抵抗形变的能力。在扭转载荷的加载下，髓内钉位移小于另外两组，应力集中于近端锁钉与皮质骨接触面，表明了近端锁钉在对抗旋转和剪切有害应力上提供了主要贡献；钢板系统则因其偏心固定，在承受扭转载荷时，螺钉因力臂较长，抗剪切能力稍弱，故产生的位移较髓内钉系统大；桥接系统在扭转载荷作用下产生了最大位移，应力分布集中于近端锁钉与骨接触面，这可能与该实验采用双棒系统相关，扭转载荷使得双棒系统切向稳定性不足，扭转产生了较大位移。汪亮等[7]通过生物力学试验对比了桥接系统中双棒和混棒两种组合模块在对抗扭转载荷时的差异，研究发现在相同切向扭转速度下，扭转屈服载荷逐渐增大的过程中混棒组的扭转角度小于双棒组，究其原因在相对于混棒系统拥有多处支点，双棒组只有一侧连接棒可以抵抗扭转应力，故其抗扭转能力不如混棒组。
3.2 文章局限性该研究的不足与展望：①对于下肢生物力学的研究，试验设计应当尽量贴近真实情况，采用步态分析的方法，设置股骨-内固定装配体与步态周期匹配的受力与约束条件，该实验为了简化测试流程，仅测试了模型在3种工况下的受力情况，后续还需要相关研究对试验内容进行补充。②该研究为了简化模型，仅对股骨干骨折安置了双棒固定系统，导致该系统在对抗扭转载荷下并未达到最优状态，后续通过更加细化的生物力学与有限元分析研究，来进一步探索桥接混棒系统在对抗扭转载荷下的力学特征，以便于更加科学地评估生物固定的有效性。③实验中暂未就各内固定材料的塑性属性进行设置，以至于诸如锁定钢板及在承受较大应力的条件下发生大形变而未失效，可能干扰对实验结果的判断。④文章采用隐性通用静力学设计，为了便于桥接组合式内固定计算收敛，对于该系统各项部件均设置成绑定约束，使该系统丧失了组织部件中的微动机制，是否会对实验结果产生偏差有待进一步验证。⑤当今业内看待如何治疗股骨粉碎性骨折已不再强调解剖复位，MIPPO技术、LISS微创钢板、髓内钉和桥接组合式内固定都重视保护骨折周围血供、避免继发性软组织损伤，在遵从生物学固定方式原则的前提下实现骨折的解剖复位更具有临床价值。
目前作者所在的研究团队准备就“生物固定”的理念继续测试多款新型内固定材料，以期进一步验证弹性固定与三维固定在临床应用中的价值。
3.3 结论及展望文章中的3种内固定方式均能有效固定股骨干骨折，然而不同内固定因力学特性不同产生了一些临床适应性的差异。其中，桥接系统在使用的过程中表现出使用灵活、弹性固定、骨膜外放置、多向置钉三维固定等优点，结果显示该系统对抗垂直及水平方向载荷的稳定性相较于髓内钉和锁定钢板系统有明显优势。此外，随着骨科医师运用桥接系统的技术日渐娴熟，该系统的适应证也逐渐扩大，薛超等[31]采用桥接系统固定股骨干合并股骨近端和远端骨折4例，在近关节处置入的空心螺钉可锁定在该系统固定块上从而有效避免退钉的发生，末次随访Fried-Wyman功能评分优良率为75%；王明政等[32]运用桥接系统治疗髋关节置换后发生Vancouver B1型假体骨折10例亦取得满意效果。当然，桥接系统也存在一些局限，固定块边缘锐利产生的高切迹可能诱发软组织激惹[33]，还有观点认为在单棒系统下固定块在连接棒上的过滑动增加螺钉松动可能[34]，术中对连接棒的恰当预弯搭配和在置钉过程中对固定块上的螺钉孔精准定位，这些都对术者的操作能力提出了一定的要求。髓内钉因具备微创、轴心固定、可实现术后早期功能锻炼等优点，被认为是治疗单纯股骨干骨折的“金标准”，其力学的优势表现为各项载荷测试中应力分布均匀、抗扭转稳定性优秀，然而在抗水平方向载荷时，髓内钉在承受较大应力作用下发生的位移仍远小于锁定钢板，反映了其材料刚度较强，这可能对骨折断端的产生应力遮挡，影响骨折愈合。此外，扩髓引起的血供破坏、旋转对位不良产生的疼痛及复位丢失都成为髓内钉治疗股骨干骨折的制约[35]。锁定钢板在此轮测试中抗垂直水平应力表现均不如桥接系统和髓内钉，在抗扭转载荷时仅次于髓内钉，总体固定效能一般，但考虑到该技术学习曲线较短，使用简单且费用较低，在临床应用较为广泛，在干骺端骨折、儿童骨折、髓内固定困难的情形下仍具有无可替代的优势。
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

股骨干骨折3种不同固定方式的有限元分析

Finite element analysis of three internal fixation methods for treating femoral shaft fracture

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