新型股骨颈螺旋刀片系统治疗股骨转子间骨折的有限元分析

doi:10.12307/2025.848

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (33): 7041-7047.doi: 10.12307/2025.848

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新型股骨颈螺旋刀片系统治疗股骨转子间骨折的有限元分析

宋旭彬，吴斗，赵恩哲，张兴宇，张晓仑，王楚恒

山西医科大学第三医院(山西白求恩医院，山西医学科学院，同济山西医院)，山西省太原市 030032

收稿日期:2024-07-20 接受日期:2024-09-14 出版日期:2025-11-28 发布日期:2025-04-12
通讯作者: 吴斗，博士，主任医师，山西医科大学第三医院(山西白求恩医院，山西医学科学院，同济山西医院)，山西省太原市 030032
作者简介:宋旭彬，山西省晋城市人，汉族，山西医科大学骨科在读硕士，主要从事创伤骨科领域方面的研究。
基金资助:
山西白求恩医院人才引进科研启动金项目(2021RC028)，项目负责人：赵恩哲

Finite element analysis of a new femoral neck spiral blade system to treat femoral intertrochanteric fractures

Song Xubin, Wu Dou, Zhao Enzhe, Zhang Xingyu, Zhang Xiaolun, Wang Chuheng

Third Hospital of Shanxi Medical University (Shanxi Bethune Hospital, Shanxi Academy of Medical Sciences, Tongji Shanxi Hospital), Taiyuan 030032, Shanxi Province, China

Received:2024-07-20 Accepted:2024-09-14 Online:2025-11-28 Published:2025-04-12
Contact: Wu Dou, MD, Chief physician, Third Hospital of Shanxi Medical University (Shanxi Bethune Hospital, Shanxi Academy of Medical Sciences, Tongji Shanxi Hospital), Taiyuan 030032, Shanxi Province, China
About author:Song Xubin, Master candidate, Third Hospital of Shanxi Medical University (Shanxi Bethune Hospital, Shanxi Academy of Medical Sciences, Tongji Shanxi Hospital), Taiyuan 030032, Shanxi Province, China
Supported by:
Shanxi Bethune Hospital Talent Introduction Research Start-up Fund Project, No. 2021RC028 (to ZEZ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

股骨转子间骨折：系指股骨颈基底至小转子水平以上部位所发生的骨折，亦为老年人常见的损伤。
有限元分析：利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷工况)进行模拟。利用简单而又相互作用的元素(即单元)，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

背景：股骨转子间骨折目前以股骨近端防旋髓内钉为代表的髓内固定为主流手术方案，但术后内固定松动、失效、退钉等现象仍有发生。作者设计了一款新型股骨颈螺旋刀片系统来解决这个问题，通过有限元研究对该系统进行力学分析，来为设计提供理论依据。

目的：通过有限元研究对比分析新型股骨颈螺旋刀片系统和股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折的力学特性。
方法：在股骨有限元模型的基础上，根据2018版AO骨折分型原则建立A1.2、A2.2股骨转子间骨折模型，分别采用股骨近端防旋髓内钉和新型股骨颈螺旋刀片系统固定，在股骨头的上方施加700，1 400，2 100 N的轴向载荷，观察各组模型的最大等效应力和最大变形量，比较分析两种内固定方式的力学特性。

结果与结论：①新型股骨颈螺旋刀片系统组在不同压缩载荷作用下，其内固定的最大等效应力均小于股骨近端防旋髓内钉组；②A1.2型骨折模型中，在不同压缩载荷下，新型股骨颈螺旋刀片系统固定下股骨的变形量均小于股骨近端防旋髓内钉组，两者差值的平均值为1.113 mm；A2.2型骨折模型中亦是如此，两者差值的平均值为2.017 mm；③A1.2型骨折模型中，在不同的压缩载荷下，新型股骨颈螺旋刀片系统固定下螺旋刀片的最大变形量均小于股骨近端防旋髓内钉组，两者差值的平均值为1.062 mm；A2.2型骨折模型中亦是如此，两者差值的平均值为1.891 mm；④表明相较于股骨近端防旋髓内钉，新型股骨颈螺旋刀片系统的内固定应力值更小，固定后股骨及内固定的位移值更小，可以更加有效地固定骨折，防止螺旋刀片在股骨颈中退钉或切出。

https://orcid.org/0009-0000-6052-2386 (宋旭彬)

