《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：320 mm InterTan nail optimizes biomechanics in AO/OTA 31A2.3 fractures: superior stress distribution, micromotion, and strain for enhanced healing
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本研究通过有限元分析（FEA）比较三种长度（180毫米、240毫米、320毫米）InterTan髓内钉治疗极不稳定的AO/OTA 31A2.3型股骨转子间粉碎性骨折的生物力学性能。结果表明，320毫米长钉能优化应力分布（显著降低von Mises应力21.7%–29.8%）、提供促进骨愈合的适度微动（0.325毫米处于有效微动范围0.05–0.2毫米附近）并控制应变，从而降低内固定失败风险、促进骨折愈合，为临床个性化治疗策略提供了理论依据。
引言
股骨近端骨折是常见的骨科疾病，其发病率与年龄呈正相关，高龄女性风险尤高。根据AO/OTA分型，转子间骨折属于31A2亚型，其中31A2.3型为极度不稳定的多平面粉碎性骨折（≥5个碎片），常累及内侧/后侧皮质（小转子），其强度比相对稳定的31A2.1型低约40%。目前治疗主要采用切开复位内固定，对于不稳定性骨折如31A2.3型，髓内固定系统（如PFNA、InterTan）是首选。InterTan髓内钉长度范围从180毫米到460毫米，但针对AO/OTA 31A2.3型骨折的最佳钉长尚无共识。本研究旨在通过有限元分析比较180毫米、240毫米和320毫米三种长度InterTan髓内钉在站立、慢走和下楼三种步态下的生物力学性能，为临床选择提供理论指导。
材料与方法
研究基于一名健康24岁男性志愿者的股骨CT图像，使用Mimics Research 21.0和Geomagic Wrap 2021软件重建皮质骨和松质骨三维模型，并在SolidWorks 2022中构建完整的股骨模型及AO/OTA 31A2.3型骨折模型。根据Smith & Nephew公司的Tri-Max InterTan参数，构建了180毫米、240毫米和320毫米三种长度的InterTan髓内钉模型（主钉直径9.0毫米，远端锁钉直径5毫米，加压螺钉直径10毫米，拉力螺钉直径7毫米）。将骨折模型与三种InterTan模型在SolidWorks中进行装配，并通过布尔运算生成三个有限元分析模型。随后导入Ansys Workbench 18.0的静力学结构模块，赋予材料属性（皮质骨弹性模量16800兆帕，泊松比0.29；松质骨弹性模量840兆帕，泊松比0.2；InterTan为TC4钛合金，弹性模量110000兆帕，泊松比0.30），进行网格划分（单元尺寸2.0毫米）并施加载荷与边界条件。载荷条件模拟三种步态：站立（股骨头受力700牛）、慢走（股骨头受力1400牛并施加5牛·米扭矩模拟旋转）和下楼（股骨头受力2100牛并施加5牛·米扭矩），股骨远端髁部完全约束。接触设置中，骨折面间摩擦系数为0.46，骨-植入物界面为0.42，皮质骨-松质骨以及钉-螺钉界面为绑定接触。通过比较完整股骨模型在700牛载荷下的应力应变云图以及与既往尸体生物力学研究和有限元分析数据的吻合度，验证了模型的可靠性。结果评估指标包括股骨位移、骨折块位移、股骨应变以及von Mises应力，并采用SPSS 22.0进行统计学分析（显著性水平α = 0.05）。
结果
模型验证结果显示，完整股骨模型在700牛载荷下的最大von Mises应力为21.559兆帕，与既往研究结果（17.49–18.05兆帕）接近，证实模型可靠。
应力分布方面，三种步态下，应力均集中于主钉-螺钉交界处及近端开口区域，与临床内固定失败部位一致。von Mises应力随钉长增加而降低：180毫米钉应力最高（站立：214.53±36.78兆帕；行走：477.42±88.48兆帕；下楼：691.03±125.23兆帕），320毫米钉应力最低（站立：176.38±31.76兆帕；行走：359.76±58.06兆帕；下楼：534.93±89.24兆帕），240毫米钉居中。不同钉长间的应力差异具有统计学显著性（P < 0.05）。活动强度增加时，应力显著增大。
