骨质疏松性股骨颈骨折内固定的生物力学研究进展

张小锋 蒋涛

生物力学（biomechanics）是通过力学的原理及方法，分析生命体受力、变形、运动及与其生理病理之间关系的科学[1-2]。作为生物医学工程中重要的学科前沿交叉领域，也是最活跃的领域之一，生物力学在我国近些年来已得到持续发展[3]。

股骨近端骨折生物力学研究方式主要有四种：（1）尸体股骨标本研究，由于难以收集及与活体差异较大，故而研究受限[4]；（2）步态分析，但此类研究在股骨近端内固定方面尚且不足[5]；（3）人工模型股骨研究，如国内的聚甲基丙烯酸甲酯模型股骨、国外的第4 代人造股骨[6]；（4）股骨三维模型研究，如有限元分析，此为目前最流行的研究方式[7-10]。

随着内固定在骨质疏松性股骨颈骨折方面的运用，生物力学的研究亦不断深入，现就骨质疏松性股骨颈骨折内固定的生物力学研究进展予以综述。

1 骨质疏松性股骨颈骨折概念及现状

股骨颈骨折是常见于中老年人的骨折病，指从股骨头下至股骨颈基底部的骨折。其中，由于骨密度下降导致骨质疏松，在此基础上出现的股骨颈骨折即为骨质疏松性股骨颈骨折。据统计，约4/5 的股骨颈骨折都与骨质疏松相关[11]，其机理与骨质退化及雌激素缺乏等因素有关[12-13]。通常，女性超过50 岁、男性超过60 岁便开始丢失骨量，如不及时治疗就容易引起骨质疏松症，进而为股骨颈骨折埋下祸根。由于老年人多伴有骨质疏松症，即使受到的外力较小也极易造成股骨颈骨折。有研究指出，在2050 年全球新发股骨颈骨折约占髋关节骨折的50%[14]。

2 骨质疏松性股骨颈骨折的治疗

老年股骨颈骨折若选择保守治疗，通常需要长时间卧床，但这可能导致关节僵硬及各种并发症的发生[15]。因为股骨颈复杂的解剖结构和血供，此处骨折后最多的并发症为骨不连与股骨头缺血性坏死[16-18]。另外，高龄及心肺功能不全之人，常因伴随严重的基础疾病而导致病情恶化、死亡率增加。因此，为恢复髋关节的功能，应及时手术以尽早复位脱位的股骨颈[19]。尤其是老年股骨颈骨折的治疗更应做到早期活动，并为其提供相应的力学稳定性，直到骨折完全愈合[20]。当前，为了患者有良好的生活质量，针对骨质疏松性股骨颈骨折患者，医学界主要采用两种手术方式：内固定、关节置换。

骨内固定通常被认为是非移位性股骨颈骨折的标准治疗方法[21-22]。非粉碎性、稳定性骨折仅使用空心螺钉或髋关节螺钉即可安全固定[22]，而治疗不稳定骨折还包括了股骨近端锁定钢板、股骨颈内侧支撑钢板内固定等技术[23]。

据报道，股骨颈骨折内固定的失败率有21.0%～57.0%[24]。徐峰等[25]发现，由于骨质疏松症所影响的最大部位之一是股骨颈，因此该中心区域松质骨的缺乏便成为了实施内固定时放置螺钉的主要问题：螺钉锚着力和骨质支持不足。内固定-骨界面的应变力极易在术后受外力作用时超出其最大负荷，从而引发微骨折和内置物的松动[26]。目前内固定术具有创伤小、抗扭转力强等好处，其生物力学优势在于能最大限度地限制股骨头的旋转和降低螺钉的成角[27]。

2.1 空心拉力螺钉 空心拉力螺钉的主要优点是侵袭性小[11]，适用于没有明显位移的股骨颈骨折及后方没有骨折碎块类型的骨折，适用于股骨颈头下型、经颈型骨折[28]。通过骨折间隙加压，以及允许头部沿轴线滑动，从而加速愈合[29]。生物力学的研究包括螺钉数量、置钉方式、螺钉种类、钉道、新型内固定方式[30]等，这些因素对于抵抗骨折间隙的移位和实现骨愈合至关重要。另外，对于骨质疏松症，一般建议使用垫圈以使骨折间隙产生更多的压缩力，并防止螺钉头穿透外侧皮质[18，31]。

