股骨颈骨折常用内固定方式的生物力学研究进展

Abstract

目的

总结近年股骨颈骨折常用内固定方式的特点及其生物力学研究进展，为临床治疗此类骨折选择恰当内固定方式提供参考。

方法

查阅国内外近年股骨颈骨折内固定生物力学研究相关文献，总结研究进展。

结果

目前股骨颈骨折治疗采用的内固定方式中，3枚空心螺钉固定可以提供骨折断端滑动加压，但抗剪切力较弱，远期易出现内固定失效；动力髋螺钉及股骨近端锁定钢板具有良好的角稳定性及整体强度；内侧支撑钢板可将垂直剪切力转变为促进骨折愈合的压应力，并产生一定抗旋作用；股骨颈内固定系统可进行多轴向支撑，抗旋及抗短缩性能优异；髓内钉整体强度及失效载荷高。不同内固定方法因结构和生物力学差异，各有其适应证。

结论

目前对于股骨颈骨折内固定方式的选择尚无详细的规范指导，临床上应根据患者骨折类型来选择合适方式。

股骨颈骨折是一种常见的关节创伤，约占全身骨折的3.58%，约占股骨近端骨折的50%^[1]。由于股骨颈骨折的解剖学特点和生物力学复杂性，术后易发生股骨头坏死、骨不愈合等并发症，被称作“尚未解决的骨折”^[2-3]。近年来，随着科学技术的发展，学者们针对股骨颈骨折研发了多种内固定方式，其术后效果与内固定物生物力学性能密不可分。现回顾近年相关研究报道，总结常用内固定方式特点及其生物力学研究进展，为临床治疗股骨颈骨折选择合适的内固定方式提供参考依据。

1. 髋关节解剖结构及生物力学

髋关节是由股骨头和髋臼组成的球窝关节，是人体最大的承重关节。股骨近端的皮质骨和松质骨的材料属性均为各向异性，骨强度取决于力的方向，骨组织抗垂直压缩力相较于抗拉力和抗剪切力更强。应力可刺激诱导骨重塑，沿着日常负重和行走过程中最大应力方向可以发现增厚的张力、压力骨小梁及股骨距结构。股骨距位于股骨近端颈干交界处骨松质内，为股骨颈后侧至小转子后部的纵向致密骨板。髋部应力主要通过骨骼结构和附着在大、小转子上的髋周肌肉韧带来平衡。肌肉是维持身体平衡和完成运动的重要部分，人在单腿站立时需要作用在股骨近端的臀中肌来平衡体质量，大转子至髋关节中心的力臂与身体重心至髋关节中心的力臂比例约为1∶2，所以通常需要2倍于体质量的肌力来维持髋部平衡^[4]。在平地行走或者跑步时，人体重力与髋部周围肌肉韧带等组织作用在髋关节的合力可达到体质量的3～5倍^[5]。股骨颈发生骨折后，股骨近端的力学传导结构被破坏，需手术重建恢复解剖关系。

2. 股骨颈骨折的生物力学

从生物力学分析，股骨颈骨折的发生与作用于股骨近端的载荷力大小、方向及部位有关。当载荷力超过骨骼所能承受的强度就会发生骨折，对大转子的直接或间接暴力（作用于腿部的扭转暴力）也可导致股骨颈骨折。由于股骨近端力线分布的特殊性，髋关节的垂直载荷并不是通过股骨颈中心线传导，而是通过小转子及股骨颈内缘向下传导，并在股骨头处产生弯矩，在股骨颈上部形成较大张力，所以通常股骨颈上部张力是导致骨折的初始因素。因此，在垂直方向上受到超重负荷时，最常见的骨折起始部是股骨颈部上外侧，此种情况易形成垂直型股骨颈骨折^[6]。而在水平方向对大转子部位的直接暴力易导致股骨颈压缩性骨折，一般为股骨颈基底部骨折或转子间骨折^[7]。

骨折的发生与暴力大小、骨解剖结构、皮质骨厚度及密度相关^[8]。当股骨颈长度增加或骨皮质厚度及颈部横截面减小时，骨折风险会相应增加^[9]。近年，青壮年股骨颈骨折发生率呈上升趋势，主要是由高处坠落、交通事故等高能量损伤所致。这种高能量损伤引起的骨折往往会出现严重移位，骨折断端纵向剪切力较大，术后极易发生骨不愈合、骨缺血性坏死和内固定失效等并发症，因此需要选择正确的内固定方式。

