2.1   近端骨块的应力分布及应力峰值   3种固定模型近端骨块的应力分布范围在骨折断端周围，主要在骨折端靠下方的区域。应力峰值分别为：CCS 64.21 MPa，DHS 73.86 MPa，FNS 61.43 MPa；其中DHS组近端骨块的应力峰值最大，FNS组最小，见图4及表3。







2.2   内固定装置模型的应力分布及应力峰值   3种内固定装置模型的应力分布范围主要在骨折线以近端方向的股骨颈螺钉表面，CCS受到的应力近乎平均分配到了每颗螺钉上，DHS受到的应力集中在钉的上下表面，FNS受到的应力主要位于2枚交叉钉的上下表面，是三者中应力分布最为均匀的。应力峰值分别为：CCS 152.4 MPa，DHS 142.7 MPa，FNS 226.3 MPa；其中FNS组的应力峰值最大，DHS组最小，见图5及表3。



2.3   近端骨块的主要应变   3种内固定模型近端骨块的主应变场分布在和螺钉接触的骨通道上表面区域。应变峰值分别为：CCS8.8%，DHS 7.3%，FNS 4.9%；其中CCS组近端骨块的屈服应变最高，承受了最大的压力，FNS组近端骨块的屈服应变最低，所承受的压力最小，见图6及表3。







2.4   内固定装置的主要应变   3种内固定装置模型的主要应变位于各内固定装置模型的上表面。应变峰值分别为：CCS 8.8%，DHS 7.3%，FNS 4.9%；其中CCS组屈服应变更高，承受了最大的压力；FNS组屈服应变更低，所承受的压力最小，见图7及表3。



2.5   内固定与股骨整体模型的位移情况及峰值   3种内固定与股骨整体模型的位移峰均处于股骨头上方受到应力加载最大的部位，自近端至远端位移逐渐减小。位移峰值大小分别为：CCS 2.969 mm，DHS 2.845 mm，FNS 5.919 mm；其中FNS组位移最大，DHS组最小，见图8及表3。



2.6   股骨位移情况及峰值   3种内固定模型的股骨位移均集中于股骨头上方受到应力加载最大的部位，自近端至远端位移逐渐减小。位移峰值大小分别为：CCS 2.969 mm，DHS 2.845 mm，FNS 5.919 mm；其中FNS组最大，DHS组最小，见图9及表3。



2.7   近端骨块的位移情况及峰值   3种内固定模型的近端骨块位移均位于股骨头上方受到应力加载最大的部位，自近端至远端位移逐渐减小。移峰值大小分别为：CCS 2.969 mm，DHS 2.845 mm，FNS 5.919 mm；其中FNS组最大，DHS组最小，见图10及表3。



2.8   股骨远端骨块的位移情况及峰值   3种股骨颈骨折内固定模型的远端骨块位移峰显示FNS与DHS位于大转子尖端，CCS则位于骨折断端处，均由近端到远端位移逐渐减小。移峰值大小分别为：CCS 2.033 mm，DHS 1.764 mm，FNS 4.693 mm；其中FNS组最大，DHS组最小，见图11及表3。




2.9   内固定的位移情况及峰值   3种内固定装置模型位移峰显示CCS位于前上方螺钉的近端顶点处，DHS位于头钉的近端顶点处，FNS位于放旋螺钉近端顶点处，均由近端至远端位移逐渐减小。位移峰值大小为：CCS 2.695 mm，DHS 2.759 mm，FNS 5.346 mm；其中FNS组最大，CCS组最小，见图12及表3。