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: 新型股骨颈螺旋刀片系统, 股骨转子间骨折, 有限元分析, 等效应力, 压缩载荷, 力学特性, 生物力学

Abstract: BACKGROUND: At present, there is a main kind of operation, which is represented by the proximal femoral nail antirotation, to treat femoral intertrochanteric fractures, but some sequelae still occur such as internal fixation loosening, failure, and nail withdrawal. We designed a new femoral neck spiral blade system to solve this problem, so we analyze the mechanical structure by the finite element method that can be regard as the theoretical basis for the system.
OBJECTIVE: To compare the mechanical properties of the new femoral neck spiral blade system and the proximal femoral nail antirotation in the treatment of femoral intertrochanteric fracture by the finite element method.
METHODS: Based on the finite element model of the femur, the A1.2 and A2.2 femoral intertrochanteric fracture models were established according to the AO fracture classification principle of 2018 edition. The models were fixed with the proximal femoral nail antirotation and the new internal fixation system, applying an axial load of 700, 1 400, and 2 100 N above the femoral head. The mechanical characteristics of the two internal fixation methods were respectively compared and analyzed by observing the maximum equivalent stress and the maximum deformation of each group.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum equivalent stress of the new internal fixation group under different compressive loads was smaller than that of the proximal femoral nail antirotation group. (2) In the A1.2 fracture model, under different compression loads, the deformation of the new internal fixation system was smaller than that of the proximal femoral nail antirotation group, and the average value of difference between the two was 1.113 mm; the result of the A2.2 type fracture model was the same as that in the A1.1 with an average value of difference of 2.017 mm between the two. (3) In the A1.2 fracture model, under different compressive loads, the maximum deformation of the spiral blade fixed by the new internal fixation system was smaller than that of the proximal femoral nail antirotation group, and the average value of difference between the two was 1.062 mm; the result of the A2.2 type fracture model was the same as that in the A1.1 with an average value of difference of 1.891 mm between the two. (4) The results indicate that the new femoral neck spiral blade system has a lower internal fixation stress value compared to the proximal femoral nail antirotation, and a smaller displacement value of the femur after fixation and internal fixation. It can more effectively fix fractures and prevent the spiral blade from retracting or cutting out in the femoral neck.

Key words: new femoral neck spiral blade system, femoral intertrochanteric fracture, finite element analysis, equivalent stress, compression load, mechanical property, biomechanics

中图分类号:

宋旭彬, 吴斗, 赵恩哲, 张兴宇, 张晓仑, 王楚恒. 新型股骨颈螺旋刀片系统治疗股骨转子间骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(33): 7041-7047.

Song Xubin, Wu Dou, Zhao Enzhe, Zhang Xingyu, Zhang Xiaolun, Wang Chuheng. Finite element analysis of a new femoral neck spiral blade system to treat femoral intertrochanteric fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(33): 7041-7047.

图/表（结果） 6

2.1 股骨上的最大等效应力无论在A1.2型还是在A2.2型股骨转子间骨折模型中，两种不同内固定物固定骨折后，其股骨的最大等效应力均分布于螺旋刀片与髓内钉连接的位置，作者认为这与内固定装置的应力遮挡有关。
2.2 内固定上的最大等效应力在A1.2型股骨转子间骨折模型中，PFNA内固定组在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下，内固定最大等效应力分别为176.95，324.16，477.08 MPa；NFNSB内固定组在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下，内固定最大等效应力分别为93.326，236.89，393.42 MPa。在A2.2型股骨转子间骨折模型中，PFNA内固定组在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下，内固定最大等效应力分别为324.39，423.63，601.92 MPa；NFNSB内固定组在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下，内固定最大等效应力分别为234.82，304.48，521.87 MPa(图7-10)。

