張小鋒 蔣濤

生物力學(xué)（biomechanics）是通過(guò)力學(xué)的原理及方法，分析生命體受力、變形、運(yùn)動(dòng)及與其生理病理之間關(guān)系的科學(xué)[1-2]。作為生物醫(yī)學(xué)工程中重要的學(xué)科前沿交叉領(lǐng)域，也是最活躍的領(lǐng)域之一，生物力學(xué)在我國(guó)近些年來(lái)已得到持續(xù)發(fā)展[3]。

股骨近端骨折生物力學(xué)研究方式主要有四種：（1）尸體股骨標(biāo)本研究，由于難以收集及與活體差異較大，故而研究受限[4]；（2）步態(tài)分析，但此類研究在股骨近端內(nèi)固定方面尚且不足[5]；（3）人工模型股骨研究，如國(guó)內(nèi)的聚甲基丙烯酸甲酯模型股骨、國(guó)外的第4 代人造股骨[6]；（4）股骨三維模型研究，如有限元分析，此為目前最流行的研究方式[7-10]。

隨著內(nèi)固定在骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折方面的運(yùn)用，生物力學(xué)的研究亦不斷深入，現(xiàn)就骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折內(nèi)固定的生物力學(xué)研究進(jìn)展予以綜述。

1 骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折概念及現(xiàn)狀

股骨頸骨折是常見(jiàn)于中老年人的骨折病，指從股骨頭下至股骨頸基底部的骨折。其中，由于骨密度下降導(dǎo)致骨質(zhì)疏松，在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)的股骨頸骨折即為骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約4/5 的股骨頸骨折都與骨質(zhì)疏松相關(guān)[11]，其機(jī)理與骨質(zhì)退化及雌激素缺乏等因素有關(guān)[12-13]。通常，女性超過(guò)50 歲、男性超過(guò)60 歲便開(kāi)始丟失骨量，如不及時(shí)治療就容易引起骨質(zhì)疏松癥，進(jìn)而為股骨頸骨折埋下禍根。由于老年人多伴有骨質(zhì)疏松癥，即使受到的外力較小也極易造成股骨頸骨折。有研究指出，在2050 年全球新發(fā)股骨頸骨折約占髖關(guān)節(jié)骨折的50%[14]。

2 骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折的治療

老年股骨頸骨折若選擇保守治療，通常需要長(zhǎng)時(shí)間臥床，但這可能導(dǎo)致關(guān)節(jié)僵硬及各種并發(fā)癥的發(fā)生[15]。因?yàn)楣晒穷i復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)和血供，此處骨折后最多的并發(fā)癥為骨不連與股骨頭缺血性壞死[16-18]。另外，高齡及心肺功能不全之人，常因伴隨嚴(yán)重的基礎(chǔ)疾病而導(dǎo)致病情惡化、死亡率增加。因此，為恢復(fù)髖關(guān)節(jié)的功能，應(yīng)及時(shí)手術(shù)以盡早復(fù)位脫位的股骨頸[19]。尤其是老年股骨頸骨折的治療更應(yīng)做到早期活動(dòng)，并為其提供相應(yīng)的力學(xué)穩(wěn)定性，直到骨折完全愈合[20]。當(dāng)前，為了患者有良好的生活質(zhì)量，針對(duì)骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折患者，醫(yī)學(xué)界主要采用兩種手術(shù)方式：內(nèi)固定、關(guān)節(jié)置換。

骨內(nèi)固定通常被認(rèn)為是非移位性股骨頸骨折的標(biāo)準(zhǔn)治療方法[21-22]。非粉碎性、穩(wěn)定性骨折僅使用空心螺釘或髖關(guān)節(jié)螺釘即可安全固定[22]，而治療不穩(wěn)定骨折還包括了股骨近端鎖定鋼板、股骨頸內(nèi)側(cè)支撐鋼板內(nèi)固定等技術(shù)[23]。

據(jù)報(bào)道，股骨頸骨折內(nèi)固定的失敗率有21.0%～57.0%[24]。徐峰等[25]發(fā)現(xiàn)，由于骨質(zhì)疏松癥所影響的最大部位之一是股骨頸，因此該中心區(qū)域松質(zhì)骨的缺乏便成為了實(shí)施內(nèi)固定時(shí)放置螺釘?shù)闹饕獑?wèn)題：螺釘錨著力和骨質(zhì)支持不足。內(nèi)固定-骨界面的應(yīng)變力極易在術(shù)后受外力作用時(shí)超出其最大負(fù)荷，從而引發(fā)微骨折和內(nèi)置物的松動(dòng)[26]。目前內(nèi)固定術(shù)具有創(chuàng)傷小、抗扭轉(zhuǎn)力強(qiáng)等好處，其生物力學(xué)優(yōu)勢(shì)在于能最大限度地限制股骨頭的旋轉(zhuǎn)和降低螺釘?shù)某山荹27]。

