四种不同内固定方式治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折的有限元分析

doi:10.12307/2025.153

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

Pauwels分型：用于评估股骨颈骨折的稳定性及严重程度，其根据髋臼前后位片上骨折线与水平线的夹角分为3型：Ⅰ型，Pauwels角< 30°，剪切力较小，骨折较为稳定；Ⅱ型，Pauwels角为30°-50°，剪切力较Ⅰ型大；Ⅲ型，Pauwels角> 50°，剪切力较大，骨折不稳定。
股骨颈固定系统：由防旋螺钉、主钉、锁定板及锁定螺钉4部分构成，具有防旋、防滑、抗剪切，实现骨折断端加压的作用。其中防旋螺钉主要提供旋转稳定性，锁定板提供主要成角稳定性。锁定的主钉和防旋螺钉具有滑动设计，可实现20 mm的滑动。

摘要
背景：Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折可能承受更多的剪切力与弯曲力，因此容易发生内固定失效、骨不连或股骨头坏死等并发症，目前关于选择理想的内固定装置还没有达成共识。
目的：通过有限元分析比较4种内固定方法治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的生物力学特性。
方法：选取一名健康年轻志愿者的股骨CT数据导入Mimics软件，构建正常股骨的三维模型。根据70°骨折线模拟Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折，使用Geomagic和UG软件优化和构建4种骨折内固定模型：倒三角空心钉、股骨颈固定系统、股骨颈固定系统+空心钉(前)、股骨颈固定系
统+空心钉(后)。最后利用Ansys软件分析4种不同内固定模型中股骨近端骨折块的应力分布、峰值应力和峰值位移；观察内固定装置和股骨颈骨折上断面的位移分布和峰值位移。
结果与结论：①4组骨折近端碎片应力峰值集中在骨折线附近，峰值应力股骨颈固定系统组最大，倒三角空心钉组最小；②骨折碎片峰值位移均位于股骨头顶部，峰值位移倒三角空心钉组最大，股骨颈固定系统+空心钉(后)组最小；③内固定模型峰值位移均位于模型顶部，峰值位移倒三角空心钉组最大，股骨颈固定系统+空心钉(后)组最小；④断裂面的位移在断裂端的上部，峰值位移倒三角空心钉组最大，股骨颈固定系统+空心钉(后)组最小；⑤提示与其他3种内固定方式相比，股骨颈固定系统+空心钉(后)组表现出良好的生物力学稳定性；当Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折发生于年轻人时，从有限元分析的角度，使用其治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折可能是更有利的选择。

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: 股骨颈骨折, 股骨颈固定系统, 空心螺钉, Pauwels Ⅲ型骨折, 有限元分析, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: Pauwels type III femoral neck fractures may be subjected to more shear and bending forces, and may be prone to complications such as internal fixation failure, bone nonunion, or femoral head necrosis. There is no consensus on the optimal selection of internal fixation devices.
OBJECTIVE: To compare the biomechanical properties of four types of internal fixation methods for Pauwels type III femoral neck fracture by finite element analysis
METHODS: Femur CT data of a healthy young volunteer were imported into Mimics software to construct a three-dimensional model of normal femur. Pauwels type III femoral neck fracture was simulated based on 70° fracture line. Four types of fracture internal fixation models were optimized and constructed using Geomagic and UG software: conventional inverted triangle hollow screw, femoral neck fixation system, femoral neck fixation system plus anterior or posterior hollow screw treatment. Finally, Ansys software was used to analyze the stress distribution, peak stress, and peak displacement of proximal femur fracture block in four types of different internal fixation models. The displacement distribution and peak displacement of internal fixation device and femoral neck fracture were observed.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The peak stress of proximal fracture fragments in the four groups was concentrated near the fracture line. The peak stress in the femoral neck fixation system group was the largest, and that in the conventional inverted triangle hollow screw group was the smallest. (2) The peak displacement of fracture fragments was located at the top of the femoral head. The peak displacement of the conventional inverted triangle hollow screw group was the largest, and that in the femoral neck fixation system + hollow screw (posterior) group was the smallest. (3) The peak displacement of the internal fixation model was located at the top of the model. The peak displacement was maximum in the conventional inverted triangle hollow screw group and minimum in the femoral neck fixation system + hollow screw (posterior) group. (4) The displacement of the fracture surface in the femoral neck fixation system + hollow screw (posterior) group was at the upper part of the fracture end. The peak displacement was the largest in the conventional inverted triangle hollow screw group and the smallest in the femoral neck fixation system + hollow screw (posterior) group. (5) It is indicated that compared with the other three internal fixation methods, femoral neck fixation system + hollow screw (posterior) group showed good biomechanical stability. When Pauwels type III femoral neck fracture occurs in a young person, from the point of view of finite element analysis, it may be a more favorable choice to treat the Pauwels type III femoral neck fracture.