2.1.1 螺钉数量 螺钉的稳定性依赖于一侧外侧皮质和另一侧股骨头软骨下骨的锚固[32]。生物力学研究表明，皮质支持的螺钉比单独锚定松质骨的螺钉具有更高的稳定性[33]。相对于2 颗螺钉而言，放置3 颗螺钉时的骨折稳定性更高[34]，即通过更加稳定的抗旋转作用以减少骨折端的移位[35]。因此，这也是目前治疗股骨颈骨折比较常见的内固定形式[36]。

但对于使用4 枚还是3 枚螺钉，学术界仍有争议：文献[37-39]通过有限元分析后认为4 枚具有更佳的抗剪切力、抗旋转应力以及能降低骨折移位的优势。然而，也有学者认为两者有限元结果差异并不明显，如梁会等[40]认为4 枚空心钉与3 枚空心钉内固定相比，骨折块垂直位移和水平位移的差异均没有统计学意义。王颖等[41]认为两者生物力学差异并不明显。有学者认为虽然额外的螺钉增加了稳定性，但它们可能削弱了正确固定所必需的外侧皮质[42]。由于4 枚螺钉方案的实际操作中，需要数次透视定位进行调整，而导针的频繁置入会使股骨颈的骨量减少，乃至造成内固定的稳定性下降[43]，这对骨质疏松的患者将更加不利。所以，对于股骨颈骨折，究竟采用3 枚还是4 枚螺钉仍需要进一步生物力学结果的验证[30]。

2.1.2 置钉方式 目前，空心钉的布钉方式主要有两种：三角形结构和“F”技术[44]。针对普通的股骨颈骨折，为更佳地分散应力，减少术后退钉、移位和再发骨折的可能性[45]，一般推荐倒三角形结构；而对于有骨质疏松的患者，通常使用正三角固定[46]。但有研究认为，为避免股骨颈轴向压力过大使得螺钉插入髋臼，对伴有骨质疏松者应慎用三角形结构固定[28]。另外，已有学者提出了“F”技术，其较常规固定方式具有分散应力、减小股骨外侧皮质负荷、减少骨折风险等优势[44]。股骨颈上宽下窄的结构导致负重时力线的传导方向与压力骨小梁的垂直方向一致，基于低角度置钉理论[47]，为使钉体免受体重的直接压力，采取近乎垂直的角度置钉以使体重沿钉体传导至股骨干外侧皮质是一个较为理想的方法。

股骨颈骨折通常有三种分型方法：Pauwels 分型、Garden 分型和解剖部位分型。其中，Pauwels分型是现今最常用的分型方法[48]，而骨质疏松性股骨颈骨折的生物力学研究主要集中于PauwelsⅡ型和PauwelsⅢ型。研究表明，无论是PauwelsⅡ型骨折，还是PauwelsⅢ型骨折，由于“F”技术比平行置钉更贴近骨皮质，因此，“F”技术较倒三角形置钉具有更好的抗扭转能力及更强的力学稳定性[49-52]。

2.1.3 生物材料 伴随生物材料的改进，当前临床研究的热点逐渐集中于将新材料用于骨质疏松性骨折的治疗。研究证实，此材料能使螺钉把持力得到明显增加[53]。在大幅减少内固定失败率的同时，对骨折的愈合基本没有不影响，也很少会造成股骨头坏死的情况。作为一种新型的可注射生物型材料，磷酸钙骨水泥具有较强的生物相容性和生物力学稳定性。如白正发等[26]发现，磷酸钙骨水泥能通过增加空心螺钉的力学稳定性，从而强化股骨颈的抗压缩能力及扭转刚度，使股骨颈骨折的固定得到强化。姚琦等[54]认为可以向空心钉中注入各类生物材料以加快骨折的愈合，还通过有限元分析的手段证明了其在生物力学上是安全有效的。因此，有学者认为，改良空心钉和生物工程的联合可能是以后股骨颈骨折螺钉固定的研究热点[27]。