2.1 空心拉力螺釘 空心拉力螺釘?shù)闹饕獌?yōu)點(diǎn)是侵襲性小[11]，適用于沒(méi)有明顯位移的股骨頸骨折及后方?jīng)]有骨折碎塊類型的骨折，適用于股骨頸頭下型、經(jīng)頸型骨折[28]。通過(guò)骨折間隙加壓，以及允許頭部沿軸線滑動(dòng)，從而加速愈合[29]。生物力學(xué)的研究包括螺釘數(shù)量、置釘方式、螺釘種類、釘?shù)馈⑿滦蛢?nèi)固定方式[30]等，這些因素對(duì)于抵抗骨折間隙的移位和實(shí)現(xiàn)骨愈合至關(guān)重要。另外，對(duì)于骨質(zhì)疏松癥，一般建議使用墊圈以使骨折間隙產(chǎn)生更多的壓縮力，并防止螺釘頭穿透外側(cè)皮質(zhì)[18，31]。

2.1.1 螺釘數(shù)量 螺釘?shù)姆€(wěn)定性依賴于一側(cè)外側(cè)皮質(zhì)和另一側(cè)股骨頭軟骨下骨的錨固[32]。生物力學(xué)研究表明，皮質(zhì)支持的螺釘比單獨(dú)錨定松質(zhì)骨的螺釘具有更高的穩(wěn)定性[33]。相對(duì)于2 顆螺釘而言，放置3 顆螺釘時(shí)的骨折穩(wěn)定性更高[34]，即通過(guò)更加穩(wěn)定的抗旋轉(zhuǎn)作用以減少骨折端的移位[35]。因此，這也是目前治療股骨頸骨折比較常見(jiàn)的內(nèi)固定形式[36]。

但對(duì)于使用4 枚還是3 枚螺釘，學(xué)術(shù)界仍有爭(zhēng)議：文獻(xiàn)[37-39]通過(guò)有限元分析后認(rèn)為4 枚具有更佳的抗剪切力、抗旋轉(zhuǎn)應(yīng)力以及能降低骨折移位的優(yōu)勢(shì)。然而，也有學(xué)者認(rèn)為兩者有限元結(jié)果差異并不明顯，如梁會(huì)等[40]認(rèn)為4 枚空心釘與3 枚空心釘內(nèi)固定相比，骨折塊垂直位移和水平位移的差異均沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。王穎等[41]認(rèn)為兩者生物力學(xué)差異并不明顯。有學(xué)者認(rèn)為雖然額外的螺釘增加了穩(wěn)定性，但它們可能削弱了正確固定所必需的外側(cè)皮質(zhì)[42]。由于4 枚螺釘方案的實(shí)際操作中，需要數(shù)次透視定位進(jìn)行調(diào)整，而導(dǎo)針的頻繁置入會(huì)使股骨頸的骨量減少，乃至造成內(nèi)固定的穩(wěn)定性下降[43]，這對(duì)骨質(zhì)疏松的患者將更加不利。所以，對(duì)于股骨頸骨折，究竟采用3 枚還是4 枚螺釘仍需要進(jìn)一步生物力學(xué)結(jié)果的驗(yàn)證[30]。

2.1.2 置釘方式 目前，空心釘?shù)牟坚敺绞街饕袃煞N：三角形結(jié)構(gòu)和“F”技術(shù)[44]。針對(duì)普通的股骨頸骨折，為更佳地分散應(yīng)力，減少術(shù)后退釘、移位和再發(fā)骨折的可能性[45]，一般推薦倒三角形結(jié)構(gòu)；而對(duì)于有骨質(zhì)疏松的患者，通常使用正三角固定[46]。但有研究認(rèn)為，為避免股骨頸軸向壓力過(guò)大使得螺釘插入髖臼，對(duì)伴有骨質(zhì)疏松者應(yīng)慎用三角形結(jié)構(gòu)固定[28]。另外，已有學(xué)者提出了“F”技術(shù)，其較常規(guī)固定方式具有分散應(yīng)力、減小股骨外側(cè)皮質(zhì)負(fù)荷、減少骨折風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)[44]。股骨頸上寬下窄的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致負(fù)重時(shí)力線的傳導(dǎo)方向與壓力骨小梁的垂直方向一致，基于低角度置釘理論[47]，為使釘體免受體重的直接壓力，采取近乎垂直的角度置釘以使體重沿釘體傳導(dǎo)至股骨干外側(cè)皮質(zhì)是一個(gè)較為理想的方法。