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: femoral neck fracture, femoral neck fixation system, hollow screw, Pauwels type III fracture, finite element analysis, biomechanics

中图分类号:

R459.9|R318|R496

鲁建鹏, 陈龙, 乐佳迪, 章建雄. 四种不同内固定方式治疗PauwelsⅢ型股骨颈骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(21): 4401-4406.

Lu Jianpeng, Chen Long, Le Jiadi, Zhang Jianxiong. Finite element analysis of four different internal fixation methods for treatment of Pauwels type III femoral neck fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(21): 4401-4406.

图/表（结果） 4

2.1 股骨近端骨折碎片应力分布及峰值 4种模型中股骨近端最大应力主要集中在骨折线内侧和下侧，倒三角空心钉组的峰值应力为94.961 MPa，FNS组的峰值应力为104.940 MPa，FNS+空心钉(前)组的峰值应力为97.253 MPa，FNS+空心钉(后)组的峰值应力为97.225 MPa。
FNS组峰值应力最高，倒三角空心钉组峰值应力最低。如图3及表3所示。

2.2 股骨近端骨折碎片位移分布及峰值 4种模型中股骨近端骨折碎片最大位移位于股骨头上部，位移由近向远逐渐减小。倒三角空心钉模型的峰值位移为8.979 mm，FNS模型的峰值位移为8.515 mm，FNS+空心钉(前)模型的峰值位移为7.925 mm，FNS+空心钉(后)模型的峰值应力为7.769 mm。倒三角空心钉组峰值位移最大，FNS+空心钉(后)组峰值位移最小，略小于FNS+空心钉(前)组。如图4及表3所示。

2.3 内固定的位移分布和峰值 4种内固定模型的位移主要集中在装置的近端。最大位移位于内固定模型的最顶部，分布均匀。倒三角空心钉模型的峰值位移为8.593 mm，FNS模型的峰值位移为8.126 mm，FNS+空心钉(前)模型的峰值位移为7.656 mm，FNS+空心钉(后)模型的峰值位移为7.311 mm。倒三角空心钉组峰值位移最大，FNS+空心钉(后)组峰值位移最小，略小于FNS+空心钉(前)组，与股骨近端位移趋势基本一致。如图5及表3所示。

2.4 股骨颈骨折上断面位移分布及峰值 4种内固定模型的骨折面位移主要集中在骨折端上部。倒三角空心钉模型的峰值位移为6.972 mm，FNS模型的峰值位移为6.763 mm，FNS+空心钉(前)模型的峰值位移为6.238 mm，FNS+空心钉(后)模型的峰值位移为6.151 mm。倒三角空心钉组峰值位移最大，FNS+空心钉(后)组峰值位移最小，略小于FNS+空心钉(前)组，与股骨近端位移趋势基本一致。如图6及表3所示。