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髋部骨折是当前医疗系统所面临的巨大挑战之一。据报道，预计到2050年，全球范围内髋部骨折的数量将从1990年的166万骨折激增达626万，这是一个令人担忧的趋势[1]。
数据表示，中国成人股骨颈骨折的发病率占髋部骨折的48.22%，占到全身骨折的3.6%[2]。即使在2019冠状病毒病(COVID-19)肆虐的疫情期间，国内2020全年的股骨颈骨折为138 337例，高居创伤性骨折的首位[3]。为规范股骨颈骨折的治疗，多名学者提出了不同的股骨颈骨折分型方法，用以指导临床医生选择最佳的治疗方式。1935年，按骨折线方向制定的Pauwels分型首次被完整阐述[4]，并逐渐受到了医学界的广泛认可，至今仍是股骨颈骨折所常用的分型方法之一。Pauwels分型方法[5]：Ⅰ型为外展型(Pauwels角≤ 30°)；Ⅱ型为中间型(30° < Pauwels 角 ≤ 50°)；Ⅲ型为内收型(Pauwels 角 > 50°)。Pauwels Ⅲ型骨折断端处会承载较大的垂直剪切力，稳定性极差，在治疗后出现内固定失效、骨折不愈合、畸形愈合、骨不连等并发症的概率更高[6]。因此，Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的治疗，已成为现代骨科临床中亟待解决的难题。
目前临床中对于股骨颈骨折的内固定方式主要有倒三角空心螺钉(cannulated cancellous screws，CCS)和动力髋螺钉(dynamic hip screw，DHS)等方式[7]。在既往的30年间，股骨颈骨折的内固定失败和二次手术屡见不鲜[8-9]。为解决这一难题，AO内固定协会和强生Depuy Synthes公司合作开发设计出的一款内固定装置——股骨颈动力交叉钉系统(femoral neck system，FNS)于2017年10月首次上市，作为新兴的股骨颈骨折内固定方案，利用传统骨科生物力学方法及数字化医学的有限元分析法研究FNS固定股骨颈骨折的生物力学特性，对术前规划、手术预期效果、减少术后并发症具有重要意义。此次实验采用有限元分析方法，探究CCS、DHS与FNS固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的生物力学性能差异，为其在临床中的应用提供理论依据。 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

1.1    设计   三维有限元分析实验。
1.2   时间及地点   实验于2023年2-4月在解放军总医院第八医学中心全军骨科中心实验室完成。
1.3   材料
1.3.1   设备   西门子64排CT由解放军总医院第八医学中心影像科提供，华硕U3300笔记本电脑一台，Windows 10 家庭中文版操作系统。
1.3.2   软件   Mimics 21.0(比利时 Materialise公司)；Geomagic studio 2017(美国 Geomagic公司 )；Unigraphics NX 8.5(美国 Siemens PLM Software公司)；Hypermesh 2019(美国 Altair公司)；Abaqus 2017(法国 DS公司)。
1.4   对象   选择 1名健康老年男性志愿者，年龄71岁，对实验方案知情同意并签署知情同意书。使用64排螺旋CT对左侧股骨进行平扫，扫描层厚为1.0 mm，以二维图像资料的DICOM格式保存，志愿者 CT等影像学检查显示骨盆与股骨无骨骼相关疾病，骨质条件良好。此次研究方案的制定与实施符合解放军总医院的相关伦理要求(伦理号：S2020-114-01号)。
1.5   方法   
1.5.1   股骨模型的建立   将DICOM格式的CT图像文件导入 Mimics 21.0软件，重建出一个完整股骨及其骨松质的原始模型，并输出为 STL文件格式，随后导入 Geomagic studio 2017软件，将原始模型进行优化处理，通过逆向建模获得股骨松质骨与皮质骨的三维模型，输出为STEP格式文件。

1.5.2   内固定装置模型的构建与装配   根据临床数据参数，使用Unigraphics NX 8.5的计算机辅助设计软件画出CCS、DHS、FNS的几何三维模型，见图1。再将股骨模型的STEP格式文件导入并与CCS、DHS和FNS模型进行装配，见图2。获得3种骨与内固定装配三维模型，输出为STEP格式文件。

1.5.3   Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型的建立   将骨与内固定装配三维模型的STEP格式文件输入到Hypermesh软件中，通过布尔运算，用完整股骨模型减去骨松质模型；以股骨干为中心创建了一个矢状面，再使用面分割，横过股骨颈的中心，与股骨轴矢状面成20°角。切开股骨颈，模拟Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折(Pauwels：70°)。将2个模型分别分成股骨头和骨干以模拟骨折，得到骨松质股骨头、骨松质骨干、骨密质股骨头、骨密质骨干4部分骨模型。