股骨頸骨折通常有三種分型方法：Pauwels 分型、Garden 分型和解剖部位分型。其中，Pauwels分型是現(xiàn)今最常用的分型方法[48]，而骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折的生物力學(xué)研究主要集中于PauwelsⅡ型和PauwelsⅢ型。研究表明，無(wú)論是PauwelsⅡ型骨折，還是PauwelsⅢ型骨折，由于“F”技術(shù)比平行置釘更貼近骨皮質(zhì)，因此，“F”技術(shù)較倒三角形置釘具有更好的抗扭轉(zhuǎn)能力及更強(qiáng)的力學(xué)穩(wěn)定性[49-52]。

2.1.3 生物材料 伴隨生物材料的改進(jìn)，當(dāng)前臨床研究的熱點(diǎn)逐漸集中于將新材料用于骨質(zhì)疏松性骨折的治療。研究證實(shí)，此材料能使螺釘把持力得到明顯增加[53]。在大幅減少內(nèi)固定失敗率的同時(shí)，對(duì)骨折的愈合基本沒(méi)有不影響，也很少會(huì)造成股骨頭壞死的情況。作為一種新型的可注射生物型材料，磷酸鈣骨水泥具有較強(qiáng)的生物相容性和生物力學(xué)穩(wěn)定性。如白正發(fā)等[26]發(fā)現(xiàn)，磷酸鈣骨水泥能通過(guò)增加空心螺釘?shù)牧W(xué)穩(wěn)定性，從而強(qiáng)化股骨頸的抗壓縮能力及扭轉(zhuǎn)剛度，使股骨頸骨折的固定得到強(qiáng)化。姚琦等[54]認(rèn)為可以向空心釘中注入各類生物材料以加快骨折的愈合，還通過(guò)有限元分析的手段證明了其在生物力學(xué)上是安全有效的。因此，有學(xué)者認(rèn)為，改良空心釘和生物工程的聯(lián)合可能是以后股骨頸骨折螺釘固定的研究熱點(diǎn)[27]。

2.1.4 置釘位置 有學(xué)者指出，隨著年齡的增長(zhǎng)，相對(duì)于股骨頭及股骨頸內(nèi)下方而言，股骨頸外上方的松質(zhì)骨退變最為明顯。因此，為增強(qiáng)內(nèi)固定的把持能力，髓內(nèi)釘?shù)闹踩霊?yīng)盡量避開(kāi)其骨小梁薄弱區(qū)域[55]。這與邱俊駿等[16]認(rèn)為應(yīng)從股骨頸下方置釘?shù)慕Y(jié)論一致。

另外，股骨頸骨折內(nèi)固定后的嚴(yán)重并發(fā)癥之一是股骨轉(zhuǎn)子下骨折，發(fā)生率為2.4%～5.7%[56-58]。一項(xiàng)國(guó)外生物力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在骨質(zhì)疏松患者中，因螺釘起始于小粗隆遠(yuǎn)端而導(dǎo)致股骨轉(zhuǎn)子下骨折的概率高于螺釘起始于小粗隆處或近端處。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)最遠(yuǎn)端的螺釘從小轉(zhuǎn)子遠(yuǎn)端開(kāi)始時(shí)，其失效載荷也隨之降低。這表明，對(duì)于骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折的患者而言，在置釘時(shí)，可以通過(guò)避免螺釘起始于小轉(zhuǎn)子水平遠(yuǎn)端的方式來(lái)降低股骨轉(zhuǎn)子下繼發(fā)骨折的風(fēng)險(xiǎn)[59]。

2.2 動(dòng)力髖螺釘（DHS）骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折還可以選用DHS 治療[60]，對(duì)于近乎垂直方向的骨折大多應(yīng)使用DHS 來(lái)穩(wěn)定[61]，股骨頸基底型骨折的首選DHS[28]。生物力學(xué)已證明DHS 優(yōu)于空心螺釘[62]，主要包括動(dòng)、靜結(jié)合加壓與張力帶作用，對(duì)于早期負(fù)重狀態(tài)下保持骨折斷端的接觸非常有利。Zhang 等[63]推薦DHS 用于老年骨質(zhì)疏松性骨折患者。Zhao 等[64]認(rèn)為DHS 優(yōu)勢(shì)在于微創(chuàng)、早期活動(dòng)與負(fù)重，特別適用于輕度骨質(zhì)疏松癥患者。然而，張韌等[65]發(fā)現(xiàn)DHS 術(shù)后股骨頭壞死率較高，從而認(rèn)為DHS 會(huì)被其他材料逐漸取代。