2.3 股骨的最大变形量在A1.2型股骨转子间骨折模型中，PFNA内固定下的股骨的最大变形量在700，1400，2 100 N压缩载荷的作用下，分别为10.244，20.495，30.669 mm；而NFNSB内固定下的股骨最大变形量分别为9.589，19.359，29.121 mm。在A2.2型股骨转子间骨折模型中，PFNA内固定下的股骨的最大变形量在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下，分别为10.507，20.932，31.354 mm；NFNSB内固定下的股骨最大变形量分别为8.431，18.937，29.372 mm(图11-14)。

2.4 螺旋刀片的最大变形量在A1.2型股骨转子间骨折模型中，PFNA中螺旋刀片的最大位移量在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下分别为9.69，19.360，29.023 mm；NFNSB固定下其最大位移量在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下分别为9.035，18.30，27.553 mm。
在A2.2型股骨转子间骨折模型中，PFNA中螺旋刀片的最大位移量在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下分别为9.917，19.762，29.604 mm；NFNSB固定下其最大位移量在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下分别为7.934，17.896，27.779 mm(图15-18)。螺旋刀片的最大位移分布量与股骨的最大位移分布量保持一致。

参考文献

[1] SING CW, LIN TC, BARTHOLOMEW S, et al. Global Epidemiology of Hip Fractures: Secular Trends in Incidence Rate, Post-Fracture Treatment, and All-Cause Mortality. J Bone Miner Res. 2023;38(8):1064-1075.
[2] T J, KWEK EBK. Are Intertrochanteric Fractures Evolving? Trends in the Elderly Population over a 10-Year Period. Clin Orthop Surg. 2022;14(1):13-20.
[3] MAFFULLI N, AICALE R. Proximal Femoral Fractures in the Elderly: A Few Things to Know, and Some to Forget. Medicina (Kaunas). 2022;58(10):1314.
[4] ZHANG C, FENG J, WANG S, et al. Incidence of and trends in hip fracture among adults in urban China: A nationwide retrospective cohort study. PLoS Med. 2020; 17(8):e1003180.
[5] LI L, FANG X, GAO J, et al. Comparison of InterTAN and PFNA internal fixation for elderly patients with intertrochanteric fracture: A retrospective cohort study. Pak J Med Sci. 2024;40(4):589-594.
[6] TANGKANJANAVELUKUL P, THAITALAY P, SRISUWAN S, et al. Feasibility biomechanical study of injectable Biphasic Calcium Phosphate bone cement augmentation of the proximal femoral nail antirotation (PFNA) for the treatment of two intertrochanteric fractures using cadaveric femur. Biomed Phys Eng Express. 2024;10(4). doi: 10.1088/2057-1976/ad4e3c.
[7] 胡孙君,杜守超,熊文峰,等.股骨近端防旋髓内钉内固定治疗高位股骨转子间骨折[J].中国修复重建外科杂志,2021,35(3):307-311.
[8] 张晓萌,郁凯,王艳华,等.股骨转子间骨折术后内固定失效特点及其原因分析[J].中华创伤杂志,2021,37(5):429-436.
[9] CHEN XK, XIONG J, LIU YJ, et al. A rare complication of pelvic perforation by an excessive medial slide of the helical blade after treatment of an intertrochanteric fracture with proximal femoral nail anti-rotation: A case report and literature review. Chin J Traumatol. 2022;25(2):118-121.
[10] 郑利钦,林梓凌,李鹏飞,等.动态载荷下松质骨对骨质疏松性股骨颈骨折断裂力学影响的有限元分析[J].中国组织工程研究,2019,23(12):1887-1892.
[11] UGER JD, NAIK AJ, MURAKAMI AM, et al. Spatial assessment of femoral neck bone density and microstructure in hip osteoarthritis. Bone Rep. 2021;16:101155.
[12] BITTNER-FRANK M, REISINGER AG, ANDRIOTIS OG, et al. Cortical and trabecular mechanical properties in the femoral neck vary differently with changes in bone mineral density. JBMR Plus. 2024;8(6):ziae049.
[13] 张云林,汤梦露,周祥,等.女性年龄相关的股骨颈几何参数参考值[J].中国骨质疏松杂志,2017,23(6):751-756.
[14] 李国海,张欣荣,韩莉,等.X线骨密度及股骨颈几何参数测量在不同海拔地区老年患者股骨结构评价的价值分析[J].中国医学物理学杂志,2020, 37(4):520-523.
[15] SONG H, HU SJ, DU SC, et al. Sub-Classification of AO/OTA-2018 Pertrochanteric Fractures Is Associated With Clinical Outcomes After Fixation of Intramedullary Nails. Geriatr Orthop Surg Rehabil. 2021;12:21514593211056739.