3. 股骨颈骨折常用内固定方式的生物力学

骨折治疗旨在恢复正常解剖关系并有效固定，从而为骨折愈合创造有利生物力学环境。目前股骨颈骨折内固定方式较多，如空心螺钉（cannulated screw，CS）、动力髋螺钉（dynamic hip screw，DHS）、内侧支撑钢板（medial buttress plate，MBP）、股骨近端锁定钢板（proximal femoral locking plate，PFLP）、股骨颈内固定系统（femoral neck system，FNS）、股骨髓内钉（cephalomedullary nail，CMN），表1总结了各种股骨颈骨折常用内固定方式的优缺点和适应证。在固定股骨颈骨折时，内固定物不仅需要提供足够的机械稳定性，还需要承受一定张力、抗剪切力和抗压缩力，同时在骨折愈合前不能出现内固定物疲劳断裂等失效情况。

表 1.

Advantages, disadvantages, and indications of internal fixation for femoral neck fracture

股骨颈骨折常用内固定方式的优缺点及适应证

内固定方式 Internal fixation	优点 Advantage		缺点 Disadvantage		适应证 Indication
CS	半螺纹加压结合平行滑动加压机制，操作简单，创伤小		抗剪切力较弱，内固定易失效，易出现股骨颈短缩、股骨头坏死		Pauwels Ⅰ、Ⅱ型骨折
DHS联合抗旋螺钉	骨折端滑动加压结合角稳定固定，整体强度高		侧方固定钢板较长，创伤大，易出现股骨颈短缩，主钉有切割效应		基底部骨折、Pauwels Ⅲ型骨折
MBP联合CS	转变应力促进骨折愈合，抗旋性能强，整体强度高，防止髋内翻		需切开复位，手术创伤大，有进一步损伤血管风险		复位困难的Pauwels Ⅲ型骨折
PFLP	初始稳定性高，轴向刚度高，角稳定性强		创伤较大，内固定易失效、螺钉断裂及松动发生率高		Pauwels Ⅲ型骨折、粉碎性骨折
FNS	多轴向支撑，能有效抗旋、抗短缩及抗髋内翻，创伤小		骨量要求高，抗剪切力相对不足，开发使用时间短，远期疗效需进一步验证		Pauwels Ⅰ、Ⅱ型骨折，青壮年骨折
CMN	整体强度高，能抗旋、抗剪切力，失效载荷高		干扰髓腔，损伤较大，隐性失血较多		基底部骨折

3.1. CS

CS是目前股骨颈骨折内固定治疗的主流方式^[10]，其优势为对软组织损伤相对较小、可最大程度保留股骨头血供，多枚CS可以提供抗扭转力，对术者的手术技术要求低，手术时间也相对较短^[11]。目前，临床主要采用3枚CS 以倒三角形固定股骨颈骨折^[12]。该固定方法不仅扩大了内固定截面面积，而且三角形截面具有良好抗旋能力，能将股骨头上部压力集中在更适合负重的股骨距。多项研究证实^[13-14]，相对于其他构型，倒三角形排列固定方式不仅能起到一定防旋效果，其平行滑动加压机制还能保证骨折端紧密接触并起到动力性加压作用，有利于早期功能锻炼和骨折愈合。对于骨质疏松患者，在螺钉末端添加垫圈可以防止螺钉穿透外侧皮质，提高螺钉扭矩及对股骨头的把持力，使固定更稳定^[15]。但对于PauwelsⅢ型股骨颈骨折，由于垂直剪切力较大，CS抗剪切力不足，术后易发生颈干角丢失、股骨颈短缩、内固定失效等并发症。

