有限元分析3种内固定方式治疗伴有内侧骨缺损的C3型股骨远端骨折

Abstract

Objective

Managing 33-C3 femur fractures with medial wall bone defects poses a significant challenge for orthopedic surgeons. The gold standard treatment for arbeitsgemeinschaftfür osteosynthesefragen (AO)/orthopedic trauma association (OTA) 33-C3 distal femur fractures with medial wall bone defects remains elusive. This study employs finite element analysis to compare the stability and mechanical behavior of 3 internal fixation patterns (single lateral distal locking plate, retrograde intramedullary nail, and dual plates) for 33-C3 femur fractures with medial wall bone defects. The aim is to provide a theoretical basis for the selection of internal fixation modalities in clinical practice.

Methods

Enrollment included a 43-year-old male volunteer weighing 60 kg, without a history of femur fracture. Bilateral femur normality was verified through X-ray and CT scan assessments. A finite element simulation model of AO/OTA 33-C3 distal femur fracture with medial wall bone defect was established. Three fixation methods, named single lateral locking plate (single-plate group), retrograde intramedullary nail (retrograde intramedullary nail group), and dual plates (dual-plate group), were evaluated using finite element analysis under an axial load of 300 N. The assessment included an examination of von Mises stress distribution, shear stress, and displacement patterns at the internal fixation and femur fracture sites.

Results

The finite element analysis revealed that dual-plate fixation effectively reduced the concentration of von Mises stress at the plate on the fracture site. Under full weight-bearing conditions, the maximum von Mises stress in the implants occurred at the distal femur defect level, with values of 149.30, 59.281, and 58.03 MPa for single-plate fixation, retrograde intramedullary nail, and dual-plate fixation methods, respectively. Similarly, the maximum shear stress in the implants was 77.867, 30.136, and 33.505 MPa for single-plate fixation, retrograde intramedullary nail, and dual-plate fixation methods, respectively, all presenting at the distal femur defect level. The maximum relative displacements of implants during compressive loading were 1.34, 1.25, and 0.83 mm for the single-plate, retrograde intramedullary nail, and dual-plate groups, respectively. Consistently, the maximum loading-point displacements of fracture sites were 1.529, 1.264, and 0.880 mm for the single-plate fixation group, retrograde intramedullary nail group, and dual-plate fixation group, respectively. Furthermore, at the distal femur defect level, the maximum von Mises stress was 72.682, 112.430, and 40.716 MPa for the single-plate, retrograde intramedullary nail, and dual-plate fixation groups, respectively.

Conclusion

Dual-plate fixation demonstrates superior biomechanical outcomes and exhibites the lowest maximum von Mises stress and shear stress, along with minimal relative movements between fracture fragments. This configuration offers optimal mechanical stability for managing AO/OTA 33-C3 distal femur fractures with medial wall bone defects. Consequently, dual-plate fixation emerges as a better treatment strategy for patients presenting with comminuted intra-articular distal femur fractures accompanied by medial wall bone defects.

股骨远端骨折是指在股骨远端关节面15 cm内发生的骨折，其发病率占股骨骨折的3%~6%，约占全身骨折的1%^[1]。流行病学研究^[1]表明股骨远端骨折发病年龄呈“双峰状”分布，分别好发31~50岁中青年人群和60岁以上老年人群。交通事故、高处坠落等高能量损伤导致的股骨远端骨折多为C2/C3型骨折，骨折大多累及膝关节面和股四头肌伸肌装置，常伴有股骨内侧骨质缺损及严重软组织损伤。伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折难以实现稳定固定，术后极易出现膝关节僵硬、骨折不愈合、延迟愈合、内固定断裂及创伤性关节炎等并发症，预后差。尽管近年来内固定设计和手术技术均有巨大进步，但是股骨远端骨折不愈合率仍然高达18%~20%，60岁以上老年人群股骨远端骨折1年内病死率高达35%^[2]，因此如何有效治疗股骨远端骨折仍是骨科医师面临的巨大挑战。治疗伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折的内固定方式是目前的研究热点。