[16] LI M, ZHAO K, DING K, et al. Titanium Alloy Gamma Nail versus Biodegradable Magnesium Alloy Bionic Gamma Nail for Treating Intertrochanteric Fractures: A Finite Element Analysis. Orthop Surg. 2021;13(5):1513-1520.
[17] DING K, YANG W, WANG H, et al. Finite element analysis of biomechanical effects of residual varus/valgus malunion after femoral fracture on knee joint. Int Orthop. 2021;45(7):1827-1835.
[18] CUN Y, DOU C, TIAN S, et al. Traditional and bionic dynamic hip screw fixation for the treatment of intertrochanteric fracture: a finite element analysis. Int Orthop. 2020;44(3):551-559.
[19] 丁凯,陈伟,杨伟杰,等.股骨骨折后残留内/外翻畸形愈合对膝关节生物力学影响的有限元分析[J].中华老年骨科与康复电子杂志,2020,6(5):257-264.
[20] TUCKER SM, WEE H, FOX E, et al. Parametric Finite Element Analysis of Intramedullary Nail Fixation of Proximal Femur Fractures. J Orthop Res. 2019; 37(11):2358-2366.
[21] BURKHART TA, ANDREWS DM, DUNNING CE. Finite element modeling mesh quality, energy balance and validation methods: a review with recommendations associated with the modeling of bone tissue. J Biomech. 2013;46(9):1477-1488.
[22] CUI Y, XING W, PAN Z, et al. Characterization of novel intramedullary nailing method for treating femoral shaft fracture through finite element analysis. Exp Ther Med. 2020;20(2):748-753.
[23] 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.
[24] SING CW, LIN TC, BARTHOLOMEW S, et al. Global Epidemiology of Hip Fractures: Secular Trends in Incidence Rate, Post-Fracture Treatment, and All-Cause Mortality. J Bone Miner Res. 2023;38(8):1064-1075.
[25] 李兴国,邓叶龙,刘朝晖,等.中国老年髋部骨折流行性病学特征分析[J]. 实用骨科杂志,2021,27(7):601-606.
[26] HAGINO H. Current and Future Burden of Hip and Vertebral Fractures in Asia. Yonago Acta Med. 2021;64(2):147-154.
[27] SEONG YJ, SHIN WC, MOON NH, et al. Timing of Hip-fracture Surgery in Elderly Patients: Literature Review and Recommendations. Hip Pelvis. 2020;32(1):11-16.
[28] ANDALIB A, ETEMADIFAR M, YAVARI P. Clinical Outcomes of Intramedullary and Extramedullary Fixation in Unstable Intertrochanteric Fractures: A Randomized Clinical Trial. Arch Bone Jt Surg. 2020;8(2):190-197.
[29] ZEELENBERG ML, NUGTEREN LHT, PLAISIER AC, et al. Extramedullary versus intramedullary fixation of stable trochanteric femoral fractures: a systematic review and meta-analysis. Arch Orthop Trauma Surg. 2023;143(8):5065-5083.
[30] LU GL, LI SJ, LI WX. Biomechanical study of extramedullary and intramedullary fixation in the treatment of unstable intertrochanteric reversed-tilt fractures of the femur. Ann Transl Med. 2022;10(4):191.
[31] YU F, TANG YW, WANG J, et al. Does intramedullary nail have advantages over dynamic hip screw for the treatment of AO/OTA31A1-A3? A meta-analysis. BMC Musculoskelet Disord. 2023;24(1):588.
[32] CHENG YX, SHENG X. Optimal surgical methods to treat intertrochanteric fracture: a Bayesian network meta-analysis based on 36 randomized controlled trials. J Orthop Surg Res. 2020;15(1):402.
[33] ZHENG L, WONG DW, CHEN X, et al. Risk of proximal femoral nail antirotation (PFNA) implant failure upon different lateral femoral wall thickness in intertrochanteric fracture: a finite element analysis. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 2022;25(5):512-520.
[34] XU R, RU J, JI F, et al. Comparison of efficacy, complications and TGF-β2 expression between DHS and PFNA in elderly patients with osteoporotic femoral intertrochanteric fracture. Exp Ther Med. 2018;16(1):394-399.