DHS 的另一個(gè)不足之處是導(dǎo)致股骨頸縮短。以前，這種擔(dān)憂被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的臨床結(jié)果，但研究報(bào)告認(rèn)為這會(huì)嚴(yán)重影響患者的身體功能[66]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有人引入新的長(zhǎng)度穩(wěn)定的植入物，如全螺紋松質(zhì)骨螺釘、擴(kuò)張型松質(zhì)骨螺釘或髖部鎖定鋼板，但臨床結(jié)果并不一致[11]。有一種新穎的內(nèi)固定技術(shù)是將兩顆全螺紋發(fā)散螺釘置入頭頸部，并通過(guò)髖關(guān)節(jié)滑動(dòng)螺釘或動(dòng)態(tài)刀片實(shí)現(xiàn)非滑動(dòng)結(jié)構(gòu)。使用該方式固定后，約94%的患者實(shí)現(xiàn)了骨折愈合，且骨折位移很小[67]。但由于新型長(zhǎng)度穩(wěn)定鎖定鋼板的失敗率較高，因此，并不推薦將這類鋼板用于股骨頸骨折的治療[68]。目前，臨床上DHS 主要用于股骨頸基底部骨折和股骨頸后外側(cè)粉碎等缺乏支撐的骨折類型[18]。

蒙芝健等[69]認(rèn)為股骨頭內(nèi)單釘固定的抗旋轉(zhuǎn)能力和骨質(zhì)保持力差，不過(guò)，有學(xué)者認(rèn)為通過(guò)使用額外的抗旋轉(zhuǎn)螺釘，能降低旋轉(zhuǎn)不正的潛在風(fēng)險(xiǎn)[70]。也有報(bào)道稱，空心螺釘和滑動(dòng)髖關(guān)節(jié)螺釘?shù)囊环N新型混合方法結(jié)合了較小直徑的滑動(dòng)螺釘用于外側(cè)鎖定鋼板的單個(gè)選擇的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)提供旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和控制股骨頸的塌陷。這種新型種植體已經(jīng)顯示出骨不連率的降低的優(yōu)勢(shì)，然而，仍需要更多的臨床證據(jù)來(lái)證明其潛在的益處[71]。

2.3 動(dòng)力髖螺釘螺旋刀片（DHS-BLADE）DHS 螺旋刀片是一種新型假體，傳統(tǒng)DHS 頭釘被螺旋刀片淘汰，并聯(lián)合了鎖定加壓的動(dòng)力髖接骨板[72]。該刀片不僅能穩(wěn)健固定股骨頭，還能在擠壓骨質(zhì)的同時(shí)增加內(nèi)固定的錨合力，以便對(duì)骨折端的持續(xù)加壓[73]。一項(xiàng)不穩(wěn)定股骨頸骨折的生物力學(xué)研究表明，與正常的DHS 相比，DHS 螺旋刀片具有更好的抗切口、抗旋轉(zhuǎn)能力和更大的表面積[74]。

吳軍等[72]發(fā)現(xiàn)由于DHS 螺旋刀片可以有效傳遞并分散載荷，防止應(yīng)力集中，因此其最大承重較空心加壓螺釘優(yōu)。與空心加壓螺釘相比，DHS 螺旋刀片在抗旋轉(zhuǎn)、切割和固定方面具有許多優(yōu)點(diǎn)[75]，在防止股骨頸縮短、螺釘退出和切斷方面具有優(yōu)勢(shì)[76]；與拉力螺釘相比，螺旋刀片的設(shè)計(jì)提供了更強(qiáng)的錨固和旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，不需要移除額外的骨，這減少了種植體切口的發(fā)生率，提高了臨床結(jié)果[77-78]。在Windolf 等[79]的研究中，植入DHS 螺旋刀的患者螺釘退出發(fā)生率明顯低于植入空心加壓螺釘?shù)幕颊?。該研究還發(fā)現(xiàn)所有經(jīng)歷螺釘切斷的患者都患有骨質(zhì)疏松癥，由此猜測(cè)螺釘退出可能與先前存在的骨質(zhì)疏松癥以及活動(dòng)受限引起的術(shù)后骨吸收有關(guān)。其他生物力學(xué)研究也證明，DHS 螺旋刀片通過(guò)錘擊的力量插入松質(zhì)骨以固定股骨頭的做法優(yōu)于螺釘[79-80]。

