宋丹丹 蔡震海 陈刚 尹海波 何晓君

股骨颈骨折是常见的髋部骨折之一，而Pauwels分型对骨折愈合的生物力学评价具有重要意义［1］。此类骨折术后骨不愈合及骨坏死发生率分别达到16%~59%及11%~86%［2］。内固定治疗是股骨颈骨折的治疗方式之一。传统内固定方式有多枚空心螺钉、动力髋螺钉（DHS）以及股骨近端锁定钢板等。其中，多枚空心钉固定存在固定不牢靠缺乏角稳定特性、抗剪切力差的缺点［3］；动力髋螺钉虽然为角稳定装置但抗旋转力差，且其植入股骨颈内的螺钉直径过大对股骨头血运破坏严重，易发生股骨头缺血坏死［4］；而锁定钢板目前临床应用结果也不理想，应力较集中，发生骨不愈合及股骨头切割的现象较多等［5-6］。本研究通过结合原内固定物的优点，设计一种新型内固定装置，并通过三维有限元分析该新型内固定装置固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的力学模型与原有内固定方法（三枚空心钉、DHS、股骨近端锁定钢板）进行比较，评估新型内固定器固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折的力学稳定性。

1 材料和方法

1.1 材料 （1）内固定物：空心螺钉、角度器、锁定板、滑动加压钉、拉力螺钉。4种内固定方式：三枚空心螺钉、DHS、股骨近端锁定板、髓内动力髋螺钉。（2）器材：硬件：GE螺旋CT、个人PC（联想）。软件：Mimics 21（Materialise公司），Geomagic studio X 2016（Geomagic公司），Solidworks 2018（SolidWorks公司），Ansys workbench 18.2（ANSYS公司）。

1.2 实验方法 （1）三维模型重建及有限元模型建立：对志愿者股骨进行CT扫描，将CT扫描得到的DICOM源文件导入Mimics软件中重建股骨上段的三维模型，导出STL文件。将STL文件导入Geomagic软件进行优化及光滑操作，导出STP文件并导入Solidworks软件，在Solidworks软件中以股骨颈处与水平面成75°模拟Pauwels Ⅲ型骨折进行截骨处理。在Solidworks软件中根据相关参数（厂家提供）重建4种内固定装置的三维模型，并按照各自手术操作标准，装配4种内固定模型（见图1），各内固定植入物主要尺寸见表1。将模型导入Ansys workbench软件进行有限元分析。网格划分的原则是在保证计算精度的基础上，最大限度的降低网格数量，从而降低计算时间。本次模拟中，使用的单元共包括以下4种：三维10节点二次四面体单元（Solid187）、三维20节点二次六面体单元（Solid186）、接触单元（目标面，Targe170）、接触单元（接触面，Contact174）（见图2）。（2）材料赋值、边界设定及添加载荷：赋予各个部件材料属性（所有内固定结构均采用TC4材料），见表2。设定股骨底部为固定端，无任何方向的位移和旋转。内固定与股骨之间为绑定接触，股骨颈骨折断面间为摩擦接触，摩擦系数设定为0.23［7］。然后在股骨头上表面施加580N载荷，方向竖直向下［8］（见图3）。（3）评价方法：经过有限元分析，将4中内固定方式模型中，股骨位移、最大应力值及应力分布汇总分析。