切开复位锁定接骨板或髓内钉固定是目前治疗股骨远端C3型骨折的主流方式^[3]。伴有内侧壁缺损的股骨远端粉碎性骨折是股骨远端C3型骨折中的一类特殊类型，由于股骨内侧皮质是对抗内翻应力的主要解剖结构，因此是否有效恢复该部位完整性与改善患者预后密切相关。无论是股骨远端外侧解剖锁定接骨板还是逆行髓内钉均无法有效恢复内侧骨性支撑，术后内翻畸形、内固定失效及骨折不愈合的发生率高达32%^[4]。目前，国内外学者对伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折的治疗方式存在较大争议。Liu等^[5]报道内外侧双锁定钢板治疗股骨远端C2/C3型骨折的愈合率显著高于外侧单锁定钢板固定。Nino等^[6]采用逆行髓内钉治疗16例股骨远端C3型骨折，平均随访16个月后均获得骨性愈合。

然而，关于双钢板、外侧单钢板和逆行髓内钉治疗伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折的生物力学分析研究较少。因此，本研究对上述3种固定方式进行建模和有限元分析，旨在比较3种固定方式治疗伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折的生物力学特性，找出生物力学最优的内固定方式，为临床治疗伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折提供理论依据。

1. 对象与方法

1.1. 对象

招募1名43岁男性志愿者，身高173 cm，体重60 kg，无股骨骨折及骨病病史，股骨X线及CT检测表明骨质条件无异常。本研究获得志愿者知情同意，并通过中南大学湘雅二医院医学伦理委员会批准(审批号：2023985)。

1.2. 获取正常人的股骨完整三维图像

经64排螺旋CT(德国西门子公司)对志愿者的股骨全长进行层厚1 mm的断层扫描，将图像以DICOM格式文件存储到医学三维重建软件Mimics 16.0软件中(图1)。Hu阈值设为226~3 071，经阈值分割和区域增长建立股骨全长三维模型，并以STL格式文件导出。股骨STL格式模型文件导入逆向工程软件Geomagic Studio 12.0(美国Raindrop Geomagic公司)，对问题曲面进行手动删除、修改和编辑处理得到精确曲面模型，最终实体化并转化为股骨STP格式模型。

图1.

Mimics软件重建的股骨全长三维模型

Figure 1 Construction of three-dimensional model for femur via Mimics software

A: Coronal view of femur bone; B: Axial view of femur bone; C: Sagittal view of femur bone; D: Three-dimensional model femur.

1.3. 建立伴内侧骨缺损股骨远端C3骨折-内固定系统有限元模型

将Geomagic Studio 12.0逆向工程软件处理后的股骨模型导入三维绘图软件Creo Parameter中，建立坐标系以便后续计算。根据股骨远端骨折伴有内侧骨缺损的股骨远端(arbeitsgemeinschaftfür osteosynthesefragen/orthopedic trauma association，AO/OTA)分型，建立股骨远端C3型骨折模型。对模型进行切断处理模拟股骨远端C3型骨折伴内侧骨缺模型。根据中国威曼生物材料有限公司提供的内植物数据，根据实验设计将内固定方式分为3组：股骨远端外侧解剖钢板(单钢板组)、逆行髓内钉(逆行髓内钉组)以及内外侧双钢板(双钢板组)。使用SolidWorks 17.0软件(法国达索公司)将股骨皮质和松质骨进行组配，股骨远端逆行髓内钉、外侧解剖锁定钢板及内侧锁定钢板系统模型，并与股骨远端C3型骨折伴内侧骨缺损模型进行装配。

1.4. 有限元计算伴内侧骨缺损股骨远端骨折-内固定系统三维实体模型

将1.3中装配后的股骨模型导入Ansys Workbench后按照图2角度建立坐标系，进行有限元计算。

图2.

3种不同内植物固定伴有内侧骨缺损股骨远端C3型骨折的三维模型

Figure 2 Geometric three-dimensional models of 3 internal fixation patterns for distal type C3 femur fracture with medial wall bone defects

A: Single lateral distal femoral locking plate fixation model; B: Distal femoral retrograde intramedullary nail fixation model; C: Dual plates fixation model.