引言

在全球范围内，髋部骨折仍然是一种重要的公共卫生疾病，具有较高的发病率和死亡率，预计在未来20-30年内，髋部骨折的数量将增加近1倍[1-2]。股骨转子间骨折约占髋部骨折的50%[3-4]。目前股骨转子间骨折以手术治疗为主，其中以股骨近端防旋髓内钉(proximal femoral nail antirotation，PFNA)为主的髓内固定系统成为更多临床医生的选择，优势在于其螺旋刀片和髓内钉结构起到抗旋转和角稳定的作用，并且具有手术时间短、术中失血少、有效改善髋关节功能等优点[5-7]。然而，张晓萌等[8]的回顾性病例对照研究分析显示，在40例股骨转子间骨折内固定失效患者中发生内固定切出18例，髋内翻畸形37例，内固定退出29例，股骨颈短缩37例，内固定断裂3例。CHEN等[9]也报道了1例股骨转子间骨折患者PFNA治疗后，螺旋刀片过度滑动导致盆腔穿孔的罕见并发症，推测是由于PFNA缺乏避免螺旋刀片滑动的装置造成。
股骨颈包括皮质骨和松质骨，松质骨填充整个骨腔，且松质骨体积大而密度较小，髓内钉固定在皮质骨具有固定强度，但固定于松质骨的固定强度会不足[10-12]。髓内钉固定后经历一段时间的应力，股骨颈处的螺旋刀片会把股骨颈处的松质骨压紧，螺旋刀片会有一定的晃动空间，容易导致退钉和切出。为了防止这一现象的发生，作者设计了一款新型股骨颈螺旋刀片系统(new type of femoral neck spiral blade，NFNSB)，包括螺旋刀片主体、保护套筒、撑开网、四点顶出杆、顶出螺母、锁紧阀(分别对应图1中1-6)。由现有文献可知，股骨颈内皮质直径为2.8 cm[13-14]，因临床上将螺旋刀片置于股骨颈中下部分而不是正中间，并且螺旋刀片直径为10 mm，所以作者将撑开网撑开后所形成的球网状结构直径设置为16 mm。将撑开网在股骨颈中撑开，以此来增加股骨颈处骨质和螺钉的接触面积，减少摆动效应(图2)，达到防止螺旋刀片在术后出现松动导致退钉及切出的目的，以期提高手术成功率和安全性，降低手术并发症及改善手术疗效。

此次研究通过有限元方法对NFNSB和PFNA固定股骨转子间骨折的力学特性进行对比分析，从而得出结论，为新型内固定系统设计提供理论参考。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 设计有限元模拟分析实验。
1.2 时间及地点实验于2024年3-6月在山西白求恩医院骨科完成。
1.3 对象选择1名健康的中国男性志愿者，年龄36岁，体质量70 kg，身高170 cm，排除既往重大疾病史和创伤史。志愿者仰卧于CT检查床上，采用双下肢中立位，矢状面与检查床垂直，人工调整CT扫描台，使股骨位于扫描中心，选取股骨CT扫描范围为股骨头上20 mm至胫骨结节，层厚1 mm，得到CT图像后以 DICOM 格式保存。实验方案的实施取得志愿者知情同意，且符合山西白求恩医院相关伦理要求(医院伦理批号：YXLL-2024-011)。
1.4 实验设备及软件 64 排128 层螺旋 CT(SIMENS 公司)，PFNA 内固定材料参数，数据分析及图像处理采用实验软件Mimics Medical 21.0(Materialise n.v.比利时)、Geomagic Studio 10.0(Raindrop Inc.,美国)、Creo Parametric 7.0 (PTC，美国)、ANSYS Workbench 2022 R1(ANSYS Inc.,美国)。
1.5 方法