参考文献

[1] 张少波, 刘芳, 彭岳文, 等. 中老年人维生素D、骨密度水平与髋部脆性骨折的相关性研究[J]. 中国骨质疏松杂志,2022,28(6): 812-817+824.
[2] FEI X, RONG L, MING L, et al. A New Random Forest Algorithm-Based Prediction Model of Post-operative Mortality in Geriatric Patients With Hip Fractures. Front Med (Lausanne). 2022;9:829977.
[3] ZHOU L, LIN J, HUANG A, et al. Modified cannulated screw fixation in the treatment of Pauwels type III femoral neck fractures: A biomechanical study. Clin Biomech (Bristol, Avon). 2020;74:103-110.
[4] FREITAS A, TOLEDO JÚNIOR JV, FERREIRA DOS SANTOS A, et al. Biomechanical study of different internal fixations in Pauwels type III femoral neck fracture - A finite elements analysis. J Clin Orthop Trauma. 2021;14:145-150.
[5] SHEN M, WANG C, CHEN H, et al. An update on the Pauwels classification. J Orthop Surg Res. 2016;11(1):161.
[6] CHAN DS. Femoral Neck Fractures in Young Patients: State of the Art. J Orthop Trauma. 2019; 33 Suppl 1:S7-S11.
[7] WANG Z, YANG Y, FENG G, et al. Biomechanical comparison of the femoral neck system versus InterTan nail and three cannulated screws for unstable Pauwels type III femoral neck fracture. Biomed Eng Online. 2022;21(1):34.
[8] HACKL S, VON RÜDEN C, WEISEMANN F, et al. Internal Fixation of Garden Type III Femoral Neck Fractures with Sliding Hip Screw and Anti-Rotation Screw: Does Increased Valgus Improve Healing? Medicina (Kaunas). 2022;58(11):1573.
[9] WANG J, GAO Y, SONG D, et al. Biomechanical study on parallel cannulated compression screw combined with medial buttress plate fixation and F-type cannulated compression screw fixation in Pauwels III femoral neck fracture: A finite element analysis. Zhong Nan Da Xue Xue Bao Yi Xue Ban. 2022;47(8):1143-1153.
[10] STOFFEL K, ZDERIC I, GRAS F, et al. Biomechanical Evaluation of the Femoral Neck System in Unstable Pauwels III Femoral Neck Fractures: A Comparison with the Dynamic Hip Screw and Cannulated Screws. J Orthop Trauma. 2017;31(3):131-137.
[11] WANG K, LIN D, CHEN P, et al. Incidence and factors influencing neck shortening after screw fixation of femoral neck fractures with the femoral neck system. J Orthop Surg Res. 2023;18(1):317.
[12] AUGAT P, BLIVEN E, HACKL S. Biomechanics of Femoral Neck Fractures and Implications for Fixation. J Orthop Trauma. 2019;33 Suppl 1: S27-S32.
[13] 李英周, 叶锋, 万蕾, 等. 改良经皮加压钢板治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的疗效分析 [J]. 中国骨伤,2018,31(2):120-123.
[14] HAMIDI S, KHOSRAVIFARD A, HEMATIYAN MR, et al. A comparative mechanical study of two types of femur bone implant using the finite element method. Int J Numer Method Biomed Eng. 2021; 37(6):e3459.
[15] HUANG Q, ZHANG C, BAI H, et al. Biomechanical evaluation of two modified intramedullary fixation system for treating unstable femoral neck fractures: A finite element analysis. Front Bioeng Biotechnol. 2023;11:1116976.
[16] JIANG D, ZHAN S, WANG L, et al. Biomechanical comparison of five cannulated screw fixation strategies for young vertical femoral neck fractures. J Orthop Res. 2021;39(8):1669-1680.
[17] TENG Y, ZHANG Y, GUO C. Finite element analysis of femoral neck system in the treatment of Pauwels type III femoral neck fracture. Medicine. 2022;101(28):e29450.
[18] YANG JJ, LIN LC, CHAO KH, et al. Risk factors for nonunion in patients with intracapsular femoral neck fractures treated with three cannulated screws placed in either a triangle or an inverted triangle configuration. J Bone Joint Surg Am. 2013;95(1):61-69.
[19] CHEN ZM, YANG F, YU S, et al. [Finite element analysis of optimal selection of cannulated threaded screw for the prevention of femoral neck shortening after internal fixation for femoral neck fracture]. Zhongguo Gu Shang. 2022;35(11):1042-1048.
[20] JOHNSON JP, BORENSTEIN TR, WARYASZ GR, et al. Vertically Oriented Femoral Neck Fractures: A Biomechanical Comparison of 3 Fixation Constructs. J Orthop Trauma. 2017;31(7):363-368.
[21] JI R, LU X, CONG R, et al. [Comparison of full thread compression cannulated screw and partial thread cannulated screw in treatment of femoral neck fracture]. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2023;37(1):19-24.
[22] SU ZH, TAN HL, XU ZH, et al. [Biomechanical analysis of four internal fixations for Pauwels Ⅲ femoral neck fractures with defects]. Zhongguo Gu Shang. 2023;36(3):255-261.
[23] YANG J, ZHOU X, LI L, et al. [Comparison of femoral neck system and inverted triangle cannulated screws fixations in treatment of Pauwels typle Ⅲ femoral neck fractures]. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2021;35(9):1111-1118.
[24] CHA Y, CHUNG JY, JUNG CH, et al. Pre-sliding of femoral neck system improves fixation stability in pauwels type III femoral neck fracture: a finite element analysis. BMC Musculoskelet Disord. 2023;24(1):506.
[25] ZHOU Y, LI Z, LAO K, et al. Femoral neck system vs. cannulated screws on treating femoral neck fracture: a meta-analysis and system review. Front Surg. 2023;10:1224559.
[26] JIANG X, LIANG K, DU G, et al. Biomechanical evaluation of different internal fixation methods based on finite element analysis for Pauwels type III femoral neck fracture. Injury. 2022;53(10):3115-3123.
[27] SU M, HE Z, HUANG N, et al. Superior short-term outcomes of FNS in combination with a cannulated screw in treating femoral neck fractures. BMC Musculoskelet Disord. 2023;24(1):823.