目前，研究从改变螺钉直径、数量、螺纹类型、固定构型等方面来提高CS固定的生物力学性能。① 在螺钉直径方面，楼宇梁等^[16]的研究表明采用直径为6.5 mm或8.0 mm的CS固定股骨颈骨折后，两者愈合时间及术后股骨头坏死等并发症发生方面，差异无统计学意义。② 在螺钉数量方面，何晓君等^[17]采用15例冰冻人股骨标本制备不同Pauwels角的股骨颈骨折，分别使用2枚或3枚CS固定，观察生物力学稳定性，结果表明对于Pauwels Ⅲ型骨折，2枚CS固定在稳定性及抗旋方面均表现不足。但是并非螺钉越多越好，有研究发现增加第4枚CS并未体现出生物力学优势，可能是螺钉植入孔增多削弱了外侧壁力学强度^[18]。而且有学者认为增加CS数量势必破坏更多股骨头内血运，导致术后并发症发生^[19]。③ 在螺纹类型方面，Zhan等^[20]的有限元分析研究发现半螺纹螺钉具有更好的加压效果，而全螺纹螺钉则具有更好的抗剪切力和预防股骨颈短缩作用。无头螺钉、自压缩螺钉及组合螺钉相较于传统CS在初始稳定性方面表现更佳，但远期效果仍需进一步观察^[21]。④ 在螺钉固定构型方面，Filipov等^[22]创新性提出F形CS技术，其最下方的螺钉在冠状面与股骨干轴线角度较大，与另外2枚形成双平面支撑。此种构型可以提供恒定的固定强度，相较于倒三角形固定可明显减少扭转应力和剪切力，为骨折愈合提供良好的生物力学环境^[23]。

3.2. DHS

DHS是一种髓外钢板装置，由带套筒的钢板和1枚滑动螺钉组成，利用固定于股骨外侧的钢板为股骨颈内滑动螺钉提供角稳定作用，可维持固定颈干角。滑动螺钉使骨折断端接触紧密，有利于骨折愈合。多项生物力学研究表明DHS在抗剪切力、固定强度、角稳定性方面均优于CS，但单独使用DHS的抗旋能力较弱^[24-26]。有学者将拉力螺钉改进为刀片设计，但未显示更多的生物力学优势^[27]。有学者提出在拉力螺钉上方加用1枚平行松质骨螺钉，不但可以增加抗旋性能，还可以加强骨折端加压作用，改善轴向及旋转稳定性，减少内固定失败的发生。Samsami等^[28]通过有限元分析证明，在骨折愈合早期DHS联合抗旋螺钉可以提供更合适的生物力学环境，缩短骨折愈合时间。Bliven等^[29]采用尸体骨模型进行生物力学试验， 结果提示DHS联合抗旋螺钉具有更高的整体强度和生物力学稳定性，而CS 固定后内翻塌陷发生更多。虽然体外生物力学试验显示DHS联合抗旋螺钉组合固定骨折效果更佳，但Zhang等^[30]的回顾性队列研究发现该固定方式术后股骨头坏死和股骨颈短缩发生率较高，其原因可能是DHS持续加压特性使骨折断端骨吸收增强，并且该固定方式过多地破坏了股骨头内血运。

3.3. MBP

股骨颈骨折内固定时，MBP放置于股骨近端内侧，有限元分析研究证明其不仅具有抗滑、抗旋性能，还能将骨折断端的剪切力转变为促进骨折愈合的压应力，可以为骨折提供良好的生物力学环境^[23]。对于Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折，内固定能够抵抗垂直剪切力是成功治疗的关键，但现有固定方法均不能在股骨颈下内侧提供对抗剪切力的支撑。Ye等^[31]的临床研究表明，3枚CS联合MBP治疗Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折后，骨折愈合率较单纯使用CS明显提高。该治疗方法具有优异的生物力学强度，其在抵抗垂直剪切力的同时，还具有一定抗旋性能，是近年来较新的固定方式之一。一项生物力学研究显示，采用MBP加强固定的股骨颈结构具有明显更高的刚度和破坏载荷^[32]。Giordano等^[33]利用人工骨骨折模型研究显示，与单纯3枚CS固定相比，3枚CS联合MBP固定Pauwels Ⅲ型股骨颈骨折后，骨折断端移位更小、稳定性更强，原因可能是MBP将剪切力转化为压应力，增强了CS固定效果。一项回顾性研究显示3枚CS联合MBP并不会增加骨坏死率及不愈合率，尤其是PauwelsⅡ、Ⅲ型骨折，通过解剖复位和稳定内固定治疗年轻患者移位股骨颈骨折可获得满意疗效^[34]。