图1 4种内固定方式模型：股骨近端锁定板（A）、DHS（B）、三枚空心螺钉（C）、髓内动力髋螺钉（D）

表1 各内固定植入物的主要尺寸

表2 有限元计算中各种材料的属性

图2 网格（单元）划分

图3 载荷和固定边界条件

2 结果

在相同载荷下，在pauwelss Ⅲ型骨折中，在相同的载荷580N下，股骨位移峰值：髓内动力髋螺钉<股骨端锁定钢板

表3 不同内固定方式下股骨应力峰值和位移峰值

3 讨论

Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折多发生于中老年患者，占所有髋部骨折的3%左右，多因高能量损伤导致［9］。此类患者骨折端具有较大的剪切力和张力，且此剪切力和张力对骨折产生极为不利影响，术后骨不连，骨坏死及内固定失败等发生率较高。据最近一项Meta分析指出：该类患者再手术率近18%，骨不连率9%，缺血性坏死率达14%，内固定失败率约10%［10］。而既往研究多围绕解剖复位，减少创伤，坚强内固定等方面展开，忽视骨折本身生物力学特性，进而导致较高的并发症及内固定失败发生。因此，相关学者［11］及AO协会［12］指出此类骨折内固定应尽量满足以下条件：①抵抗骨折端的剪切力及弯应力；②增加轴向加压力；③尽可能减少对股骨头等组织的创伤。

关于股骨颈骨折的最优内固定，目前尚无定论。临床上较常见的传统内固定方式有：多枚空心螺钉、DHS（动力髋螺钉）以及股骨近端锁定钢板等，且各具优缺点。其中，三枚空心螺钉“倒三角”置入是目前临床上应用较为广泛的一种固定方式。该固定方式具有一定的抗剪切力及抗旋转力，并提供轴向加压［13］。但临床研究显示，因为空心钉置钉方向并不完全与此型骨折线垂直，骨折端的轴向加压力仅为压缩力的分力，另一分力则加大骨折端的剪切力，导致把持力不够，后期易出现骨折移位、退钉、髋内翻等稳定性差的表现发生。本研究得出类似结果：相同载荷条件下，与其他三类内固定方式相比，虽然骨折端产生较大应力，但部分转化为剪切力，导致股骨位移最大，且峰值均位于股骨头处，显示空心螺钉置入的稳定性较另外三种内固定器差。DHS虽具有较好的生物力学稳定性，其股骨位移较空心螺钉显著减小，但临床应用上因其对股骨头血供破坏较大，同时单枚拉力螺钉抗旋转能力较差，术后骨坏死的发生率较其他内固定方式高，临床随访结果也证明如此［4］。股骨近端锁定钢板近年来已逐渐开展使用，具有较强的加压、抗旋转作用，且位移较小，稳定性也较空心螺钉及DHS两种内固定物强。但有限元分析显示该方式固定应力较集中，在临床使用时易导致骨小梁微骨折、股骨头塌陷，增加股骨头坏死几率，同时易发生钢板断裂等不良后果。相比以上三种内固定器，髓内动力髋螺钉显示出生物力学上的优势。髓内动力髋螺钉在四种内固定器中位移最小，稳定性最好，且具有较强应力，对骨折端产生较强的轴向应力，持续加压，利于骨折的愈合；同时应力相对分散，理论上降低骨坏死发生率。但尚需临床的应用及随访结果进一步验证。

近年来，关于Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折内固定方式研究主要围绕生物力学展开。相关研究已经显示；DHS 在骨折端的持续加压作用方面较有优势［14］。但其应力分布相对集中且抗旋作用不足。FREITAS［15］及SAMSAMI等［16］提出以动力髋螺钉联合空心钉固定治疗股骨颈骨折，可起到防旋作用，且得到比较好的临床随访结果。也有报道指出，髓内钉固定远期较动力髋螺钉固定更优良，且显著增强髋关节轴向负荷，具有较好的力学稳定性，适用于中青年不稳定型股骨颈骨折患者［17］。本资料结果表明，髓内动力髋螺钉具有理论上的轴向加压、防旋稳定性及对血供破坏较少的优点。

综上所述，Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折是一种对内固定生物力学要求较高的骨折类型，三枚空心螺钉在防旋作用上具有优势，但稳定性较差；DHS和股骨近端锁定钢板稳定性较好，但应力相对集中；髓内动力髋螺钉在生物力学及损伤程度上均证明是一种较佳的固定方式。但仍需临床应用随访验证。