引言

股骨颈骨折是目前最常见的临床骨折类型，据统计，国内每年报告超过100万例髋部骨折[1]，而股骨颈骨折占髋部骨折50%以上。而且随着交通事故的增加和人口老龄化进展，股骨颈骨折的发病率持续上升，这是一个影响中老年人的重大健康问题[2]。另外，随着社会经济的高速发展，高处坠落和车祸等高能量创伤所造成的青壮年股骨颈骨折发病率也呈逐年上升趋势[3]。股骨颈骨折最常用的临床分类系统之一是Pauwels分类，Pauwels Ⅲ型表示Pauwels角大于50°的股骨颈骨折[4-5]，基于股骨颈的解剖学和生物力学特征，Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折手术后容易发生内固定的松动、切割、股骨颈骨折不愈合、股骨头坏死等术后并发症[6]。尽管已经进行了生物力学等相关研究和对照临床试验，以确定手术治疗不稳定股骨颈骨折中最合适的固定方法，但是关于最理想的内固定装置选择目前还没有达成共识。
目前临床中最常见的股骨颈骨折内固定方式有空心拉力螺钉、动态髋螺钉、锁定钢板等[7-9]，倒三角空心钉在抵抗扭转方面效果更佳，但其在抵抗垂直剪切力和弯曲力时并不如意。还有相关研究表明，如果仅使用动力髋螺钉内固定，其抗旋转能力比倒三角空心钉还要差，增加1根防旋转螺钉可有效增加内固定抗旋转力[10]。
近年来，股骨颈固定系统(femoral neck fixation system，FNS)因其微创和稳定的优点而在临床实践中逐渐得到应用[11]，但在临床应用过程中发现其抗旋转能力仍存在不足，因此，借鉴动态髋关节螺钉增加抗旋转力的方法，在FNS的基础上在其前方或后方置入1根与FNS主钉成30°角的7.3 mm空心钉来增加其防旋功能。对于Pauwels Ⅲ型骨折，很少有生物力学文献比较倒三角空心钉、FNS+空心钉和FNS的生物力学稳定性。此次研究旨在通过有限元分析验证不同内固定方法在Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折治疗中的力学稳定性，希望为今后的临床治疗提供一定的生物力学基础。