1.5.4   材料参数   实验假设所有模型均为连续、各向同性和均匀的线弹性材料，表1列出了3种模型的材料参数。

1.5.5   模型的网格化   在Hypermesh软件中分别给骨松质股骨头、骨松质骨干、骨密质股骨头、骨密质骨干、内固定装置模型划分网格，网格大小为0.5-2.0 mm。导出三部分的inp文件。将骨密质、骨松质和内固定装置模型的inp格式文件导入ABAQUS中。模型进行面网格转体网格、材料赋值等操作后，将3个模型装配。模型网格的节点数和网格数见表2。

1.5.6   加载条件与分析   首先设置一个静力、通用分析步。步长时间1 s，初始增量步为0.1 s，最小增量步为1×10-5 s，最大增量步为1 s。定义统一坐标系Datum csys-2，坐标如下：原点为264.897，97.641，384.028；X轴为246.411，90.497，386.712；Y轴为268.501，88.313，384.018。再确定耦合点PR-1，并将其沿Datum csys-2 Z轴正方向向上偏移10 mm得到PR-2，如图3中A区域所示。创建通用摩擦接触，骨与螺钉之间的接触界面摩擦系数为0.3 [10]；骨折面之间的摩擦系数为0.46[11]；骨松质与骨密质设为绑定接触。将PR-1作为约束点，耦合面为近端皮质骨外表面，参考坐标系为Datum csys-2。约束节点为骨干模型远端外表面上的所有节点，把这些节点在坐标系Datum csys-2的6个自由度进行全约束，如图3中B区域所示。最后在耦合点PR-1沿Datum csys-2 Z轴负方向加载1 800 N的载荷。

1.6   主要观察指标   ①近端骨块的应力分布情况及峰值；②内固定装置的应力分布情况及峰值；③股骨近端骨块的主要应变场分布；④内固定装置的主要应变场分布；⑤3种股骨颈骨折内固定模型中的近端骨块、远端骨块、内固定装置以及内固定与股骨整体的位移分布和最大位移。