然而，DHS 螺旋刀片撞擊骨會(huì)使周圍松質(zhì)骨壓實(shí)，從而導(dǎo)致小梁骨微骨折和損傷。這可能增加內(nèi)固定失敗的風(fēng)險(xiǎn)，引起股骨頸縮短的高發(fā)生率[81]。幸運(yùn)的是，松質(zhì)骨的壓實(shí)也可以改善種植體的支抗，減少切口的發(fā)生[82]。另外，DHS 螺旋刀片可滑入骨折間隙，通過(guò)對(duì)骨折端提供應(yīng)力刺激，獲得骨吸收，促進(jìn)骨折愈合。

2.4 Intertan 股骨近端髓內(nèi)固定系統(tǒng)的代表即Intertan，其優(yōu)點(diǎn)是減少股骨頸短縮。Intertan 與PFNA髓內(nèi)釘雖然常用于轉(zhuǎn)子間骨折的固定，但同樣適合于股骨頸骨折的治療。在治療老年股骨頸基底部骨折的比較分析中發(fā)現(xiàn)，Intertan 通過(guò)軸線加壓的方式能滿足早期負(fù)重時(shí)所需的力學(xué)條件，對(duì)于降低術(shù)后頭頸部?jī)?nèi)翻、塌陷和短縮等并發(fā)癥有一定益處[83]。

Intertan 有三大創(chuàng)新設(shè)計(jì)：近端梯形橫截面、遠(yuǎn)端發(fā)夾開(kāi)槽及組合螺釘。它們的作用分別是：加強(qiáng)主釘在髓腔內(nèi)的抗旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性[83]、分散遠(yuǎn)端應(yīng)力[84]和防止下地負(fù)重時(shí)可能出現(xiàn)的“Z效應(yīng)”。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，與DHS 和空心拉力螺釘相比，Intertan 可以減少股骨頭頸部承受的彎曲應(yīng)力[85]。在抵消剪切應(yīng)力、避免軸向移位等方面，Intertan 均比空心拉力螺釘明顯占優(yōu)。并指出在Pauwels 分型的骨折中，Intertan 適合于Ⅱ型的經(jīng)頸型骨折、頸基底部骨折和Ⅲ型骨折。

另外，有學(xué)者指出，中老年股骨頸骨折患者的療效對(duì)比中，全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)優(yōu)于內(nèi)固定術(shù)[86]。因此，雖然內(nèi)固定研究有了長(zhǎng)足發(fā)展，但不能一味追求內(nèi)固定能適合于所有骨質(zhì)疏松的患者，對(duì)于嚴(yán)重骨質(zhì)疏松的患者而言，由于其骨質(zhì)脆弱，使得內(nèi)固定物無(wú)法得到牢固的錨定點(diǎn)或骨支持，人工髖關(guān)節(jié)置換或許才是最優(yōu)選項(xiàng)。

綜上所述，在骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折的內(nèi)固定治療中，生物力學(xué)研究主要集中在空心拉力螺釘、動(dòng)力髖螺釘、動(dòng)力髖螺釘螺旋刀片和Intertan 上。其中空心釘技術(shù)的研究比較廣泛，尤其是螺釘數(shù)量、置釘方式、生物材料和置釘位置等方面。動(dòng)力髖螺釘雖然在生物力學(xué)上表現(xiàn)較好，但由于其明顯的缺點(diǎn)導(dǎo)致其有被取代的趨勢(shì)，目前主要用于股骨頸基底部骨折和股骨頸后外側(cè)粉碎等缺乏支撐的骨折類型。DHS 螺旋刀片比空心螺釘和動(dòng)力髖螺釘?shù)闹С至?、牢固性及術(shù)后負(fù)重效能更好，生物力學(xué)方面亦有較大優(yōu)勢(shì)[74]。Intertan 在生物力學(xué)上比空心拉力螺釘、DHS 更優(yōu)，適合于 Pauwels 的Ⅱ型和Ⅲ型骨折。

股骨頸骨折內(nèi)固定因生物力學(xué)和材料學(xué)的發(fā)展而取得巨大進(jìn)步，但無(wú)論是內(nèi)固定方法還是固定后的結(jié)果在生物力學(xué)上目前都具有一定爭(zhēng)議。由于Intertan 在股骨頸骨折中的運(yùn)用與研究相對(duì)不足，因此，動(dòng)力髖螺釘螺旋刀片可能將是未來(lái)骨質(zhì)疏松性股骨頸骨折生物力學(xué)的主要研究方向。