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 三维有限元生物力学模拟实验。
1.2 时间及地点 实验于2022年9月至2023年7月在温州医科大学附属第二医院创伤骨科完成。
1.3 对象 选择一名男性志愿者，年龄27岁，身高173 cm，体质量70 kg，身体健康，无手术史、创伤史、骨质疏松症史、畸形、慢性病史。志愿者知晓实验研究的目的并签署了知情同意书。实验方案得到温州医科大学附属第二医院相关伦理批准[批准号：伦审(2024-K-002-02)]。
1.4 方法
1.4.1 股骨内固定模型的构建 男性志愿者取仰卧位，并对其骨盆和下肢进行薄层CT扫描(西门子256层螺旋CT机由温州医科大学附属第二医院提供)，读取志愿者的影像学数据并以Dicom格式保存。将CT扫描数据以Dicom格式导入到Mimics 21.0软件中，通过新建蒙版、区域增长、分割蒙版、编辑蒙版、填充蒙版和光滑处理对模型按顺序进行预处理。最后将实体模型保存为STL格式并导入Geomagic Wrap 2021软件进行处理。使用快速平滑、特征去除、网格医生检验、壳提取、偏移、填充等命令优化模型。然后再依次对模型进行精确曲面，轮廓绘制和编辑，构建曲面片，生成格栅，拟合曲面处理。最后将处理后的股骨模型(皮质+松质骨)保存为STP格式并导入SolidWorks 2017中。通过布尔操作将骨皮质和松质模型组合在一起，构建理想的股骨模型。
1.4.2 建立Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型 为了能更精确地模拟Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折，采用DR摄影的改良版Pauwels 角测量法对股骨颈骨折模型的构建，以股骨干的中轴线作为参考，沿股骨头上缘做一条与之垂直相交的切线，骨折线与股骨头上缘切线的夹角即为Pauwels角[12]。Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折模型如图1所示。

1.4.3 建立内固定模型 基于目前临床上常用的股骨颈骨折治疗方法，利用SolidWorks软件构建了4种骨折内固定模型，如图2所示。

倒三角空心钉：螺钉光滑部分直径4.8 mm，远端螺纹直径7.3 mm，螺纹长度16 mm。3个螺钉以倒置的方式彼此平行放置，螺钉尖端距离关节软骨面约5 mm。
FNS：该系统由3部分组成，即锁紧螺钉、螺栓和防旋转螺钉。锁定钢板与螺栓成角为130°，锁紧螺钉直径为5 mm；螺栓直径10 mm，无螺纹，长度110 mm；防旋转螺钉的直径为6.4 mm，可以用螺栓锁定以增加防旋转并提高设备的稳定性。FNS装置放置在大转子下方，使螺栓和防旋转螺钉位于股骨颈的中心，螺栓的远端距离关节软骨表面约5 mm。
FNS+空心钉：在FNS的基础上，从大转子打入1枚防旋转空心钉，螺钉光滑部分直径4.8 mm，远端螺纹直径7.3 mm，螺纹长度16 mm。空心钉置于股骨颈系统的前方或后方，平行于FNS螺栓，并与螺栓成30°夹角，螺栓和螺钉远端距离关节软骨表面约5 mm。
1.4.4 模型的简化 FNS下方的锁定螺钉螺纹致密，容易在后期有限元分析时产生应力过于集中，此次研究将其简化为以螺纹外径为直径的圆柱，因主要受力的位置在主钉上，简化锁定螺钉不会对此次分析产生影响。
空心钉上端螺纹相对尖锐，网格划分时很难对尖锐部分进行合理划分，容易产生应力的集中，空心钉在骨骼内的主要受力点在空心钉螺杆部，与螺纹部分基本无关，此次实验将其螺纹部分简化为以螺纹外径为直径的圆柱，简化后的部分不对此次分析结果产生影响。
1.4.5 材料参数设置 实验模型均为理想的连续、均匀、各向同性线弹性材料，根据以往的研究的数据[13]，此次研究中有限元模型的材料参数见表1。
在此次研究中，使用1.0-1.5 mm的四面体网格进行收敛测试。结果表明，1.0-1.5 mm网格计算的等效应力值相似；基于此，将此次研究中股骨和内固定器的网片除以1.5 mm以生成网片和单元。4个有限元模型的网格和节点数见表2。