对骨科医生来说，股骨颈骨折的内固定治疗是一项风险十足的“挑战”。一项分析了564例成人股骨颈骨折内固定术后并发症的荟萃分析报告显示，股骨头缺血性坏死的发生率为23%、骨折不愈合的发生率为8.9%[12]。无论应用哪种内固定装置均会不同程度上发生此类不良事件，所以股骨颈骨折最佳内固定方式的选择备受争议[13]。而Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折又是最难处理的骨折类型，可见影响这一选择的关键因素还包括骨折类型[14]。当前临床中治疗股骨颈骨折的主流内固定方式有CCS、DHS等，但因其各自的局限性，使临床医生及器械专家不得不探寻更为优越的内固定治疗方案，以便在应对股骨颈骨折时，获得更优良的手术效果与收益。FNS作为解决股骨颈骨折的新技术，自引进国内以来在临床应用方面的表现可圈可点，但与CCS和DHS之间的比较中孰优，言人人殊。此次研究对三者在固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的生物力学稳定性差异进行了比较，有限元结果指出FNS的表现相对优异，该系统承受了较低的屈服应变、较高的应力和较高的位移，应力分布更为均匀，力学传导特性更好。
CCS具有置入微创、操作简便、骨量丢失少以及血供保护等优点，受到了临床医师的推崇和认可[7]，但其缺点在于固定强度不足且容易引发术后并发症。一项对Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折进行的回顾性研究纳入了37例应用CCS治疗的患者，结果显示，有7例(19%)出现骨折未愈；还有5例(14%)发生了股骨头坏死[15]。部分学者认为，在治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的诸多内固定系统中，CCS没能展现出生物力学性能的优势[14]。为了强化CCS在抵抗垂直剪切力等生物力学性能方面的不足，一种基于空心螺钉的非平行置钉改良方式被提出。GUIMARÃES等[16]置入2枚平行空心螺钉固定在小转子上方，第3枚螺钉则是垂直于骨折线放置，取得了良好的术后效果。ZHOU等[17]结合有限元法和生物力学研究显示，此种偏轴螺钉固定方式在应用于Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折时比CCS更有效，改良后的置钉方式在抗剪切力、防旋转方面的能力明显提升，还具备骨折端加压的优势。但在JOHNSON等[18]的研究中，使用人工股骨模型制作的Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折进行了生物力学实验，比较发现此种偏轴螺钉固定与CCS固定的轴向刚度分别为520 N/mm和531 N/mm；最大破坏载荷分别为3 756 N和3 870 N，最终结论表明两种固定方式在生物力学方面并没有显著差异。FILIPOV等[19-20]为加强空心螺钉的把持力及稳定性，开发出了双平面双支撑螺钉固定(F-技术)方式治疗骨质疏松性股骨颈骨折，从生物力学和静力学的角度进行分析比较，结果发现，无论是在轴向刚度或骨折间移位程度，该方法都是可靠的，并且优于传统平行空心螺钉的置钉方式。该团队通过对207例股骨颈骨折患者应用F-技术治疗，在术后5年的随访中得出骨愈合率为96.6%，骨不连发生率为3.4%，固定失败率仅为2.4%；但此项临床研究中未纳入Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的患者，认为当Pauwels角大于50°且骨折线从颈中线外侧通过时为该项技术的禁忌证[21]。严坤等[22]将倒三角空心螺钉、偏轴螺钉固定及F-技术应用于Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的有限元模型比较生物力学性能，结果中3种固定系统的最大应力依次为71.896，59.071，66.792 MPa；股骨近端的总体最大位移依次为1.707，1.325，1.396 mm；结论中提出2种改良技术在有限元模拟实验中表现更佳。上述2种改进空心螺钉固定方式的临床循证医学证据不足，在应用时仍需根据病患和骨折的具体情况谨慎选用[7]。
DHS在生物力学强度上明显优于CCS，其最佳的适应证为基底型股骨颈骨折，且还适用于Pauwels Ⅲ型骨折或骨质疏松性骨折[7]。有研究表示，DHS在治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折时的疗效明显好于CCS[18]。虽然在应用DHS固定骨折时具有更低的固定失败率、再手术率及并发症率等优点，但因其存在操作复杂、软组织剥离范围广、创伤大、出血多等问题，因此，在临床应用中仍存在较大的局限性[23-24]。关于Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的内固定方式选择各地学者争论不休，为兼顾术后获得更坚强的固定支撑、具有更强的抗剪切力及防旋转力，以及操作容易、软组织损伤小、保护周围血运、降低术后并发症等多方面条件，对于空心螺钉等内固定器械的改进与研发也不断深入。
FNS作为一种新兴的股骨颈骨折内固定器材，现已应用于股骨颈骨折的临床治疗。FNS的材质为钛合金，由以下部分组成[25]：①带圆筒和螺孔的锁定板(一两个锁钉孔)；②螺栓；③防旋转螺钉；④锁定螺钉。FNS类似于现有的DHS，圆筒与锁定板呈130°角，螺栓穿过圆筒固定于股骨颈内，防旋转螺钉与螺栓形成了一个固定角度(7.5°)的滑动固定装置，最大滑动距离为20 mm，可防止股骨颈的塌陷；股骨颈内的叉定式组合设计可有效限制股骨头的旋转；股骨外侧的小板和嵌入式锁定钉孔设计可减少髋关节外侧疼痛和置入后对软组织刺激的风险[26-27]。STOFFEL等[28]通过20对符合骨密度的成人尸体股骨建立一种Pauwels角为70°的Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型，随机分组后分别使用DHS、动力髋刀片(DHS-blade)、倒三角CCS和FNS进行内固定，在力学实验中测量模型的轴向刚度，利用光学运动跟踪技术计算出每组股骨颈短缩长度、内翻角度及移位距离等生物力学数据；经各组数据对比分析，证明FNS的稳定性与两种动力髋系统相近。但FNS具有微创植入物的优势，是治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的可靠选择。近日，一项荟萃分析纳入了448例股骨颈骨折患者，分别接受FNS与CCS治疗，结果显示，在X射线暴露次数、骨折愈合时间、股骨头坏死率、置入失败率等方面，与CCS相比FNS在治疗股骨颈骨折时表现出更好的临床疗效和安全性[29]。FNS自2017年引入国内后，有学者在临床应用研究中比较认为，经FNS治疗的患者早期预后优于CCS和DHS[30-31]。而对于FNS的远期临床价值与生物学效能仍需通过临床应用及生物力学基础研究来加以验证。