1.4.1. 赋值材料属性

模型中股骨及内固定均设定为均质、各向同性、连续的弹性材料。将皮质骨、松质骨、钛和钛合金的弹性模量分别设置为16 800，62 000，65 000和11 000 MPa。皮质骨、松质骨、钛和钛合金的泊松比分别为0.30，0.29，0.33和0.33。

1.4.2. 接触设置

本研究中髓内钉、钢板系统和股骨实际装配使用时，视为紧密连接而且不发生相对滑动，故髓内钉、钢板系统和股骨之间设为固定接触(图3)。

图3.

接触设置

Figure 3 Contact settings

Bonded contact was used to simulate the contact properties in the femur and single plate (A), retrograde intramedullary nail (B), and dual plates (C) fixation.

1.4.3. 设置边界条件及受力载荷

通过软件的载荷模块，对组配后的股骨模型近端设置为完全固定。即x、y、z这3个方向位移自由度为0。对股骨远端进行竖直向上的300 N加载，模拟体重60 kg成年人在正常行走步态时单足中立位受力情景(图4)。

图4.

边界条件及载荷设置

Figure 4 Boundary conditions and loading force settings

Freedom of all nodes at the proximal femur was set to zero. A preload of 300 N force was applied vertically on the distal femur.

1.5. 评价指标

通过网格划分建立有限元模型(图5)，同时采用Mises强度理论进行校核，分别获得内植物的应力云图、剪切力和位移云图，股骨应力以及骨折端的位移云图。应力最大值为部件薄弱点，计算股骨骨折端以及内固定系统最大Mises应力及位移，以评估内固定断裂风险和骨折端骨质吸收可能，对3种植入方案的生物力学稳定性进行比较。

图5.

网格划分

Figure 5 Mesh distribution

A: Appearance diagram in single lateral distal femur locking plate fixation model; B: Retrograde intramedullary nail fixation model; C: Dual plates fixation model.

2. 结 果

2.1. 内植物的应力分布及峰值

由于股骨内侧伴有骨皮质缺损，缺乏内侧支撑，3种内植物固定模型均在骨折端附近出现应力集中趋势，并且应力峰值均出现在内侧骨缺损处对应的钢板或髓内钉处，其中单钢板组的应力分布最为集中(图6)。单钢板组内植物应力峰值最大(149.300 MPa)；双钢板组的应力分布范围最广泛，在内外侧钢板均匀分布，应力峰值最小(58.038 MPa)；逆行髓内钉组的应力分布范围介于双钢板和单钢板组之间，应力峰值为59.281 MPa。

图6.

3种不同内固定模型中内植物的应力分布

Figure 6 Von Mises stress distribution on models fixed with the indicated implant A: Single lateral distal femur locking plate fixation model; B: Retrograde intramedullary nail fixation model; C: Dual plates fixation model.

2.2. 内植物的位移分布及峰值

3种内固定模型的内植物的位移分布见图7，单钢板组、逆行髓内钉组和双钢板组的内植物最大位移分布为1.3435、1.2530、0.8272 mm。

图7.

3种不同内固定模型中内植物的位移分布

Figure 7 Displacement patterns of implants in 3 internal fixations models A: Single lateral distal femur locking plate fixation model; B: Retrograde intramedullary nail fixation model; C: Dual plates fixation model.

2.3. 骨折端的位移分布及峰值

3种内固定模型中骨折端各部分的位移分布图如图8所示。单钢板组、逆行髓内钉组和双钢板组骨折端的最大位移分别为1.528、1.264、0.880 mm，双钢板组的骨折端位移最小，表明骨折-内固定系统最稳定；相反，单钢板组的骨折端位移峰值最大(表1)。

图8.

3种不同内固定模型中骨折端的位移分布

Figure 8 Displacement patterns of the femur in 3 internal fixation models A: Single lateral distal femur locking plate fixation model; B: Retrograde intramedullary nail fixation model; C: Dual plates fixation model.

表1.

不同模型中骨折端各部位的位移峰值和股骨应力峰值

Table 1 Maximum displacement of fracture ends and maximum stress of femur in indicated groups

组别	股骨远端内髁位移峰值/mm	股骨远端外髁位移峰值/mm	股骨干侧位移峰值/mm	股骨应力峰值/MPa
单钢板组	1.519	1.528	0.721	72.682
逆行髓内钉组	1.264	1.252	1.164	112.430
双钢板组	0.852	0.880	0.637	40.716

2.4. 股骨应力分布云图

3种内固定模型中股骨应力分布如图9所示，当股骨远端表面施加模拟负荷时，股骨最大应力部位集中在股骨远端骨折处外侧。外侧单钢板组模型股骨的最大应力为72.682 MPa，逆行髓内钉组的股骨最大应力为112.430 MPa，双钢板组的最大应力为40.716 MPa。

图9.