股骨总位移方面，在站立状态下，180毫米钉位移最小（0.693±0.004毫米），240毫米（1.128±0.000毫米）与320毫米钉（1.129±0.003毫米）位移相近。在动态载荷（行走、下楼）下，位移随钉长增加而增大：行走时，180毫米、240毫米、320毫米钉位移分别为1.532±0.008毫米、2.409±0.001毫米、2.263±0.001毫米；下楼时分别为2.219±0.011毫米、3.739±0.011毫米、3.316±0.001毫米。
骨折块间微动（骨折间隙位移）在所有条件下均随钉长增加而增加，且差异具有统计学显著性（P < 0.05）。站立时，180毫米、240毫米、320毫米钉的微动分别为0.0556±0.0007毫米、0.1454±0.0019毫米（较180毫米钉高1.6倍）、0.2006±0.0027毫米（较180毫米钉高2.61倍）。行走时分别为0.0963±0.0007毫米、0.2297±0.0022毫米、0.3254±0.0029毫米（较180毫米钉高62.2%）。下楼时分别为0.0875±0.0005毫米、0.2161±0.0021毫米、0.3024±0.0027毫米。320毫米钉在动态载荷下提供了适度的微动。
股骨应变方面，结果因钉长和载荷条件而异。站立时，240毫米钉应变最低（0.003±0.000），180毫米钉（0.006±0.001）和320毫米钉（0.008±0.002）较高。行走时，180毫米、240毫米、320毫米钉应变分别为0.013±0.002、0.005±0.001、0.004±0.001，长钉对应变控制更好。下楼时，应变分别为0.019±0.003、0.026±0.007、0.006±0.001，320毫米钉表现出最优的应变控制能力。
讨论
本研究通过有限元分析深入探讨了InterTan髓内钉长度对治疗AO/OTA 31A2.3型骨折生物力学性能的影响。
关于应力分布与再骨折风险，320毫米长钉展现出显著优势，其von Mises应力较180毫米短钉降低21.7%–29.8%。这归因于长钉延长的力臂能将应力更均匀地分散在更大的骨-钉接触界面，从而减轻了主钉-螺钉交界处的应力集中（180毫米钉下楼时达691.03兆帕）。应力集中与疲劳失败风险密切相关，本研究结果与临床观察到的InterTan失败部位一致，也支持了既往研究发现短钉可能导致股骨干部应力增高，而长钉可降低屈服风险的研究结论。因此，320毫米钉通过优化应力分布，尤其对于活动量较大的患者，能有效降低内固定失败和股骨再骨折的风险。
关于微动与骨折愈合，适度的骨折块间微动（0.05–0.2毫米）被认为有利于骨痂形成和二期愈合。本研究中，180毫米短钉在生理载荷下微动极小（站立时0.0556毫米），可能因其刚性固定而限制了有益的微动。相反，320毫米长钉在行走时产生的微动为0.3254毫米，虽略高于理想范围上限，但可能通过其更长的“弹性变形空间”（未被支撑的骨段）缓冲动态冲击，并落入某些研究认为的有效微动范围，从而更有利于激发骨愈合。而过度的微动（>0.5毫米）则可能导致纤维性连接。因此，选择合适长度的髓内钉以平衡稳定性和促进愈合的微动至关重要。
关于应变分布与骨折愈合的力学调控，应变水平影响成骨细胞分化和愈合方式。研究表明，1,000–3,000微应变（με）有利于膜内成骨。在本研究中，320毫米长钉在动态载荷下（行走应变0.004，下楼应变0.006）能较好地控制应变在较低水平，可能为骨折愈合提供有利的力学环境。而240毫米钉在下楼时应变较高（0.026），可能存在抑制骨形成的风险。320毫米长钉因其更长的杠杆臂，在抵抗动态冲击和吸收能量方面表现更佳，有助于维持骨折部位的力学稳定性。
综上所述，尽管本研究基于有限元分析揭示了320毫米InterTan髓内钉在生物力学上的优势，但临床决策仍需个体化，需综合考虑患者股骨几何形态、骨质量、骨折形态以及手术技术等因素。
局限性及未来工作
本研究存在一定局限性。首先，有限元模型基于单一健康年轻男性股骨数据构建，未能反映常发生AO/OTA 31A2.3型骨折的老年患者存在的解剖变异、骨密度下降（骨质疏松）等特征。其次，模型简化（如线弹性各向同性骨材料属性、简化的肌肉载荷、部分界面的绑定接触）限制了其结果直接外推至临床的准确性。此外，临床结局还受复位质量、合并症及康复等因素影响，这些是计算模型无法涵盖的。未来研究建议采用涵盖不同年龄和骨质疏松状况的患者特异性模型队列，对骨材料属性和肌肉载荷进行敏感性分析，并将计算结果与前瞻性临床数据集（如多中心注册研究或针对性病例系列研究）相结合，以验证长钉的生物学优势是否能在老年合并症患者中转化为更佳的愈合率和更低的失败率。