上文中回顾和分析了CCS、DHS、FNS在固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的效能与优劣情况，可见对于三者的比较性评估对临床指导应用具有重要意义。因此，设计了此次模拟仿真的有限元实验，结果显示，3种股骨颈骨折内固定模型中近端骨块的应力主要分布在骨折端附近股骨颈下方区域。其中DHS组近端骨块的应力峰值最大(73.86 MPa)，FNS组最小(61.43 MPa)；这表明与其他2种固定装置相比，在应用FNS时发生内固定松动、切割及股骨骨折的风险最小，能有效地保护骨折近端的骨质完整。此项结果所呈现的趋势与XIA等[32]所进行的有限元研究一致，该实验设计也是通过模拟Pauwels角为70°的Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折，并施加2 100 N载荷后观察不同装置的生物力学性能，结果中骨的最大应力值显示，FNS组为107.9 MPa，CCS组为486.3 MPa；此数据与此次实验结果存在差异，主要原因在于该实验选取了第4代人工合成Sawbones股骨作为建模对象，其模拟出的骨松质、骨密质强度大于此次实验中的老年男性股骨模型，但该团队的研究结论表示FNS的结构稳定性弱于CCS；相对于近端骨块，内固定装置则承受了更大的应力，其中CCS 152.4 MPa，DHS 142.7 MPa，FNS 226.3 MPa；应力分布主要集中在骨折线附近的螺钉表面，分组中FNS承受的应力最大，DHS最小；说明了FNS在实现骨折内固定后的强度更大，不易出现变形、折断、失效等情况。在内固定装置的应力分布图中也可以看出，FNS的应力分布更为分散且均匀，与倒三角空心钉和DHS组相比，具有更优越的力学传导特性，从而避免了应力集中导致的内置物变形、折断、失效。TENG等[33]也用有限元技术模拟了CCS与FNS固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的生物力学模型，发现在同样的2 100 N垂直力学加载后，FNS的应力分布更为均匀，但最大应力值表现低于CCS，这与此次研究结果相反，原因可能是作者所设计的FNS模型头钉过短所致。目前已有学者对FNS的置钉位置及长短进行了相关生物力学与临床研究[34-35]，同时，这也为作者后续的实验提供了思路。
经FNS固定的骨折模型中的股骨、近端骨块位移、远端骨块位移、内固定装置位移以及整体股骨内固定位移均为最大，且这一数据与CCS、DHS相比高出了2倍；这一结果与其他学者进行的有限元分析实验一反既往[36]。原因其一是作者设计的FNS模型头钉长度较短的因素；其二是倒三角空心钉的下方螺钉与DHS的头钉是紧贴股骨距置入，股骨距的骨质密度较大，形成了杠杆支撑的作用。在远端骨块位移云图中显示FNS组与DHS组的位移峰值位于大转子尖端，而CCS组则位于骨折断端处，体现出了倒三角空心钉的把持力与固定强度不足，易发生内固定折断、切割、或固定松动失效。3种骨折内固定模型的近端骨块的主要应变分布在骨与螺钉接触的上表面区域，其中FNS组为4.9%，CCS为8.8%；体现出在同等骨质条件下承受同等载荷的力量时，FNS能够更好地分散骨与内固定接触面所承载的压力，从而减少了骨质的压缩，增强骨折内固定后的稳定性，避免内固定装置的切割。结果显示，3种内固定装置模型的主要应变位于股骨颈螺钉的上表面，FNS以最低的应变(4.9%)优于其他两种装置。FNS具有更加稳定的整体构造，能将传导后的应力分散分布于内固定系统的远端外侧钢板、锁定螺钉等部位，不易出现应力的集中，降低了内固定的失败率，可以为骨折的愈合创造更好的力学环境[33，36-38]。综合以上结果分析得出，在固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折时，FNS承受了较低的屈服应变、较高的应力和较高的位移；在固定骨折时能获得更好的效果，可以为骨折的稳定与愈合提供优良的生物力学支撑。
此次实验存在一定的局限性：第一，研究中仅运用了有限元法模拟分析得出结论，未进行实体生物力学实验验证；第二，在有限元分析实验中，是将研究对象设定为统一的弹性模量与泊松比进行赋值，这与真实情况下的股骨和内固定装置的材料性能迥然不同；第三，此实验中仅从单一方向进行力量加载，且未考虑到髋关节囊、周围韧带，以及附着于大转子和小转子上方肌肉牵拉的影响。在今后的研究中，将考虑细化模拟出更能贴近真实情况下的股骨颈骨折以及内固定装置材料属性，并将髋关节周围软组织作用融入实验当中。
结论：此次研究利用三维有限元模型探讨了CCS、DHS、FNS固定治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的生物力学差异。结果表明，FNS的应力分布更为均匀，力学传导特性更好，且承受了较低的屈服应变、较高的应力和较高的位移；其具有相对更良好的生物力学稳定性，能为股骨折的愈合提供优越的力学环境。当使用FNS固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折时获得了更佳的效果，真实生物力学性能及具体疗效尚需进一步实体实验和临床验证。 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