3种不同内固定模型中股骨应力分布

Figure 9 Stress distribution of the femur in 3 internal fixation models

A: Single lateral distal femur locking plate fixation model; B: Retrograde intramedullary nail fixation model; C: Dual plates fixation model. The arrow indicats the position of femur with max stress during finite element analysis.

2.5. 内植物剪切应力分布

3种内固定模型中内植物剪切应力分布如图10所示。内植物剪切应力均在骨折部位集中，其中外侧单钢板组的最大剪切应力为77.867 MPa，逆行髓内钉组的最大剪切应力为30.136 MPa，双钢板组的最大剪切应力为33.505 MPa。

图10.

3种不同内固定模型中内植物的剪切力分布

Figure 10 Shear stress distribution fixed with the indicated implant in 3 internal fixation models A: Single lateral distal femur locking plate fixation model; B: Retrograde intramedullary nail fixation model; C: Dual plates fixation model.

3. 讨 论

本有限元分析结果表明在伴有内侧皮质骨缺损的股骨远端C3型骨折中，双钢板固定体系的内植物应力分布及骨折端稳定性具有明显优势，逆行髓内钉固定方式的生物力学稳定性要优于单钢板固定方式。因此，采用双钢板固定方式治疗伴有内侧皮质骨缺损的股骨C3型骨折无疑能有效降低内固定失效的风险。

伴有内侧皮质骨缺损的股骨远端C3型由于在内侧支持结构不完整，偏心负荷导致骨折断端存在极大的内翻应力和不稳定性^[5]。传统的单一外侧锁定钢板治疗股骨远端C3型骨折无法提供足够的稳定性，存在较高的骨折不愈合率和内固定失效率。一项回顾性研究^[7]分析外侧锁定钢板治疗27例C3型股骨远端骨折，发现6例患者发生内固定断裂且均出现内侧塌陷伴5°~10°的内翻畸形。Bologna等^[8]回顾性报道13例股骨远端C2/C3型骨折患者，经外侧锁定钢板治疗后，9例患者出现骨折不愈合或延迟愈合，骨折愈合困难发生率高达69%。另有研究^[9]报道采用外侧锁定钢板治疗62例股骨远端骨折患者，其中13例(28%)出现术后骨折不愈合、延迟愈合和钢板失效等并发症。一项系统性综述^[10]分析2000年至2010年采用外侧锁定钢板治疗479例股骨远端骨折，发现术后骨不连、骨折延迟愈合发生率为0~32%，内固定断裂发生率为0~20%，指出75%的内固定断裂是发生在术后3个月，并认为骨折端高应力、骨折不愈合导致内固定的疲劳是出现内固定断裂的主要原因。当采用单纯外侧螺钉钢板治疗存在内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折时，由于内侧缺乏骨性支撑，纵向轴力导致骨折端内翻倾向，外侧张力侧钢板无法将压应力转变为张应力，出现外侧钢板应力集中而易断裂，导致骨折内固定失稳。与上述理论一致，本研究通过分析内固定应力图、剪切力分布和骨折端位移云图发现，单外侧锁定钢板固定模型中的内植物应力峰值、剪切力峰值和骨折端位移峰值是3种内固定模型中最大的，表明单钢板治疗伴有内侧皮质骨缺损的股骨远端C型骨折极易发生内固定失效，而出现骨不连或骨折延迟愈合。