1.4.6 边界条件与加载条件 为了模拟人体站立状态，根据以往的文献研究数据[14]，在此次实验中，在股骨头承重中心建立坐标系，坐标系的X轴与股骨干的冠状平面成 13°角，与矢状面成 8°角。股骨远端限制移动，将相当于3倍体质量的2 100 N荷载引入股骨头的承重中心[15]。骨折断面间摩擦系数设置为0.46，所有螺杆与骨表面摩擦系数设置为0.3，螺钉与套筒之间摩擦系数设置为0.3，螺纹与骨设定为固定[16-17]。

1.5 主要观察指标 观察4种不同内固定模型中股骨近端骨折块的应力分布、峰值应力和峰值位移；观察内固定装置和股骨颈骨折上断面的位移分布和峰值位移。

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

近几年，随着计算机技术的发展，有限元已成为生物力学分析的常用工具。有限元模型可用于通过力学模拟评估骨折内固定的力学性能，可以在置入内固定装置之前评估骨骼内产生的应力和应变。与传统的机械测试相比，有限元方法速度更快，数据更详细。此外，生物力学有限元模型可以进行多次分析，而不会违反道德规范。Pauwels Ⅲ型骨折多发生于中青年人，多为高能量创伤所致。相关研究表明，骨折线角度可影响股骨颈骨折的稳定性和临床预后，断裂线的角度越大，断裂端的剪切力越大，断裂越不稳定[3]，这将导致骨折畸形愈合、股骨头缺血性坏死、骨不连等并发症。尽管已经进行了生物力学和对照临床试验等相关研究来确定手术治疗不稳定股骨颈骨折最合适的内固定方式，但对于最理想的内固定装置的选择，目前仍未达成共识。
目前对于年轻成年人的Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的治疗方案仍存在争议，主流的方法是倒三角空心钉固定[18]，倒三角空心钉因其创伤小、手术时间短、价格低廉等优点，多年来一直是年轻成年人股骨颈骨折的标准固定方法[19]。倒三角空心钉能提供更好的抗旋转稳定性，且能降低发生股骨头缺血性坏死的风险[20]，但是垂直剪切力和弯曲力被认为是Pauwels Ⅲ股骨颈骨折的主要变形力，而倒三角空心钉并不能有效规避垂直剪切力和弯曲力引起的内部固定失败的风险，所以倒三角空心钉固定股骨颈骨折手术后经常会遇到股骨头内翻畸形、内固定脱出、内固定切割、骨折不愈合和股骨头缺血性骨坏死等并发症[21]。一些文献提出了用解剖锁定板的内固定方法来治疗Pauwels Ⅲ股骨颈骨折。临床研究和有限元分析也都表明，锁定板在生物力学稳定性上优于倒三角空心钉[22]，但是会对股骨头的血液供应与周围组织造成损害，因此股骨颈系统被开发出来解决这个问题。股骨颈系统使用锁定防旋转螺钉和动力螺栓的组合来进行微创固定，防旋转螺钉锁定在螺栓中，允许2个螺钉沿侧板一起滑动以进行动态固定。但是对于使用FNS治疗股骨颈骨折的临床效果和生物力学稳定性仍存在不同意见。相关文献表明，FNS对Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折具有良好的临床疗效和生物力学稳定性[23-24]，而且相对于倒三角空心钉能降低骨不愈合、股骨头坏死和内固定失败的发生率[25]，但是JIANG等[26]的研究结果表明，在治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折时，FNS具有与动态髋关节螺钉联合单防旋转螺钉相似的固定稳定性，而动态髋关节螺钉联合双防旋转螺钉更具有显著降低内固定失败风险和股骨屈服的生物力学优势。FNS螺栓和防旋螺钉形成角度较小，导致防旋转能力欠缺，所以此次研究采取在FNS的基础上联合防旋转螺钉，提高内固定装置的抗旋转能力，两者之间成30°角，利用手术过程中置入FNS前的防旋克氏针作为导针，使得手术进程不受明显影响。研究结果表明，FNS+空心钉(前)和FNS+空心钉(后)表现出更好的生物力学稳定性。