1.5.1 构建正常股骨三维模型在Mimics 21.0软件中导入上述DICOM 格式文件，通过蒙版编辑、填充等操作，将模型实体化。再使用3D工具中的编辑轮廓、光滑等功能去除股骨模型表面的异常凸起与凹陷，得到表面较为光滑的股骨模型，并保存为STL格式文件。将此文件导入Creo 7.0软件中，通过绘制草图、拉伸等功能，得到厚度为2 mm的皮质骨，余下内部为松质骨(图3)。

1.5.2 建立PFNA和NFNSB的三维有限元模型在Creo 7.0软件建立PFNA装置的三维模型。PFNA的实际尺寸通过制造商目录获得，在软件中通过绘制草图、拉伸、实体化等操作，建立PFNA的主钉、螺旋刀片和远端锁定螺钉的三维模型。

相关数据如下：①主钉：长度170 mm，远端直径9 mm，近端直径16 mm，外翻角5°(图4A)；②螺旋刀片：长度100 mm，直径10 mm(图4B)；③远端锁定螺钉：长度为35 mm，外径6 mm，内径3 mm(图4C)；④NFNSB中其余配件和PFNA一致。球囊位于螺旋刀片中间，直径为16 mm(图4D)。

1.5.3 建立股骨+PFNA、股骨+NFNSB三维有限元模型在Creo 7.0软件中分别将PFNA装置、NFNSB装置与股骨转子间骨折模型通过放置、旋转、轨迹等步骤进行装配，严格按照手术操作标准，主钉入钉点为大转子顶点稍偏内侧，保证螺旋刀片正视图上位于股骨颈中下1/3，侧视图位上位于股骨颈中心，尖顶距小于25 mm(图5)。

1.5.4 建立股骨转子间骨折模型使用Creo 7.0软件创建了股骨转子间骨折模型，骨折线为不规则曲线，参考2018版AO/OTA分型[15]，分别建立A1.2型和A2.2型骨折模型(图6)。

1.5.5 模型的有限元计算

(1)赋值材料属性：根据现有文献，所有材料都被假设为均质、各向同性且具有线弹性行为[16-17]。皮质骨和松质骨的弹性模量分别为 17，1.5 GPa，泊松比均为0.3。所有内固定材料均选用钛合金材质，弹性模量为110 GPa，泊松比为0.316[18-19]，见表1。

(2)设定模型之间接触关系：接触关系用于描述骨碎片之间、植入物组件之间以及骨与植入物之间的接触相互作用。根据现有文献[20]，此次研究中各个模型间的接触关系设定为：骨折块之间的接触关系设为摩擦，摩擦系数为0.46；内固定装置间的接触关系设为摩擦，摩擦系数为0.218；骨与内固定装置间的接触关系设为摩擦，摩擦系数为0.42。
(3)网格划分：根据现有文献中的描述[21]，将网格设置为标准的四面体网络，在ANSYS软件中对网格收敛性进行了检验，以评价各有限元模型的有效性和准确性。将Body Sizing里面的网格尺寸设定为2 mm。在A1.2型骨折中，由股骨近端防旋髓内钉固定的模型含250 894节点和136 514单元；由新型股骨颈螺旋刀片固定的模型含251 726节点和136 874单元。在A2.2型骨折中，由股骨近端防旋髓内钉固定的模型含255 445节点和138 242单元；由新型股骨颈螺旋刀片固定的模型含256 315节点和138 670单元。
(4)设定边界条件与压缩载荷：边界条件均设置为股骨远端完全固定，为了简化模型分析，凸显出内固定系统的固定效果，根据文献的表述，在股骨头上施加700 N模拟人体单腿站立，1 400，2 100 N模拟2倍和3倍体质量的压缩载荷[22-23]。
1.5 主要观察指标在ANSYS Workbench 2022 R1软件中计算，主要观察4组内固定模型在700，1 400，2 100 N压缩载荷作用下，模型和内固定系统的最大应力Von Mises分布和位移情况。