2.1.4 置钉位置 有学者指出，随着年龄的增长，相对于股骨头及股骨颈内下方而言，股骨颈外上方的松质骨退变最为明显。因此，为增强内固定的把持能力，髓内钉的植入应尽量避开其骨小梁薄弱区域[55]。这与邱俊骏等[16]认为应从股骨颈下方置钉的结论一致。

另外，股骨颈骨折内固定后的严重并发症之一是股骨转子下骨折，发生率为2.4%～5.7%[56-58]。一项国外生物力学研究发现，在骨质疏松患者中，因螺钉起始于小粗隆远端而导致股骨转子下骨折的概率高于螺钉起始于小粗隆处或近端处。此外，该研究还发现，当最远端的螺钉从小转子远端开始时，其失效载荷也随之降低。这表明，对于骨质疏松性股骨颈骨折的患者而言，在置钉时，可以通过避免螺钉起始于小转子水平远端的方式来降低股骨转子下继发骨折的风险[59]。

2.2 动力髋螺钉（DHS）骨质疏松性股骨颈骨折还可以选用DHS 治疗[60]，对于近乎垂直方向的骨折大多应使用DHS 来稳定[61]，股骨颈基底型骨折的首选DHS[28]。生物力学已证明DHS 优于空心螺钉[62]，主要包括动、静结合加压与张力带作用，对于早期负重状态下保持骨折断端的接触非常有利。Zhang 等[63]推荐DHS 用于老年骨质疏松性骨折患者。Zhao 等[64]认为DHS 优势在于微创、早期活动与负重，特别适用于轻度骨质疏松症患者。然而，张韧等[65]发现DHS 术后股骨头坏死率较高，从而认为DHS 会被其他材料逐渐取代。

DHS 的另一个不足之处是导致股骨颈缩短。以前，这种担忧被认为是标准的临床结果，但研究报告认为这会严重影响患者的身体功能[66]。为了解决这个问题，有人引入新的长度稳定的植入物，如全螺纹松质骨螺钉、扩张型松质骨螺钉或髋部锁定钢板，但临床结果并不一致[11]。有一种新颖的内固定技术是将两颗全螺纹发散螺钉置入头颈部，并通过髋关节滑动螺钉或动态刀片实现非滑动结构。使用该方式固定后，约94%的患者实现了骨折愈合，且骨折位移很小[67]。但由于新型长度稳定锁定钢板的失败率较高，因此，并不推荐将这类钢板用于股骨颈骨折的治疗[68]。目前，临床上DHS 主要用于股骨颈基底部骨折和股骨颈后外侧粉碎等缺乏支撑的骨折类型[18]。

蒙芝健等[69]认为股骨头内单钉固定的抗旋转能力和骨质保持力差，不过，有学者认为通过使用额外的抗旋转螺钉，能降低旋转不正的潜在风险[70]。也有报道称，空心螺钉和滑动髋关节螺钉的一种新型混合方法结合了较小直径的滑动螺钉用于外侧锁定钢板的单个选择的优点，可以同时提供旋转稳定性和控制股骨颈的塌陷。这种新型种植体已经显示出骨不连率的降低的优势，然而，仍需要更多的临床证据来证明其潜在的益处[71]。

2.3 动力髋螺钉螺旋刀片（DHS-BLADE）DHS 螺旋刀片是一种新型假体，传统DHS 头钉被螺旋刀片淘汰，并联合了锁定加压的动力髋接骨板[72]。该刀片不仅能稳健固定股骨头，还能在挤压骨质的同时增加内固定的锚合力，以便对骨折端的持续加压[73]。一项不稳定股骨颈骨折的生物力学研究表明，与正常的DHS 相比，DHS 螺旋刀片具有更好的抗切口、抗旋转能力和更大的表面积[74]。