与偏心固定的锁定钢板相比，髓内钉因其中心固定、力矩小等良好的生物力学优势，已被认为是治疗下肢骨折的金标准。研究^[11]比较锁定钢板和逆行髓内钉治疗22例股骨远端C1型骨折，发现逆行髓内钉组出现的骨折畸形愈合率和不愈合率均显著低于锁定钢板组。Nino等^[6]回顾性分析采用逆行髓内钉治疗的10例股骨远端C2型和6例股骨远端C3型骨折患者，平均随访16个月后患者骨折均获得良好愈合。与上述临床报道一致，本有限元分析结果发现逆行髓内钉固定股骨远端粉碎性骨折的骨折移位峰值、内固定应力峰值和内固定剪切力峰值分别为1.264 mm、59.280 MPa和30.136 MPa，均低于单钢板组。一方面，股骨远端逆行交锁髓内钉既能有效分散轴向应力，又能有效控制旋转；另一方面，经过扩髓，植入较粗的髓内钉能有效增加髓内钉与髓腔接触面积，进而提高了抗弯曲应力，增加整个骨折固定性。上述力学特点可解释逆行髓内钉的剪切应力峰值在3种内固定模型中最小的原因，并且内固定应力峰值和骨折端位移峰值也小于外侧单钢板固定模型。

为提高骨折稳定性及愈合率，有研究^{[8, 12-14]}采用股骨远端外侧解剖锁定钢板联合内侧钢板的双钢板固定方法治疗股骨远端C3型骨折。Bologna等^[8]发现双钢板固定组术后平均骨折愈合时间较单钢板组显著缩短，术后再次手术率显著低于单钢板组，表明双钢板固定股骨远端C3型骨折的临床效果显著优于单钢板固定。一项系统综述^[12]分析213例双钢板固定和76例单钢板固定股骨远端C型骨折，结果表明双钢板固定能显著缩短骨折愈合时间。生物力学实验同样证实双钢板比单钢板能提供股骨远端粉碎性骨折更稳定的固定。邓乡怡等^[13]发现双钢板固定尸体股骨远端C2/C3型骨折的最大抗压负荷显著高于单钢板固定，内侧平均压缩位移则显著低于单钢板固定，提示在治疗股骨远端C2型骨折中，双钢板固定较单钢板固定具有明显生物力学优势。研究^[14]采用生物力学分析双钢板与单钢板固定尸体股骨远端骨折伴缺损模型中的差异，结果表明双钢板固定的应力平均位移显著低于单钢板组，但弯曲刚度显著大于单钢板组，提示双钢板固定稳定性优于单钢板组。与上述报道相一致，本研究结果表明双钢板固定的骨折端位移峰值和内植物应力、位移峰值均低于单钢板组和逆行髓内钉组。在伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折中，双钢板固定系统的内侧钢板能发挥支撑作用，维持股骨内、外侧柱的连续性。在轴向负荷中，双钢板固定符合张力带原则，内侧钢板恢复内侧支撑，外侧钢板能有效地将股骨外侧张力转化为压应力，促进骨折愈合。相反，由于内侧皮质失去完整性，外侧单钢板或逆行髓内钉固定无法将股骨外侧张应力转变为压应力，股骨在轴向应力下容易出现内翻倾向和应力集中，导致内固定不稳，造成骨折延迟愈合或不愈合，最终出现内植物断裂。

本研究存在一定的局限性：第一，采用简化模型设置载荷，排除膝关节周围肌肉和韧带对骨折稳定性的影响；第二，为简化运算过程，本研究只分析单一的轴向载荷，必然与人体实际活动中膝关节力学传导方式不同；第三，有限元分析是一种计算机模拟结果，无法反映真实临床数据及体外生物力学实验结果。因此，需要进一步的生物力学实验明确3种内固定方式在治疗伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折中的力学特点。

综上所述，双钢板固定能有效恢复伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折中的内侧支撑，避免内植物应力集中，提供更好的骨折端稳定性。因此，双钢板固定与单钢板和逆行髓内钉固定相比具有生物力学优势，可能是治疗伴有内侧骨缺损的股骨远端C3型骨折的更好选择。

基金资助

湖南省卫生健康委员会科研计划(B202304077065)。

This work was supported by the Scientific Research Project of Health Commision of Hunan Province, China (B202304077065).

利益冲突声明

作者声称无任何利益冲突。

作者贡献

陈丁 研究设计，论文撰写；于娇娜、于洋 数据采集；严明明 研究设计，论文指导。所有作者阅读并同意最终的文本。

原文网址

http://xbyxb.csu.edu.cn/xbwk/fileup/PDF/2023111711.pdf