讨论

随着人口老龄化问题逐渐严重，由骨质疏松导致的髋部骨折也随之增多。每年全球有超过1 000万例髋部骨折发生，其中转子间骨折约占50%[24-25]。与髋部骨折相关的1年内平均总体死亡率达22%[26]，影响患者的健康生活，因此快速、有效的治疗至关重要。SEONG等[27]的文献综述表示在入院后48 h内对老年股骨转子间骨折患者进行手术治疗是最佳的选择，可以显著提高患者的手术效果。对于转子间骨折，首选的治疗方法为手术治疗，方式主要分为髓内固定和髓外固定[28-29]。LU等[30]的研究表明髓内固定具有更好的生物力学性能。YU等[31]的研究也表示相比于髓外固定，髓内固定具有失血率较低、防止股骨颈缩短和骨不连的优点。目前，PFNA成为更多临床医生的选择，但有临床证据显示PFNA固定股骨转子间骨折后仍出现内固定松动、退钉、失效等现象，导致手术失败，增加患者手术并发症发生率，影响患者生活质量[32-34]。
为此，作者设计出了NFNSB，在原有PFNA装置的基础上对螺旋刀片进行改良。在手术时，螺旋刀片在使用前进行解锁，取出锁紧阀及保护套筒。让螺旋刀片主体内部圆形通孔沿术前置入的定位导针打入到相应的位置，此时用外六方扳手插入到顶出螺母的外六方并转动，顶出螺母的外螺纹沿螺旋刀片主体的内螺纹位移，推动四点顶出杆向前移动压缩撑开网，使撑开网缓慢向外撑开；当撑开网撑开到预定大小时拔出外六方扳手，此时将锁紧阀旋入螺旋刀片主体第三部分的内螺纹中，并用内六方扳手旋动并锁紧(图1)。锁紧原理为旋紧顶出螺母，带动四点顶出杆压缩撑开网并发生膨胀挤压，保护套筒内壁使其无法移动。
此研究通过对NFNSB和PFNA固定股骨转子间骨折的有限元研究，比较两者的生物力学特性。通过有限元研究分析，发现在12种模型中内固定的最大等效应力分布趋势与载荷的变化相符合，作者认为这与将材料假设为均质且各项同性有关。在A1.2型股骨转子间骨折模型中，PFNA固定组在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下，内固定最大等效应力分别为176.95，324.16，477.08 MPa；NFNSB固定组在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下，内固定最大等效应力分别为93.326，236.89，393.42 MPa。在A2.2型股骨转子间骨折模型中，PFNA固定组在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下，内固定最大等效应力分别为324.49，423.63，601.92 MPa；NFNSB固定组在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下，内固定最大等效应力分别为234.82，304.48，521.87 MPa。由此可见无论在A1.2或A2.2型骨折模型中，随着在股骨头上方施加的压缩载荷的增大，内固定的整体最大等效应力随之增大。由NFNSB固定的骨折模型在3种不同载荷下均小于PFNA固定组，提示NFNSB在内固定应力上更具优势，不易发生内固定断裂等现象。
在12种模型中，股骨的最大应变值均主要集中在股骨头，这与压缩载荷的位置设置在股骨头上方相符合。在A1.2型股骨转子间骨折模型中，PFNA固定下的股骨的最大变形量在在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下，分别为10.244，20.495，30.669 mm；而NFNSB固定下的股骨最大变形量分别为9.589，19.359，29.121 mm，分别相差0.655，1.136，1.548 mm，平均值为1.113 mm。在A2.2型股骨转子间骨折模型中，PFNA固定下的股骨的最大变形量在700，1 400，2 100 N压缩载荷的作用下，分别为10.507，20.932，31.354 mm；NFNSB固定下的股骨最大变形量分别为8.431，18.937，29.372 mm，分别相差2.076，1.995，1.982 mm，平均值为2.017 mm。相对于PFNA组，NFNSB组最大应变值除主要集中于股骨头外，同时也集中在内固定上，并且其最大变形量均小于PFNA组。说明由NFNSB固定的骨折模型，其应力变形更加集中在内固定上，并且可以降低骨折模型的最大变形量，相比于PFNA系统更能起到有效的固定作用和良好的复位。
对所有模型中螺旋刀片的最大变形量进行分析，可以得出A1.2型骨折模型在不同压缩载荷下，NFNSB组较PFNA组螺旋刀片的最大变形量均减小，平均值为1.062 mm；在A2.2骨折模型中，与PFNA组相比，NFNSB组在不同压缩载荷下，其螺旋刀片的最大变形量均减小，平均值为1.891 mm。由此可见，新型内固定系统的螺旋刀片具有更强的抗压缩特性，其在股骨颈中会更加稳定，不易变形，不易发生退钉或切出。
综上所述，NFNSB固定股骨转子间骨折后，可以使应力更加集中在内固定上的同时降低内固定的最大等效应力，从而防止内固定发生断裂。此外，其螺旋刀片在股骨颈中的位移值更小，在股骨颈中更为稳定，不易发生退钉或切出等现象，更能起到有效固定和良好复位的作用。
此次研究同时存在一些不足之处，采用有限元研究的方法将实际的骨折类型简单化，同时在股骨头上方施加单向的力，并不能充分模拟出人体髋关节在运动中力的变化，并且没有评估肌肉和韧带等对模型力学的影响，具有局限性。此次研究只是通过有限元分析对NFNSB进行简单的力学分析，后续还需进一步的生物力学研究和临床试验，为这一理论结果提供更为强有力的证据。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