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文题释义：

股骨颈骨折Pauwels分型：基于骨折线方向进行划分，Pauwels角即远端骨折线与两髂嵴联线所形成的角度，具有判定股骨颈骨折是否稳定的意义。Ⅰ型为外展型(Pauwels角≤ 30°)；Ⅱ型为中间型(30° < Pauwels 角 ≤ 50°)；Ⅲ型为内收型(Pauwels 角 > 50°)。
有限元分析方法：是一种运用数学近似的形式对真实物理系统进行模拟的方法，最初被应用于航空工程领域，随着电子计算机技术的迅速发展与普及，使其广泛地应用在科学研究中，并与医学生物力学交叉融合；该方法依托于医学影像处理软件、扫描模型处理软件、三维制图软件、有限元分析软件等计算机操作平台的共同协作，对模拟的对象进行数据分析和研究计算。

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

股骨颈骨折是当前医疗卫生体系所面临的巨大挑战之一。因其特殊的解剖因素，如处理不当极易出现股骨头坏死等相关并发症。目前临床中所用来应对股骨颈骨折的主流内固定方式有：空心螺钉、动力髋螺钉、髓内钉等；但每种内固定系统都存在各自的优点与不足。本文的特点：1.运用计算机模拟技术，通过有限元分析方法构建仿真股骨颈骨折模型与内固定模型，并在模拟步态条件下进行力学加载与分析。2.本研究所关注了3种内固定装置，其中倒三角空心螺钉与动力髋螺钉是当今临床中治疗股骨颈骨折时最经典，且被广泛认可的主流内固定方式；而股骨颈动力交叉钉系统作为新兴的股骨颈骨折治疗方案，现已在临床中得已应用，但在临床远期表现与生物力学研究仍需进行观察验证；遂文中将新与老三种内固定装置进行比较研究。本文的意义在于研究分析得到3种内固定装置应用于股骨颈骨折时各自的生物力学性能，从而为临床中选取最佳的内固定装置提供理论依据和实践基础。文中创新点在于进行模拟步态加载后所产生的应力、应变与位移的综合全面考量，能更好地表现出相应内固定装置的力学情况。

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

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