吴军等[72]发现由于DHS 螺旋刀片可以有效传递并分散载荷，防止应力集中，因此其最大承重较空心加压螺钉优。与空心加压螺钉相比，DHS 螺旋刀片在抗旋转、切割和固定方面具有许多优点[75]，在防止股骨颈缩短、螺钉退出和切断方面具有优势[76]；与拉力螺钉相比，螺旋刀片的设计提供了更强的锚固和旋转稳定性，不需要移除额外的骨，这减少了种植体切口的发生率，提高了临床结果[77-78]。在Windolf 等[79]的研究中，植入DHS 螺旋刀的患者螺钉退出发生率明显低于植入空心加压螺钉的患者。该研究还发现所有经历螺钉切断的患者都患有骨质疏松症，由此猜测螺钉退出可能与先前存在的骨质疏松症以及活动受限引起的术后骨吸收有关。其他生物力学研究也证明，DHS 螺旋刀片通过锤击的力量插入松质骨以固定股骨头的做法优于螺钉[79-80]。

然而，DHS 螺旋刀片撞击骨会使周围松质骨压实，从而导致小梁骨微骨折和损伤。这可能增加内固定失败的风险，引起股骨颈缩短的高发生率[81]。幸运的是，松质骨的压实也可以改善种植体的支抗，减少切口的发生[82]。另外，DHS 螺旋刀片可滑入骨折间隙，通过对骨折端提供应力刺激，获得骨吸收，促进骨折愈合。

2.4 Intertan 股骨近端髓内固定系统的代表即Intertan，其优点是减少股骨颈短缩。Intertan 与PFNA髓内钉虽然常用于转子间骨折的固定，但同样适合于股骨颈骨折的治疗。在治疗老年股骨颈基底部骨折的比较分析中发现，Intertan 通过轴线加压的方式能满足早期负重时所需的力学条件，对于降低术后头颈部内翻、塌陷和短缩等并发症有一定益处[83]。

Intertan 有三大创新设计：近端梯形横截面、远端发夹开槽及组合螺钉。它们的作用分别是：加强主钉在髓腔内的抗旋转稳定性[83]、分散远端应力[84]和防止下地负重时可能出现的“Z效应”。有学者发现，与DHS 和空心拉力螺钉相比，Intertan 可以减少股骨头颈部承受的弯曲应力[85]。在抵消剪切应力、避免轴向移位等方面，Intertan 均比空心拉力螺钉明显占优。并指出在Pauwels 分型的骨折中，Intertan 适合于Ⅱ型的经颈型骨折、颈基底部骨折和Ⅲ型骨折。

另外，有学者指出，中老年股骨颈骨折患者的疗效对比中，全髋关节置换术优于内固定术[86]。因此，虽然内固定研究有了长足发展，但不能一味追求内固定能适合于所有骨质疏松的患者，对于严重骨质疏松的患者而言，由于其骨质脆弱，使得内固定物无法得到牢固的锚定点或骨支持，人工髋关节置换或许才是最优选项。

综上所述，在骨质疏松性股骨颈骨折的内固定治疗中，生物力学研究主要集中在空心拉力螺钉、动力髋螺钉、动力髋螺钉螺旋刀片和Intertan 上。其中空心钉技术的研究比较广泛，尤其是螺钉数量、置钉方式、生物材料和置钉位置等方面。动力髋螺钉虽然在生物力学上表现较好，但由于其明显的缺点导致其有被取代的趋势，目前主要用于股骨颈基底部骨折和股骨颈后外侧粉碎等缺乏支撑的骨折类型。DHS 螺旋刀片比空心螺钉和动力髋螺钉的支持力、牢固性及术后负重效能更好，生物力学方面亦有较大优势[74]。Intertan 在生物力学上比空心拉力螺钉、DHS 更优，适合于 Pauwels 的Ⅱ型和Ⅲ型骨折。

股骨颈骨折内固定因生物力学和材料学的发展而取得巨大进步，但无论是内固定方法还是固定后的结果在生物力学上目前都具有一定争议。由于Intertan 在股骨颈骨折中的运用与研究相对不足，因此，动力髋螺钉螺旋刀片可能将是未来骨质疏松性股骨颈骨折生物力学的主要研究方向。