新型股骨颈螺旋刀片系统治疗股骨转子间骨折的有限元分析

Finite element analysis of a new femoral neck spiral blade system to treat femoral intertrochanteric fractures

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[1]	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, 2025, 29(在线): 1-9.
[2]	李良奎, 黄永灿, 王鹏, 于滨生. 颈椎前路椎体骨化物可控前移融合对后纵韧带骨化物和内植物影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(9): 1761-1767.
[3]	徐彪, 路坦, 姜亚琼, 阴玉娇. 有限元分析不同程度冈上肌断裂对肩关节应力的影响[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(9): 1768-1774.
[4]	周金海, 李江伟, 王序全, 庄颖, 赵瑛, 杨渝勇, 王嘉嘉, 杨阳, 周仕炼. 不同骨强度下全膝置换过程中发生股骨前皮质切迹的三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(9): 1775-1782.
[5]	陈曦, 汤涛, 陈铜兵, 李青, 张文. 不同内固定系统治疗股骨转子间骨折的力学稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(9): 1783-1788.
[6]	李帅, 刘桦, 商永慧, 刘义琮, 赵启航, 刘文. 安氏Ⅱ类错牙合畸形佩戴Twin-block矫治器时上颌骨的应力分布[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(5): 881-887.
[7]	周宗昊, 罗思阳, 陈佳文, 陈光能, 冯红超. 生物可吸收板与微型钛板在不同骨质下颌骨骨折固定中的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(4): 818-826.
[8]	陈倚珑, 张旭, 李红. 纤维桩联合不同冠部修复方式修复穿髓型非龋性颈部缺损牙体的力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(4): 866-871.
[9]	王磊, 李铖嵩, 张申申, 王清. 三种内固定方式治疗髌骨下极骨折生物力学特征的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(33): 7048-7054.
[10]	徐鑫, 乌日开西·艾依提, 吕刚, 买买艾力·玉山, 马志强, 马超. 复杂髋臼双柱骨折4种不同内固定方式的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(33): 7063-7071.
[11]	叶小龙, 张语暄, 富荣昌, 刘云, 玉散江·吾休尔, 艾斯卡尔·艾麦尔, 马原. 青少年特发性脊柱侧弯的三维有限元模态分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(33): 7072-7079.
[12]	马双双, 高德东, 单中书, 徐温旭, 卢陟睿. 改道重新置入椎弓根螺钉的有限元分析与生物力学验证[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(33): 7087-7095.
[13]	张子义, 覃祺, 阿里木江·玉苏甫, 刘宇哲, 玉素甫·热合曼, 冉建. 青壮年Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折3种内固定方案的生物力学分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(33): 7102-7108.
[14]	马涛, 李星, 韦亚军, 邓俊才. 斜外侧腰椎椎间融合侧方钉棒位置对节段活动度、内固定和cage应力的影响[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(33): 7165-7172.
[15]	严金涟, 许争权, 魏仁杰, 王业华. 股骨转子间骨折股骨近端防旋髓内钉置入后髋关节功能恢复及预测模型构建[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(33): 7189-7195.