在垂直移位骨折中，剪切力和旋转力可引起股骨头摆动和旋转，这可能导致许多术后并发症，因此，任何固定方法都需要在骨愈合过程中抵抗这些力。生物力学和临床研究表明，FNS的抗剪切性略有改善[17]。然而，FNS螺栓和防旋螺钉形成角度较小，其抵抗旋转力的能力仍存在不足[26]。因此，接受FNS治疗的患者在手术后有可能出现股骨头旋转移位的风险。为了克服这一缺点，已经开发了一种外科手术来改善它，方法是在FNS基础上放置1个防旋转螺钉(FNS+空心钉)。SU等[27]通过临床研究分析了FNS、FNS+空心钉、3枚空心钉和4枚空心钉4种内固定方式在股骨颈骨折中的力学稳定性，结果表明FNS联合空心螺钉治疗股骨颈骨折的短期疗效更好。此次研究结果表明，与单独使用FNS和倒三角空心钉相比，FNS联合空心钉固定装置的位移和应力峰小于前两组。
此次研究采用有限元分析方法建立了4种Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折内固定模型，并对其生物力学特性进行了比较分析。此次实验研究结果表明，FNS+空心钉(前)和FNS+空心钉(后)均表现出更好的生物力学稳定性。4种模型中股骨近端应力主要分布在骨折线附近，FNS+空心钉组近端骨折块峰值应力和移位均低于倒三角空心钉和FNS组，其中FNS+空心钉(后)组近端骨折块峰值应力和移位均最小，这表明当FNS+空心钉用于固定不稳定的股骨颈骨折时，这种内固定能更好地抵消大部分剪切力和旋转力。在4组内固定中，FNS+空心钉的峰值位移小于倒三角空心钉和FNS组，表明后两种内固定方法的力学稳定性强于倒三角空心钉和FNS组；其中内固定装置位移在FNS+空心钉(后)组中最小，原因可能是增加的空心螺钉增加了抗旋转能力。断端断裂面位移表明FNS+空心钉(后)位移距离最小，略小于FNS+空心钉(前)，倒三角空心钉和FNS组无显著差异。因此，综合分析各方面的特点，FNS+空心钉治疗可以提供更大的稳定性，可为骨折愈合提供更好的生物力学环境，进一步促进骨形成，缩短愈合时间。
此次研究存在一些局限性：①实验模型被设定为连续、均匀、各向同性的线性材料，在计算时相比实际人体骨骼会有一定影响，但此次研究是对整体趋势进行建模，因此这样造模也是合理的；②仅限于特定骨折类型和内固定装置的研究，实验结果不支持其他骨折类型和内固定方法；③此次实验采用有限元分析进行研究，且在分析时对模型进行了简化，有待体外生物力学如尸体生物力学实验研究进一步验证；④此次实验仅分析正常单腿站立时简化的生物力学，忽略了髋关节在运动状态下周围组织的具体作用，在未来的研究中，应进一步考虑髋关节周围肌肉对股骨的影响；⑤FNS+空心钉内固定方式适用于股骨颈直径> 28 mm的大部分患者，部分直径过小的患者无法实施该内固定方式。
结论：与其他3种内固定方式相比，FNS+空心钉(后)组表现出良好的生物力学稳定性。当Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折发生于年轻人时，从有限元角度分析，使用FNS+空心钉(后)治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折可能是更有利的选择。

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