3.4. PFLP

股骨颈骨折内固定时，PFLP放置于股骨近端外侧，近端一般使用3枚锁定螺钉植入股骨颈进行固定，远端固定于股骨干。该方法利用了钢板固定的稳定性，对骨折端固定牢固，与DHS和CS相比，PFLP固定骨折具有更好的初始稳定性。多项研究显示，PFLP的轴向刚度、角稳定性及破坏载荷等性能优势明显^{[29, 35-36]}。然而，PFLP的临床应用效果却不尽如人意^[37]，术后螺钉断裂或松动发生率较高，分析原因包括钢板放置不当、骨折端加压不足、患者骨质较差、锁定螺钉植入位置不准确、固定刚性过强致骨折断端切割等^[38-39]。Wang等^[40]设计了一款新型锁定钢板系统，其不仅能较好地抵抗剪切力，还具有坚强的角稳定性，降低了术后股骨颈短缩发生风险，但应用效果需要进一步行生物力学试验和临床研究。

3.5. FNS

FNS是近年来新研发的内固定物，旨在结合现有不同内固定方式的优点，具有较好的角稳定性、微创植入及减少骨破坏等特点^[41]。该固定方式旨在通过初始骨折端加压来促进骨折愈合，通过分叉拉力螺钉产生多轴向支撑力，有效抵抗股骨头内翻旋转及股骨颈短缩。Schopper等^[42]的模拟力学试验显示FNS具有更好的抗内翻性能和维持颈干角稳定。Stoffel等^[25]的一项生物力学试验示，在不稳定股骨颈骨折模型中，FNS相较于 3枚CS具有更高的整体结构稳定性，相较于DHS具有更强的抗旋性能，创伤破坏更小，这种优势在临床应用中能够获益更多。

3.6. CMN

CMN可以提供较长的髓内支撑，最大优势在于能将骨折断端剪切力传递并分散给股骨干皮质骨，为骨折提供足够的生物力学强度，在对抗剪切力、抗旋、抗结构性位移方面具有明显优势，特别是应用于不稳定型基底部骨折^[43]，能达到术后早期负重的目的。一项研究表明，与DHS、CS相比，CMN固定股骨颈骨折的强度更大、失效载荷更高^[44]。Guo等^[45]认为髓内固定方式具有力臂及力矩小的生物力学特点，使其固定更牢固。采用CMN固定的优势是生物力学稳定性强，但是缺点也很明显，对于股骨近端髓腔干扰较大，组织损伤以及隐性失血较多。

4. 小结与展望

随着医学技术的发展，近年来股骨颈骨折的内固定方式层出不穷。良好的力学环境是骨折愈合必要条件，内固定物需具有对骨折断端加压、抗剪切力和提供角稳定性作用，但过多追求角稳定性，也易出现固定失效。如PFLP虽然角稳定性能力突出，但实际临床应用效果却差强人意。目前股骨颈骨折主流治疗方法是使用3枚CS以倒三角形固定，但对于Pauwels Ⅲ型骨折抗剪切力不足，远期容易出现内固定失效、股骨头坏死、股骨颈短缩等严重并发症^[46]。FNS和DHS联合抗旋螺钉具有良好的抗旋转及角稳定性，在生物力学上表现突出。CMN能够提供足够的生物力学强度，特别是对股骨颈基底部骨折、骨质疏松患者有明显优势。对于骨折情况较复杂、需切开复位的患者，MBP结合3枚CS的治疗方法则更加合适。

综上述，每种内固定方式均有优势及局限性，目前对于内固定方法的选择还没有详细的规范指导，选择哪种内固定方式对患者获益最大尚无统一定论，仍需大量临床研究进一步探索。

利益冲突　在课题研究和文章撰写过程中不存在利益冲突；经费支持没有影响文章观点及其报道

作者贡献声明　王富洋：综述构思及框架建立，收集相关文献，文章撰写；刘宇宸：文章修改整理、分析总结；程亮亮、赵德伟：对文章的知识性内容作批评性审阅，并提出重要参考意见

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